Comment le Fond marin est-il fabriqué?

Montez à bord d’un navire à Los Angeles et dirigez-vous vers le sud-ouest jusqu’à ce que vous perdiez la terre ferme de vue. Ensuite, continuez, et allez, et allez, jusqu’à ce que vous atteigniez le milieu de nulle part dans l’océan Pacifique. Il n’y a rien à voir là-bas que de l’eau dans toutes les directions. Mais si vous y aviez été en décembre 2011, vous auriez rencontré un navire naviguant selon un schéma particulier. Il s’est déplacé vers l’est et l’ouest et vers le nord et le sud et autour d’un demi-cercle. Et pendant ce temps, une fontaine d’eau de mer bouillonnante a éclaté derrière le navire toutes les quatre minutes comme sur des roulettes.

Ce n’était pas un exercice militaire ou un signal aux OVNIS, ni une étrange croisière de luxe. Les passagers du navire de recherche Marcus G. Langseth étaient des scientifiques et les grosses bulles provenaient d’armes à air comprimé qui émettaient de l’air comprimé. Les bulles éclatent avec des bruits forts, envoyant des ondes sonores dans l’eau et sous le fond marin. Les ondes sonores se répercutaient à travers les roches du sous-sol et étaient enregistrées par des dispositifs d’écoute placés sur le fond marin. Comme les chauves-souris naviguant par écholocation, les chercheurs utilisaient le son pour compenser un manque de vue alors qu’ils exploraient les roches qui se trouvent sous l’océan.

Maintenant, vous vous demandez peut-être pourquoi nous, les scientifiques, avons ciblé spécifiquement le milieu du Pacifique. Les roches sous le Pacifique font partie de la plaque tectonique du Pacifique, l’une des douze énormes plaques qui constituent la couche externe fragile de notre planète et s’emboîtent comme les pièces d’un puzzle. Les plaques tectoniques se déplacent comme de gigantesques autos tamponneuses au ralenti, construisant des chaînes de montagnes lorsqu’elles entrent en collision, secouant la planète avec des tremblements de terre lorsqu’elles glissent et se brisent, et réorganisant progressivement et constamment la carte du monde.

Les scientifiques ont étudié en détail les plaques océaniques près des frontières changeantes entre les plaques et près de caractéristiques uniques telles que les îles hawaïennes. Mais nous ne savons pas vraiment à quoi ressemble une plaque océanique « normale”. Vous pouvez y penser de cette façon: Imaginez que la médecine moderne savait tout ce qu’il y avait à savoir sur les maladies génétiques rares, mais personne ne pouvait s’entendre sur la température moyenne d’un corps humain en bonne santé.

C’est plus ou moins la situation des géophysiciens marins et des plaques océaniques ordinaires — d’où le navire au milieu de nulle part. Cet endroit dans le Pacifique est aussi normal qu’ils viennent. Le fond marin ici a environ 70 millions d’années. Il se trouve loin des complications des limites des plaques et des points chauds volcaniques. Si nous voulons comprendre les bases mêmes d’une plaque océanique — comment une plaque ordinaire est fabriquée et comment elle change avec le temps — le milieu de nulle part est exactement là où nous voulons être.

À l’écoute des échos

Les scientifiques à bord du Langseth ne pouvaient ni voir ni toucher le fond marin solide bien en dessous de la coque du navire. Même s’ils pouvaient descendre au fond de l’océan, les rochers qui nous intéressent sont à des kilomètres plus bas, profondément sous le fond marin. Comment pouvez-vous étudier quelque chose d’aussi inaccessible? En envoyant des ondes sonores et en enregistrant les échos qui reviennent après que le son a traversé le sous-sol. Le temps nécessaire au son pour passer de la source sonore à un sismomètre au fond de l’océan en écoutant sur le fond marin peut nous indiquer ce qui se trouve sous la surface – car la vitesse du son dépend de la composition et de la structure du matériau que l’onde sonore traverse, ainsi que de la température et de la pression sous lesquelles le matériau se trouve.

