La composition de la masse, le noyau externe de la Terre, n'est pas du fer pur mais présente un déficit de densité d'environ 5 à 10%, indiquant l'existence d'une quantité considérable d'éléments légers dans le noyau externe, y compris éventuellement de l'hydrogène, du carbone, azote, oxygène, soufre et silicium. Ce sont les observations de la vitesse des ondes sismiques et de la densité du noyau externe de la Terre.

L' Terre se refroidit, la cristallisation du fer liquide libère des éléments légers et le noyau interne solide grossit. L'échelle de temps du processus de solidification du fer et la convection associée (géodynamo) restent floues. 

Si les éléments lumineux libérés sont concentrés localement, ils peuvent avoir un impact détectable sur la vitesse locale des ondes sismiques. Les ondes sismiques produites par de grands tremblements de terre fournissent un échantillonnage direct du noyau externe de la Terre. La vitesse à laquelle l'onde sismique se propage à travers le noyau externe peut être utilisée pour contraindre les hétérogénéités latérales dans le noyau externe.

Deux tremblements de terre, la même région et une différence surprenante

En mai 1997, un important tremblement de terre a secoué la région des îles Kermadec dans l'océan Pacifique Sud. Près de 20 ans plus tard, en septembre 2018, un deuxième grand tremblement de terre a frappé le même endroit, ses vagues d'énergie sismique émanant de la même région.

Bien que les tremblements de terre se soient produits à deux décennies d'intervalle 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 dans le Virginia Tech Collège des sciences.

Mais 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 parmi les événements jumeaux : lors du tremblement de terre de 2018, un ensemble d'ondes sismiques connues sous le nom d'ondes SKS a parcouru environ une seconde plus vite que leurs homologues en 1997.

Selon Zhou, dont les conclusions ont été récemment publiées dans Nature Communications Terre & Environnement, cet écart d'une seconde dans le temps de parcours des ondes SKS nous donne un aperçu important et sans précédent de ce qui se passe plus profondément à l'intérieur de la Terre, dans son noyau externe.

La structure intérieure compte le plus

Le noyau externe est pris en sandwich entre le manteau, l'épaisse couche de roche sous la croûte terrestre, et le noyau interne, la couche intérieure la plus profonde de la planète. Il est composé principalement de fer liquide qui subit une convection ou un écoulement de fluide lorsque la Terre se refroidit. Ce tourbillon de métal liquide qui en résulte produit des courants électriques responsables de la génération du champ magnétique terrestre, qui protège la planète et toute vie sur celle-ci des rayonnements nocifs et des vents solaires.

Sans son champ magnétique, la Terre ne pourrait pas maintenir la vie, et sans les flux de métal liquide en mouvement dans le noyau externe, le champ magnétique ne fonctionnerait pas. Mais la compréhension scientifique de cette dynamique est basée sur des simulations, a déclaré Zhou, professeur agrégé. "Nous savons seulement qu'en théorie, si vous avez de la convection dans le noyau externe, vous serez capable de générer le champ magnétique", a-t-elle déclaré.

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.

Pour Zhou, la différence de vitesse des vagues indique des régions à faible densité se formant dans le noyau externe au cours des 20 années écoulées depuis le 1997 tremblement de terre. 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

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.

Vue futuriste :

Les observations de cette étude montrent que le noyau externe est loin d'être bien mélangé sur une échelle de temps décennale et que les hétérogénéités latérales associées à la convection du noyau externe sont suffisamment fortes pour produire des changements de vitesse des ondes sismiques détectables dans les enregistrements de séismes. Cela ouvre la possibilité de surveiller les changements temporels du noyau externe à l'aide de données sismiques.

Référence du journal

1. Zhou, Y. La variation transitoire de la vitesse des ondes sismiques indique un mouvement fluide rapide dans le noyau externe de la Terre. Terre Commune Environ 3, 97 (2022). EST CE QUE JE: 10.1038/s43247-022-00432-7