Géophysique : pourquoi y a-t-il des "formes indistinctes" de la taille d'un continent dans les profondeurs de la Terre ?

Dans un coin étrange de notre système solaire vivent deux "gouttes" extraterrestres. Avec des corps amorphes et tentaculaires de la taille d'un continent, ces bizarreries ont un habitat naturel encore plus inhabituel que leur régime alimentaire. Un habitat qu'on pourrait qualifier de "rocheux" : tout autour, on trouve des minéraux exotiques aux formes et aux nuances inconnues...

Chaque jour, le "temps" est le même : une température douce de 1 827 °C (3 321 °F), avec quelques zones de haute pression - équivalentes à environ 1,3 million de fois la quantité qu'il y en a à la surface de la Terre. Dans cet environnement, les atomes se déforment et même les matériaux les plus familiers commencent à se comporter de manière excentrique - la roche est flexible comme du plastique, tandis que l'oxygène se comporte comme un métal.

Mais ce pays des merveilles n'est pas une planète extraterrestre. Il s'agit en fait de la Terre elle-même, mais très, très profondément sous terre.

Il s'agit en particulier du manteau inférieur, la couche de roche qui se trouve juste au-dessus du centre de la Terre, le noyau. Cette masse essentiellement solide est un autre monde, un endroit qui tourbillonne et est habité d'un kaléidoscope de cristaux, des diamants - il y en a environ un quadrillion de tonnes dans le manteau au total - aux minéraux si insaisissables qu'ils n'existent pas à la surface.

En effet, les roches les plus abondantes de cette couche, la bridgmanite et la davemaoite, sont largement mystérieuses pour les scientifiques. Elles ont besoin des très hautes pressions propres à l'intérieur de la planète pour se développer, et se désagrègent si elles sont amenées dans notre propre royaume - les équivalents géologiques des étranges poissons des profondeurs qui fondent lorsqu'ils sont remontés du fond de la mer.

Ces minéraux insaisissables ne peuvent être vus sous leur forme naturelle que lorsqu'ils sont piégés dans des diamants ramenés à la surface. Même dans ce cas, il est impossible de prévoir à quoi ressembleraient ces cristaux dans les profondeurs de la Terre, car leurs propriétés physiques sont tellement modifiées par les pressions auxquelles ils sont généralement soumis.

Pendant ce temps, l'"océan" lointain ne contient pas une goutte de liquide. Il est plutôt constitué d'eau piégée dans le minéral olivine, qui constitue plus de 50 % du manteau supérieur. À des niveaux plus profonds, il se transforme en cristaux de ringwoodite bleu indigo.

"À ces profondeurs, la chimie change totalement", explique Vedran Lekić, professeur associé de géologie à l'université du Maryland, aux États-Unis. "Pour autant que nous le sachions, il existe des minéraux qui deviendraient plus transparents", ajoute-t-il.

Cependant, ce sont les "formes indistinctes" des profondeurs de la Terre qui préoccupent actuellement les géologues du monde entier.

Ces structures font des milliers de kilomètres de large et occupent 6 % du volume de la planète entière. Les estimations de leur hauteur varient, mais l'une d'elles, située sous l'Afrique et affectueusement appelée "Tuzo", pourrait atteindre 800 km de haut, soit l'équivalent d'environ 90 Everest empilés les uns sur les autres. Une autre, appelée "Jason", située sous le Pacifique, pourrait s'étendre sur 1 800 km, ce qui équivaut à environ 203 Everest. Leurs formes difformes sont moulées autour du noyau de la Terre comme deux amibes s'accrochant à un grain de poussière.

"Ces caractéristiques sont très grandes, très visibles en tomographie (un type d'imagerie)", explique Bernhard Steinberger, chercheur en géodynamique à l'université d'Oslo, en Norvège. Et bien que ces formes titanesques soient presque certainement présentes, presque tout le reste demeure incertain, y compris la façon dont elles se sont formées, ce dont elles sont faites et comment elles pourraient affecter notre planète.