Cette technique est appelée sismologie à source active — par opposition à la sismologie passive, où les tremblements de terre fournissent une source sonore naturelle mais incontrôlée. Ce n’est pas une technique parfaite. Mais en écoutant les échos et les réverbérations du sillage pétillant intermittent qui traîne le navire, nous pouvons trouver des indices laissés dans les roches alors qu’elles fondaient, coulaient, se refroidissaient et se fissuraient sur des dizaines de millions d’années. Et nous pouvons commencer à retracer l’histoire d’un morceau ordinaire de plaque océanique.

Les scientifiques du Langseth ont collecté des données sur une parcelle de fond marin d’environ 400 x 600 kilomètres carrés (250 x 375 miles carrés), mesurant la vitesse des ondes sonores se déplaçant dans différentes directions. Les données montrent que le son se déplace environ 0,6 kilomètre par seconde (2 000 pieds par seconde) plus rapidement vers l’est et l’ouest que vers le nord et le sud à cet endroit. Nous nous attendions à trouver cela, à donner ou à prendre quelques pour cent. Mais les données montrent aussi autre chose: La vitesse des ondes sonores allant vers l’est et l’ouest augmente à mesure que vous pénétrez plus profondément dans ce morceau de plaque océanique, mais la vitesse du son nord–sud reste constante. Qu’est-ce que cela peut nous dire sur la formation des plaques tectoniques?

La fonte et l’écoulement

Les plaques océaniques sont forgées en continu au milieu des crêtes océaniques, une chaîne de montagnes sous-marines créée là où les bords de deux plaques se séparent. Si vous pouviez vous asseoir juste sous une crête, vous verriez des roches du manteau terrestre — la couche chaude sous-jacente à la croûte – fondre et percoler vers la couture entre les deux plaques. La roche fondue se refroidit pour former la croûte. La nouvelle croûte est retirée lentement et éloignée de la crête lorsque les deux plaques s’écartent, laissant place au manteau fondu.

La partie supérieure du manteau s’écoule également latéralement avec cette croûte fragile, se refroidissant et se renforçant à mesure qu’elle s’éloigne de la crête. Ne vous méprenez pas — ce manteau supérieur fluide est toujours une roche solide. La clé ici est le temps. Pendant de courtes périodes (à l’échelle humaine), le manteau supérieur se comporte comme un solide, mais pendant des millions d’années, la substance chaude sous la crête peut suinter avec la croûte. C’est comme du mastic idiot: Frappez-le rapidement avec un marteau et il se brise, mais appuyez dessus avec votre main, lentement, et il s’écrase. La plaque dans son ensemble est faite de la croûte plus ce manteau supérieur coulant à pleine puissance. Ils se déplacent ensemble comme un seul corps rigide, poussé hors de la crête sur des dizaines de millions d’années.

Le manteau qui coule au niveau de la crête a un effet durable: Il aligne les cristaux dans les roches du manteau supérieur de sorte qu’ils pointent dans la direction de l’écoulement. Cet alignement cristallin se fige dans la plaque à mesure qu’elle s’éloigne de la chaleur de la crête. Imaginez ce qui se passe si vous déposez un camion de bûches dans une rivière à débit rapide. Les bûches vont se bousculer et tourner dans le courant jusqu’à ce qu’elles pointent toutes en aval. Ces cristaux font la même chose, mais dans un flux beaucoup plus lent. Nous appelons cet alignement de cristaux un « tissu. »Comme un tissu tissé, il a certaines directions intégrées.

Ce tissu cristallin est ce qui fait que les ondes sonores se déplacent plus rapidement vers l’est et l’ouest que vers le nord et le sud sur notre site d’étude dans le Pacifique. Comment ça marche ? Eh bien, pensez à l’une de ces bûches qui coule dans une rivière. Il faut moins de force pour fendre une bûche avec le grain que pour scier contre le grain. Nous, géophysiciens, disons que les grumes sont anisotropes: la force du grume n’est pas (an) la même (iso) si vous tournez (tropos) le grume dans une orientation différente.

