Explorer l’effet de l’eau sur l’atténuation des ondes sismiques dans le manteau supérieur

La différence de teneur en eau entre la lithosphère et la couche supérieure du manteau terrestre peut expliquer les changements sismiques observés. 

La lithosphère océanique, qui constitue la couche supérieure comprenant la croûte terrestre et le manteau sous les océans, a longtemps intrigué les scientifiques en raison de son comportement particulier. Cette couche semble glisser sur une région plus faible en dessous appelée asthénosphère, caractérisée par une forte atténuation sismique et une faible vitesse des ondes de cisaillement. L’asthénosphère a des propriétés physiques différentes, telles qu’une viscosité inférieure à celle de la lithosphère, ce qui entraîne une frontière nette appelée limite lithosphère-asthénosphère (LAB). Les raisons exactes de ces propriétés distinctes et la manière dont elles permettent à la lithosphère de se déplacer au-dessus de l’asthénosphère ne sont pas clairement comprises.

Bien que la fonte partielle se produisant près des dorsales médio-océaniques en raison de températures élevées puisse produire de telles conditions anormales, elle ne tient pas compte des chutes brusques et importantes de la vitesse des ondes sismiques observées au LAB loin des dorsales médio-océaniques. Comprendre l’origine de cette chute de vitesse et de cette atténuation des ondes sismiques au LAB océanique est crucial pour déchiffrer la faible viscosité de l’asthénosphère et comment elle facilite le mouvement des plaques tectoniques à la surface de la Terre, donnant lieu à des processus de formation de montagnes, de tremblements de terre et de volcanisme.

À cet égard, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur Takashi Yoshino de l’Institut des matériaux planétaires de l’Université d’Okayama, a récemment étudié l’effet de l’eau sur les propriétés sismiques des roches d’olivine sans titane, similaires à celles trouvées dans l’asthénosphère. Leur étude a été publiée dans le volume 120, numéro 32 de la revue Proceedings of the National Academy of Sciences le 31 juillet 2023.

« Nous avons déterminé expérimentalement les caractéristiques d’atténuation des ondes sismiques, paramètres permettant de déterminer la douceur de la lithosphère et de l’asthénosphère, à haute température et pression, à l’aide de notre technologie de génération d’oscillations à courte période », explique le professeur Yoshino.

L’équipe a étudié les propriétés anélastiques des roches à olivine dans des conditions qui ressemblent au LAB sous l’ancien fond océanique – une pression de 3 GPa et des températures allant de 1 223 à 1 373 K. Ils ont utilisé une surveillance aux rayons X in situ et ont soumis les roches à olivine à des contraintes mécaniques. tests en générant des vibrations forcées sur une large gamme de fréquences sismiques — 0,5 à 1 000 secondes — grâce à leur technologie unique d’oscillation à courte période.

Les expériences ont révélé que l’eau avait un effet significatif, améliorant la dispersion de l’énergie et réduisant les modules d’élasticité des roches sur une large gamme de fréquences. De plus, les chercheurs ont observé un pic d’atténuation sismique à des fréquences plus élevées de 1 à 5 secondes, qui devenait plus prononcé avec l’augmentation de la teneur en eau. « La présence d’eau induit une atténuation aux fréquences plus élevées, entraînant une diminution de la vitesse des ondes sismiques. La présence d’eau affaiblit également l’asthénosphère, ce qui permet à la lithosphère de se déplacer en douceur sur elle », explique le professeur Yoshino.

Ces observations suggèrent que l’asthénosphère océanique doit contenir de l’eau. Cette différence de teneur en eau entre les deux couches constituant le LAB peut expliquer les fortes chutes de vitesse ainsi que l’atténuation quasi constante observée sur une large gamme de fréquences dans l’asthénosphère.

Les chercheurs reconnaissent notamment que leur conclusion suppose un effet négligeable du fer sur les défauts liés à l’hydrogène dans les roches, ce qui indique la nécessité de recherches plus approfondies pour explorer les propriétés anélastiques des roches à olivine ferrifères.

Le professeur Yoshino souligne les implications à long terme de leurs découvertes. « La présence d’eau dans l’asthénosphère peut fournir des informations importantes sur les activités volcaniques et sismiques, facilitant ainsi leur prédiction et leur détection », spécule-t-il.

Dans l’ensemble, cette étude contribue à notre compréhension du mouvement des plaques tectoniques, ouvrant la voie à une meilleure compréhension des diverses activités tectoniques.

Source : Université d’Okayama/Sciencedaily