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Des montagnes à 660 kilomètres sous nos pieds
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Des montagnes à 660 kilomètres sous nos pieds

Le 9 juin 1994, un séisme de magnitude 8,2 a fait trembler la Bolivie. Grâce à de nouvelles méthodes d’analyse, Wenbo Wu, de l’Académie des sciences chinoise et de l’université Princeton, et ses collègues ont analysé les ondes sismiques alors mesurées pour étudier la structure interne de la planète. Et ils ont découvert des structures irrégulières à 660 kilomètres de profondeur, avec un relief accidenté similaires à celui des montagnes à la surface de la Terre.

Les géophysiciens utilisent depuis longtemps les ondes sismiques pour cartographier la structure interne de la Terre. Le globe terrestre ressemble à un oignon, avec un empilement de couches successives séparés par des interfaces : la croûte terrestre en surface, puis le manteau, avec une partie inférieure et une partie supérieure, et au centre, le noyau terrestre. Lorsque les ondes sismiques rencontrent une discontinuité géologique, leur vitesse de propagation varie, car les propriétés physiques de la roche dans laquelle elles se propagent changent. C’est ainsi que l’on sait que le manteau n’est pas homogène : son principal composant, l’olivine, change de structure à mesure que la pression et la température augmentent avec la profondeur. Vers 400 kilomètres de profondeur (à une température de 1 800 kelvins et une pression de 22 gigapascals), l’olivine, peu dense, se transforme en ringwoodite, plus dense. Cette zone de transition se termine vers 660 kilomètres de profondeur, où la ringwoodite devient à son tour de la bridgmanite, plus compacte et moins visqueuse. C’est cette transition à 660 kilomètres définit la frontière entre le manteau supérieur du manteau inférieur.

L’existence de cette frontière entre les couches supérieure et inférieure du manteau est un casse-tête pour les géologues. Est-elle uniquement liée à la différence de structure cristalline de l’olivine ou serait-elle aussi corrélée à un changement de la composition chimique du manteau ? Cela aurait des conséquences sur la dynamique globale dans le manteau : la roche chauffée à la frontière entre le manteau et le noyau remonte-t-elle avec des mouvements convectifs sur toute la hauteur du manteau, ou s’arrête-t-elle à la zone de transition ? Dans le premier cas, le manteau serait bien mélangé et donc homogène, alors que dans le second cas il aurait deux compositions distinctes. Jusqu’à présent, les observations, très limitées et contradictoires, ne permettent pas aux géologues de trancher.

Fort heureusement, les changements de phase de l’olivine sont une aubaine pour les géologues qui utilisent les ondes sismiques pour sonder cette région de transition. À partir de différents enregistrements sismiques, des variations de 30 à 40 kilomètres de hauteur sur des échelles de plusieurs centaines de kilomètres avaient été mises en évidence dans la topographie de la frontière à 660 kilomètres de profondeur. Ces structures seraient associées à des hétérogénéités thermiques dans le manteau. Mais à l’échelle de quelques kilomètres, la limite entre manteau inférieur et supérieur est-elle lisse ou irrégulière ?

Wenbo Wu et ses collègues ont utilisé les données de 15 stations proches de l’épicentre du séisme en Bolivie de 1994 – le deuxième séisme profond le plus puissant jamais enregistré. Ils ont étudié des ondes sismiques exotiques ayant traversé le noyau terrestre dans un sens puis dans l’autre (appelées ondes PKPPKP ou P’P’). Durant leur trajet, ces ondes « enregistrent » les irrégularités qu’elles rencontrent, ce qui permet aux chercheurs, qui combinent ces observations à des simulations, de cartographier précisément ces irrégularités. Résultat : la partie supérieure de la zone de transition, à 400 kilomètres, semble lisse, mais l’interface à 660 kilomètres est irrégulière à petite échelle, avec des ondulations de 1 à 3 kilomètres de hauteur.

D’après Wenbo Wu, des irrégularités à si petite échelle ne peuvent pas être le résultat d’anomalies dans la distribution de la chaleur car ces dernières devraient se lisser sur des échelles de temps de quelques millions d’années. Les irrégularités sont donc plus probablement le fait d’une hétérogénéité dans la composition du manteau, ce qui appuie l’hypothèse d’un manteau composé de deux réservoirs géologiques distincts.