La vitesse du son est également anisotrope : le son se déplace plus vite avec, plutôt que contre, le grain. Lorsque l’écoulement du manteau aligne les cristaux dans les roches pour les éloigner de la crête, le son voyageant dans cette direction à travers les roches se déplace plus rapidement. Ce tissu cristallin anisotrope est une signature de la formation de plaques que nous avons mesurée 70 millions d’années plus tard, dans le Pacifique.

Refroidissement et fissuration

Mais ce n’est pas tout à fait toute l’histoire. Nous avons également mesuré comment la vitesse du son change à différentes profondeurs sous le fond marin, et l’alignement des cristaux n’explique pas pourquoi les ondes sonores est-ouest se déplacent plus rapidement lorsqu’elles se déplacent à travers les roches plus profondément dans la plaque. Pour comprendre cela, nous devons regarder au-delà de la crête et voir ce qui est arrivé à notre plaque entre le moment où elle s’est formée et nos jours.

La plaque commence à chauffer à la dorsale médio-océanique. Au fil du temps, l’eau de mer froide assise sur le dessus absorbe cette chaleur et la plaque se raidit, se densifie et se contracte. De minuscules fissures se forment. Vous pouvez voir des types similaires de contraction thermique sur les routes et les trottoirs. Après un hiver rigoureux, des fissures apparaissent là où la chaussée a rétréci dans le froid. Dans les plaques océaniques, les fissures thermiques ont tendance à se former parallèlement à la crête.

Ces fissures alignées créent également une anisotropie. Les ondes sonores qui se déplacent parallèlement aux fissures ne sont pas affectées par celles-ci, mais les ondes qui tentent de traverser les fissures perpendiculairement ou en biais sont ralenties. Les fissures microscopiques que nous pensons être dans le manteau supérieur de la plaque peuvent annuler en partie l’anisotropie du tissu cristallin de l’écoulement du manteau.

Mais plus nous allons profondément dans notre plaque, plus les roches sus-jacentes augmentent la pression sur les roches en dessous d’elles, comprimant les fissures et les serrant. Et cela offre notre meilleure explication pour nos observations: À faible profondeur, les fissures contrecarrent le tissu cristallin, mais à mesure que la pression augmente plus profondément, les fissures se ferment et nous voyons tous les effets de l’alignement des cristaux.

Écouter la Terre

Il s’est passé beaucoup de choses sur cette plaque océanique ordinaire pendant 70 millions d’années. Nous avons trouvé des traces de fusion, d’écoulement du manteau, de refroidissement et de fissuration fragile, le tout révélé en utilisant les échos des ondes sonores traversant le sous-sol.

Il est assez remarquable de pouvoir déchiffrer l’histoire d’une plaque tectonique à ce niveau. Dans les premiers jours de la théorie de la tectonique des plaques, les scientifiques sont allés à la recherche d’anisotropie pour fournir des preuves que la propagation des plaques dans l’océan se produisait réellement. Maintenant, nos mesures sont assez bonnes pour voir au-delà: l’anisotropie code des informations sur l’étalement des plaques et sur d’autres processus qui modifient la plaque des millions d’années après la première alignement des cristaux sur la crête.

Que pouvons-nous apprendre d’autre de l’anisotropie? Pourrions-nous l’utiliser pour révéler et cartographier les « courants” de roches circulant à l’intérieur de la Terre comme nous le pouvons pour les courants océaniques? Pas encore tout à fait, mais de nouvelles mesures donnent lieu à une nouvelle génération de questions, et à mesure que nous écoutons de plus près les échos qui résonnent à travers la Terre, nous entendrons peut-être certaines des réponses sur la façon dont le visage de la planète que nous appelons chez nous s’est formé et a évolué.

Cette recherche a été financée par la National Science Foundation, une bourse de recherche d’études supérieures de la NSF, le Fonds J. Seward Johnson, une Bourse d’études supérieures Paul McDonald Fye en Océanographie et une Bourse d’études supérieures Charles D. Hollister.