La compréhension de ces "formes indistinctes" pourrait contribuer à élucider certains des mystères les plus persistants de la géologie, comme la formation de la Terre, le sort final de la planète "fantôme" Theia et la présence inexplicable de volcans à certains endroits du globe. Elles pourraient même nous éclairer sur la façon dont la Terre est susceptible de changer au cours des prochains millénaires.

Un problème délicat

En 1970, l'Union soviétique s'est lancée dans ce qui était sans doute l'un des projets d'exploration les plus ambitieux de l'histoire de l'humanité : elle a tenté de forer le plus loin possible dans la croûte terrestre. Cette couche solide de roche, qui se trouve au-dessus du manteau majoritairement solide et, finalement, du noyau partiellement fondu de la Terre, est la seule partie de la planète qui ait jamais été vue par des yeux humains. Personne ne savait ce qui se passerait s'ils essayaient de la traverser.

En août 1994, le forage superprofond de Kola, situé au milieu d'une morne étendue de toundra arctique, dans le nord-est de la Russie, avait atteint des profondeurs stupéfiantes - s'étendant jusqu'à 12 260 m (40 230 pieds) sous terre. Mais la foreuse est restée bloquée.

Au départ, l'équipe chargée du projet a fait des prédictions de ce qu'elle s'attendait à trouver, à savoir que la Terre se réchaufferait d'un degré tous les 100 mètres (328 pieds) parcourus en direction de son centre. Mais il est vite apparu que ce n'était pas le cas. Au milieu des années 1980, lorsqu'ils ont atteint 10 km (6,2 miles), il faisait déjà 180 °C (356 °F), soit près du double de ce qui était prévu.

Dans ces conditions extrêmes, le granit a fini par ne plus être forable - il se comportait plus comme du plastique que comme de la roche. L'expérience a été interrompue et, à ce jour, personne n'a réussi à franchir le seuil de la croûte. Le seul indice qui subsiste de l'existence du forage de Kola est un capuchon métallique rouillé et enfoncé dans le sol.

"Nous en savons vraiment beaucoup moins sur le manteau terrestre que sur l'espace extra-atmosphérique où nous pouvons regarder avec des télescopes, parce que tout ce que nous savons est très, très incertain", dit M. Steinberger.

Alors, comment étudier un environnement que l'on ne peut pas voir ou auquel on ne peut pas accéder, où les propriétés chimiques des matériaux les plus ordinaires sont déformées au-delà de toute attente ?

La sismologie consiste à étudier les ondes d'énergie produites par le mouvement soudain du sol lors d'événements massifs tels que les tremblements de terre. Ces ondes comprennent les "ondes de surface", qui sont superficielles, et les "ondes de corps", qui se propagent à l'intérieur de la Terre.

Pour les capter, les scientifiques utilisent des instruments situés à l'opposé des tremblements de terre qu'ils détectent et examinent ce qui a réussi à se frayer un chemin. En analysant les différentes formes d'ondes qui en résultent, ils peuvent commencer à reconstituer ce qui se passe à des centaines de kilomètres sous le sol.

Ce sont ces caractéristiques qui ont permis à la géophysicienne danoise Inge Lehmann de faire une découverte majeure en 1936. Sept ans plus tôt, un grand tremblement de terre en Nouvelle-Zélande avait conduit à un résultat sismique surprenant : un type d'onde de corps, qui peut se déplacer à travers n'importe quel matériau, avait traversé la Terre - bien qu'elle ait été "pliée" par un obstacle en cours de route. En revanche, un autre type d'onde, connu pour son incapacité à traverser les liquides, n'avait pas pu passer. Cela a bouleversé l'idée de longue date selon laquelle le noyau est entièrement solide, et a conduit à la théorie moderne selon laquelle il y a un intérieur solide enveloppé dans une couche extérieure liquide - une sorte de noix de coco inversée, si vous voulez.