D’où viendrait cette différence de composition chimique ? Une hypothèse est que les plaques de la croûte terrestre qui s’enfoncent dans le manteau dans les zones de subduction s’accumuleraient en profondeur. En outre, certaines parties de la frontière à 660 kilomètres de profondeur sont plus lisses que les autres. La discontinuité de composition ne serait ainsi pas être globale : les plaques de la croûte pourraient finir par plonger dans le manteau inférieur.

La dynamique du manteau pourrait ainsi être plus complexe qu’on ne le pensait, avec des régions où la convection serait limitée au manteau inférieur, bloquée par la zone de transition, et d’autres où elle se poursuivrait jusqu’en haut du manteau. Ce tableau aurait des répercussions importantes sur l’estimation des flux de chaleurs dans la le globe terrestre, dans la modélisation des courants de convection à l’origine des phénomènes tectoniques, et donc plus généralement dans de très nombreux phénomènes géologiques (volcanisme de point chaud, processus tectoniques…).


Source : Pour la Science
Crédit : Kyle McKernan, université Princeton

La frontière entre le manteau inférieur et supérieur, à 660 kilomètres de profondeur, est très irrégulière : elle présente des variations à grande échelle dues à des hétérogénéités de température, et à petites échelles dues à des hétérogénéités de composition.

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Des montagnes à 660 kilomètres sous nos pieds

Le 9 juin 1994, un séisme de magnitude 8,2 a fait trembler la Bolivie. Grâce à de nouvelles méthodes d’analyse, Wenbo Wu, de l’Académie des sciences chinoise et de l’université Princeton, et ses collègues ont analysé les ondes sismiques alors mesurées pour étudier la structure interne de la planète. Et ils ont découvert des structures irrégulières à 660 kilomètres de profondeur, avec un relief accidenté similaires à celui des montagnes à la surface de la Terre.

Les géophysiciens utilisent depuis longtemps les ondes sismiques pour cartographier la structure interne de la Terre. Le globe terrestre ressemble à un oignon, avec un empilement de couches successives séparés par des interfaces : la croûte terrestre en surface, puis le manteau, avec une partie inférieure et une partie supérieure, et au centre, le noyau terrestre. Lorsque les ondes sismiques rencontrent une discontinuité géologique, leur vitesse de propagation varie, car les propriétés physiques de la roche dans laquelle elles se propagent changent. C’est ainsi que l’on sait que le manteau n’est pas homogène : son principal composant, l’olivine, change de structure à mesure que la pression et la température augmentent avec la profondeur. Vers 400 kilomètres de profondeur (à une température de 1 800 kelvins et une pression de 22 gigapascals), l’olivine, peu dense, se transforme en ringwoodite, plus dense. Cette zone de transition se termine vers 660 kilomètres de profondeur, où la ringwoodite devient à son tour de la bridgmanite, plus compacte et moins visqueuse. C’est cette transition à 660 kilomètres définit la frontière entre le manteau supérieur du manteau inférieur.

L’existence de cette frontière entre les couches supérieure et inférieure du manteau est un casse-tête pour les géologues. Est-elle uniquement liée à la différence de structure cristalline de l’olivine ou serait-elle aussi corrélée à un changement de la composition chimique du manteau ? Cela aurait des conséquences sur la dynamique globale dans le manteau : la roche chauffée à la frontière entre le manteau et le noyau remonte-t-elle avec des mouvements convectifs sur toute la hauteur du manteau, ou s’arrête-t-elle à la zone de transition ? Dans le premier cas, le manteau serait bien mélangé et donc homogène, alors que dans le second cas il aurait deux compositions distinctes. Jusqu’à présent, les observations, très limitées et contradictoires, ne permettent pas aux géologues de trancher.

