Un écart d’une seconde dans le temps de parcours d’un ensemble d’ondes sismiques nous donne un aperçu important et sans précédent de ce qui se passe plus profondément à l’intérieur de la Terre.
La théorie sous-tend notre compréhension de la convection dans le noyau externe de la Terre et de sa fonction dans le contrôle du champ magnétique de la planète. Les flux convectifs ou leur évolution n’ont jamais été directement observés par les scientifiques. Le géoscientifique de Virginia Tech, Ying Zhou, apporte la preuve pour la première fois.
Un grand tremblement de terre a secoué la région des îles Kermadec dans l’océan Pacifique Sud en mai 1997. Un peu plus de 20 ans plus tard, en septembre 2018, un deuxième grand tremblement de terre a frappé le même endroit, avec ses vagues d’énergie sismique émanant de la même région.
Bien que deux décennies séparent les tremblements de terre, parce qu’ils se sont produits dans la même région, on s’attendrait à ce qu’ils envoient des ondes sismiques à travers les couches de la Terre à la même vitesse, a déclaré Ying Zhou, géoscientifique au Département des géosciences du Virginia Tech College of La science.
Le chemin bleu illustre une onde sismique pénétrant dans le noyau se déplaçant dans une région du noyau externe, où la vitesse sismique a augmenté car un flux de faible densité s’est déplacé dans la région. Crédit : Ying Zhou de Virginia Tech
Cependant, dans les données enregistrées dans quatre des plus de 150 stations du réseau sismographique mondial qui enregistrent les vibrations sismiques en temps réel, Zhou a trouvé une anomalie surprenante parmi les événements jumeaux. Lors du tremblement de terre de 2018, un ensemble d’ondes sismiques appelées ondes SKS a voyagé environ une seconde plus vite que leurs homologues en 1997.
Selon Zhou, dont les conclusions ont été publiées récemment dans 
Les lignes bleues sont des rayons sismiques dans le noyau externe, où les ondes sismiques pénétrant dans le noyau se sont déplacées plus rapidement dans cette région en 2018 qu’en 1997. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Ying Zhou
Les scientifiques n’ont également pu que spéculer sur la source des changements graduels de force et de direction du champ magnétique qui ont été observés, ce qui implique probablement des changements de flux dans le noyau externe.
“Si vous regardez le pôle géomagnétique nord, il se déplace actuellement à une vitesse d’environ 50 kilomètres (31 miles) par an”, a déclaré Zhou. « Il s’éloigne du Canada et se dirige vers la Sibérie. Le champ magnétique n’est pas le même tous les jours. C’est en train de changer. Comme cela change, nous supposons également que la convection dans le noyau externe change avec le temps, mais il n’y a aucune preuve directe. Nous ne l’avons jamais vu.
Zhou a entrepris de trouver cette preuve. Les changements qui se produisent dans le noyau externe ne sont pas dramatiques, dit-elle, mais ils méritent d’être confirmés et fondamentalement compris. Dans les ondes sismiques et leurs changements de vitesse sur une échelle de temps décennale, Zhou a vu un moyen pour “l’échantillonnage direct” du noyau externe. C’est parce que les ondes SKS qu’elle a étudiées le traversent.
“SKS” représente trois phases de l’onde : d’abord, elle traverse le manteau sous forme d’onde S ou d’onde de cisaillement ; puis dans le noyau externe sous forme d’onde de compression ; puis revenez à travers le manteau sous forme d’onde S. La vitesse de déplacement de ces ondes dépend en partie de la densité du noyau externe qui se trouve sur leur chemin. Si la densité est plus faible dans une région du noyau externe lorsque l’onde y pénètre, l’onde se déplacera plus rapidement, tout comme les ondes anormales du SKS l’ont fait en 2018.
“Quelque chose a changé sur le chemin de cette vague, elle peut donc aller plus vite maintenant”, a déclaré Zhou.
Ying Zhou du département des géosciences de Virginia Tech. Crédit : Photo publiée avec l’aimable autorisation de Ying Zhou
Pour Zhou, la différence de vitesse des vagues indique que des régions à faible densité se sont formées dans le noyau externe au cours des 20 années qui ont suivi le tremblement de terre de 1997. Cette vitesse d’onde SKS plus élevée lors du tremblement de terre de 2018 peut être attribuée à la libération d’éléments légers tels que l’hydrogène, le carbone et l’oxygène dans le noyau externe lors de la convection qui se produit lorsque la Terre se refroidit, a-t-elle déclaré.
“Le matériel qui était là il y a 20 ans n’est plus là”, a déclaré Zhou. « C’est un nouveau matériau, et il est plus léger. Ces éléments légers se déplaceront vers le haut et modifieront la densité dans la région où ils se trouvent.
Pour Zhou, c’est la preuve que le mouvement se produit réellement dans le noyau et qu’il change avec le temps, comme l’ont théorisé les scientifiques. “Nous sommes en mesure de le voir maintenant”, a-t-elle déclaré. “Si nous sommes capables de le voir à partir d’ondes sismiques, à l’avenir, nous pourrions mettre en place des stations sismiques et surveiller ce flux.”
Et après
C’est le prochain effort de Zhou. En utilisant une méthode de mesure des ondes connue sous le nom d’interférométrie, son équipe prévoit d’analyser les enregistrements sismiques continus de deux stations sismiques, dont l’une servira de source de tremblement de terre “virtuelle”, a-t-elle déclaré.
“Nous pouvons utiliser les tremblements de terre, mais la limite de s’appuyer sur les données sismiques est que nous ne pouvons pas vraiment contrôler les emplacements des tremblements de terre”, a déclaré Zhou. « Mais nous pouvons contrôler les emplacements des stations sismiques. Nous pouvons placer les stations où nous voulons qu’elles soient, avec le chemin des ondes d’une station à l’autre passant par le noyau externe. Si nous surveillons cela au fil du temps, nous pouvons voir comment les ondes sismiques pénétrant le cœur entre ces deux stations changent. Avec cela, nous serons mieux en mesure de voir le mouvement du fluide dans le noyau externe avec le temps.
Référence : “La variation transitoire de la vitesse des ondes sismiques indique un mouvement rapide des fluides dans le noyau externe de la Terre” par Ying Zhou, 25 avril 2022, Communications Terre & Environnement.
DOI : 10.1038/s43247-022-00432-7