Un mystère des profondeurs

Finalement, la méthode a été affinée, ce qui signifie qu'il était possible non seulement de regarder sous la surface de la Terre, mais aussi de visualiser ses profondeurs cachées en trois dimensions. "Nous utilisons les mêmes types de techniques que pour la tomographie assistée par ordinateur, le CAT scan (un type d'imagerie médicale impliquant des images à rayons X). En fait, nous faisons de la tomographie de l'intérieur de la Terre", explique M. Lekić, à propos de celles de son domaine.

Presque immédiatement, cela a conduit à la découverte des "formes indistinctes" terrestres.

Alors que le manteau était auparavant considéré comme une couche homogène, les géologues ont détecté deux régions colossales en son sein, l'une à cheval sur l'Afrique et l'autre sous l'océan Pacifique, où les ondes sismiques rencontrent une résistance et ralentissent. Tout comme pour le noyau terrestre, ces zones sont clairement différentes du reste du manteau - en fait, elles représentent certaines des plus grandes caractéristiques de la planète.

Ce sont les grandes provinces à faible vitesse de cisaillement, ou LLSVP. Il est difficile de trouver un équivalent familier à leurs formes particulières - on pourrait les décrire comme des montagnes ou des monticules inhabituellement bulbeux, bien que M. Lekić n'utiliserait pas ces mots lui-même. "Ils sont plus grands que des continents", explique-t-il.

De manière intrigante, les structures semblent ressembler davantage à des tas de sable colossaux - une étude a révélé qu'elles présentaient des pentes abruptes par endroits, ainsi que des pentes peu profondes et même quelques surplombs. Dans le cadre du débat sur leur apparence, ces structures sont connues sous le nom de "blobs" ou "formes distinctes".

Mais l'aspect déroutant des LLSVPS n'est rien par rapport à la confusion qui entoure leur formation - ou même leur composition.

"Il est donc certain à 100 % que ces deux régions sont, en moyenne, plus lentes [en termes de vitesse de déplacement des ondes sismiques] que la région environnante. Cela ne fait pas l'objet d'un débat", déclare M. Lekić. "C'est comme le changement climatique. C'est une observation, pas une théorie. Le problème est que notre capacité à voir dans cette région est floue."

Ainsi, bien que les scientifiques sachent qu'il s'y passe quelque chose, ils doivent encore découvrir exactement ce qu'ils observent.

Un indice a émergé d'une autre source de perplexité de longue date : si les LLSVP sont constituées de la même matière que le reste du manteau terrestre, elles enfreignent une loi fondamentale de la physique. En effet, les "blobs" semblent être à la fois plus chauds et plus denses que la roche environnante.

Tout comme un couvercle de bocal récalcitrant que l'on passe sous un robinet chaud pour le libérer, les matériaux ont tendance à se dilater lorsqu'ils sont chauffés, ce qui les rend moins denses. Il est difficile de concilier cette situation avec le fait que les protubérances sont constituées de silicates comme le reste du manteau, le minéral dominant que l'on trouve dans le granite et le grès.

Par conséquent, on pense que les "blobs" doivent avoir une composition chimique différente de celle de la roche environnante - peut-être sont-ils composés de minéraux exceptionnellement riches en éléments lourds, comme le fer ou le nickel. "Mais les idées divergent quant à la façon dont cela se produit", déclare M. Steinberger. Et c'est là que ça devient intéressant.

L'idée la plus ancienne est que les "blobs" sont vraiment anciens. Ils remontent à des milliards d'années, à l'époque de la Terre primordiale, lorsque notre planète était encore en formation et que son manteau - aujourd'hui constitué d'une roche solide - était un océan de magma en fusion. Lorsque les minéraux de cette couche ont commencé à durcir et à se cristalliser, certaines régions ont conservé des impuretés qui avaient été mélangées à l'état liquide. Ces impuretés sont restées en place pendant tout ce temps, et elles forment aujourd'hui les étranges LLSVPS.