Fort heureusement, les changements de phase de l’olivine sont une aubaine pour les géologues qui utilisent les ondes sismiques pour sonder cette région de transition. À partir de différents enregistrements sismiques, des variations de 30 à 40 kilomètres de hauteur sur des échelles de plusieurs centaines de kilomètres avaient été mises en évidence dans la topographie de la frontière à 660 kilomètres de profondeur. Ces structures seraient associées à des hétérogénéités thermiques dans le manteau. Mais à l’échelle de quelques kilomètres, la limite entre manteau inférieur et supérieur est-elle lisse ou irrégulière ?

Wenbo Wu et ses collègues ont utilisé les données de 15 stations proches de l’épicentre du séisme en Bolivie de 1994 – le deuxième séisme profond le plus puissant jamais enregistré. Ils ont étudié des ondes sismiques exotiques ayant traversé le noyau terrestre dans un sens puis dans l’autre (appelées ondes PKPPKP ou P’P’). Durant leur trajet, ces ondes « enregistrent » les irrégularités qu’elles rencontrent, ce qui permet aux chercheurs, qui combinent ces observations à des simulations, de cartographier précisément ces irrégularités. Résultat : la partie supérieure de la zone de transition, à 400 kilomètres, semble lisse, mais l’interface à 660 kilomètres est irrégulière à petite échelle, avec des ondulations de 1 à 3 kilomètres de hauteur.

D’après Wenbo Wu, des irrégularités à si petite échelle ne peuvent pas être le résultat d’anomalies dans la distribution de la chaleur car ces dernières devraient se lisser sur des échelles de temps de quelques millions d’années. Les irrégularités sont donc plus probablement le fait d’une hétérogénéité dans la composition du manteau, ce qui appuie l’hypothèse d’un manteau composé de deux réservoirs géologiques distincts.

D’où viendrait cette différence de composition chimique ? Une hypothèse est que les plaques de la croûte terrestre qui s’enfoncent dans le manteau dans les zones de subduction s’accumuleraient en profondeur. En outre, certaines parties de la frontière à 660 kilomètres de profondeur sont plus lisses que les autres. La discontinuité de composition ne serait ainsi pas être globale : les plaques de la croûte pourraient finir par plonger dans le manteau inférieur.

La dynamique du manteau pourrait ainsi être plus complexe qu’on ne le pensait, avec des régions où la convection serait limitée au manteau inférieur, bloquée par la zone de transition, et d’autres où elle se poursuivrait jusqu’en haut du manteau. Ce tableau aurait des répercussions importantes sur l’estimation des flux de chaleurs dans la le globe terrestre, dans la modélisation des courants de convection à l’origine des phénomènes tectoniques, et donc plus généralement dans de très nombreux phénomènes géologiques (volcanisme de point chaud, processus tectoniques…).


Source : Pour la Science
Crédit : Kyle McKernan, université Princeton

La frontière entre le manteau inférieur et supérieur, à 660 kilomètres de profondeur, est très irrégulière : elle présente des variations à grande échelle dues à des hétérogénéités de température, et à petites échelles dues à des hétérogénéités de composition.

LE GUIDE Naturellement

Agenda . . .

21 - Côte d'Or

► Jusqu'au 17 novembre

EXPOSITION
"NATURE INCOGNITO" : la face cachée des villes

Vous me reconnaissez ? Je fais partie des millions d’espèces sauvages, animales ou végétales qui vivent dans les villes, tout près de chez nous et qui, pour la plupart, demeurent « Incognito » !
La nouvelle exposition du Jardin des sciences & Biodiversité vous invite à voir la ville autrement

Le Jardin des Sciences
Parc de l’Arquebuse
1 avenue Albert 1er & 14 rue Jehan de Marville
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


22 - Côtes d'Armor

Le 22 décembre

SEANCES AU PLANETARIUM DE BRETAGNE

A l'occasion du solstice, le Planétarium de Bretagne vous invite pour deux séances au tarif spécial de 4 €.  A 15h00 : "Les astres et les Marées". A 16h00 : "Le phénomène des saisons".

Planétarium de Bretagne
Parc du Radôme
22560 Pleumeur-Bodou
02 96 15 80 30
www.planetarium-bretagne.fr


25 - Doubs

Jusqu'au 5 janvier 2020

EXPOSITION
« LE MONDE DE JULES VERNE »

L’exposition présente le créateur et poète, évoque ses voyages extraordinaires d’un nouveau genre littéraire puis explore sa quête de l’ailleurs.
Gravures, affiches de cinéma, maquettes, dessins de reconstitutions des machines de Jules Verne, carte géante représentant les itinéraires des personnages…rythment le parcours de l’exposition.

Saline royale
Grande Rue
25610 Arc et Senans
www.salineroyale.com


Du 15 février au 3 mai 2020

EXPOSITION
« GEORGES FESSY ET LA PHOTOGRAPHIE »

Exposition en coproduction avec le Familistère de Guise. Georges Fessy et la photographie est une rétrospective présentée à travers plus d’une centaine de photographies qui traduit la diversité d’une vie de photographe : paysages, portraits, natures mortes, objets d’art, vues d’architectures.

Saline royale
Grande Rue
25610 Arc et Senans
www.salineroyale.com


30 - Gard

Jusqu'au 8 mars 2020

EXPOSITION
« FEU », l’expo brûlante de la rentrée au Pont du Gard

FEU conçue par Universcience qui propose d’explorer la thématique de la maîtrise du feu par l’humain. Accessible dès 9 ans, cette exposition rassemble des installations audiovisuelles, des dispositifs multimédia et des expériences interactives ainsi que de nombreux objets visant à enrichir la connaissance des visiteurs et à déconstruire les idées reçues.

Site du Pont du Gard
La Bégude
400 route du Pont du Gard
30210 Vers-Pont-du-Gard
04 66 37 50 99
www.pontdugard.fr


34 - Hérault

Jusqu'au 23 février 2020

EXPOSITION
Ensor, Magritte, Alechinsky...

L'exposition invite à un cheminement sensible sur les sentiers de l'art Belge à travers une sélection de chefsd’oeuvre des collections du Musée d'Ixelles (Bruxelles).

Musée de Lodève
square George Auric
34700 Lodève
04 67 88 86 10
www.museedelodeve.fr


50 - Manche

Jusqu'au 5 janvier 2020

EXPOSITION
"DÉTOURS EN COTENTIN"

Il y a sept ans, la famille du photographe Gustave Bazire (1893-1941) découvre 1 400 plaques de verre. Aujourd'hui, le Cotentin expose les vues de l'artiste.

Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


81 - Tarn

Le 16 novembre

PRÉPARER SON JARDIN POUR L’HIVER

Par Georges Albertini et Bernard Huet, Amis du jardin. Faire les bons gestes au jardin d’ornement, potager et verger : fertilisation (les besoins des plantes), paillages, tailles, traitements, pelouses, bassins, débats, échanges sur les pratiques, expériences dans le jardin et les résultats. Entrée libre.

Muséum d’histoire naturelle Philadelphe-Thomas
2 place Philadelphe Thomas
81600 Gaillac
05 63 57 36 31


88 - Vosges

Du 22 au 24 novembre

SALON DE LA CREATION TEXTILE ET MODE
"COUSU DE FIL ROUGE"

Le Salon « Cousu de fil rouge » invite les amoureux des belles choses, à la Rotonde de Thaon-les-Vosges, dans une ambiance Art-Déco aux allures de grands magasins parisiens.
Plus de 50 artisans d’art du Grand Est viennent présenter leurs trésors sur un salon rythmé par les animations spectaculaires, où la beauté rivalise avec l’ingéniosité.

Office de Tourisme d'Epinal
6 place Saint-Goëry
88000 Epinal
Tél. 03 29 82 53 32
www.tourisme-epinal.com


Du 30 novembre au 1er décembre

SALON MINÉRAUX, FOSSILES, BIJOUX, LITHOTHÉRAPIE

Pour cette 2ème édition, à Epinal, une trentaine d'exposants professionnels viennent de la France entière pour exposer et vendre des minéraux et fossiles du monde entier.
Des créateurs de bijoux en pierres naturelles seront présents et vous pourrez également trouver des pierres de santé pour la lithothérapie.

Office de Tourisme d'Epinal
6 place Saint-Goëry
88000 Epinal
Tél. 03 29 82 53 32
www.tourisme-epinal.com

Lieux:

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