En 2014, M. Steinberger a calculé - avec une équipe internationale de géologues - que ce type de "blob" pourrait facilement durer trois milliards d'années sans bouger, même si le manteau terrestre tourbillonne toujours doucement, les parties les plus chaudes montant et les plus froides descendant.

"L'une des raisons pour lesquelles ils (ces "blobs") ne se déforment pas beaucoup pourrait être qu'ils sont très rigides", explique M. Steinberger.

Une autre possibilité est que les "blobs" aient été formés par des processus tectoniques. Comme les enfants l'apprennent à l'école, la croûte terrestre est fissurée en plaques tectoniques, qui se déplacent constamment et glissent les unes sous les autres - ainsi que les unes sur les autres.

Certains géologues pensent que les LLSVP pourraient être constituées de ces morceaux de croûte brisés, qui descendent au fond du manteau et forment des structures grumeleuses dont la composition chimique est différente de celle de la roche environnante.

En fait, les recherches suggèrent que si l'on additionne la quantité totale de croûte qui a fondu dans les profondeurs de la Terre, cela représente de 7 à 53 % du volume de la planète, ce qui est plus que suffisant pour expliquer la taille des "blobs". "La croûte est en train d'être enlevée et ajoutée à ces piles", explique M. Steinberger.

Dans ce scénario, les LLSVP sont composées de roches principalement basaltiques, lesquelles ont dérivé des lourdes plaques océaniques qui ont été arrachées. Mais même les roches sédimentaires creusées par d'anciens poissons, ou qui contiennent les restes de créatures océaniques disparues depuis longtemps, comme les plésiosaures, pourraient finir par se retrouver près du centre de la Terre de cette façon, bien qu'elles ne représentent qu'une infime partie de la croûte terrestre. En fait, les "blobs" sont un cimetière géologique.

Une troisième proposition est que, longtemps après la formation de la Terre, du fer s'est échappé du noyau terrestre et s'est retrouvé dans le manteau. Il a été incorporé dans la roche à certains endroits, ce qui a conduit au développement de ces étranges protubérances. Cependant, selon M. Steinberger, cette idée n'est pas particulièrement populaire - il n'y a actuellement aucune raison claire pour laquelle cela se produirait.

L'année dernière, une équipe de scientifiques de l'université d'État de l'Arizona a eu une idée audacieuse : et si les taches étaient des extraterrestres, en quelque sorte, après tout ?

C'est un fait peu connu qu'il y a en fait trois corps célestes dans notre petit coin du système solaire : la Terre, la Lune et Théia. Aujourd'hui, cette dernière n'est guère plus qu'un fantôme, après avoir percuté notre planète il y a 4,5 milliards d'années. Pendant des décennies, on a pensé que lorsque cette petite planète de la taille de Mars est entrée en collision avec la Terre naissante, les débris qui en ont résulté - principalement de l'autre planète elle-même - se sont rassemblés pour former la Lune.

Mais cette idée pose des problèmes, comme le fait que la Terre et la Lune partagent des signatures chimiques similaires - comme si elles avaient été créées à partir du même matériau.

Au lieu de cela, les chercheurs ont suggéré une alternative. Après avoir percuté la Terre primitive, Théia s'est mélangée à son contenu interne, formant une partie du manteau. Pendant ce temps, la Lune s'est formée non pas à partir de la planète extraterrestre elle-même, mais à partir des fragments de la Terre qui ont été projetés.

Il faut noter que Theia ne s'est pas mélangé à la Terre dans son intégralité. La plus grande partie de la planète était si dense qu'elle n'a pas été affectée par les courants dans le manteau - en fait, la planète étrangère existe encore aujourd'hui sous forme de morceaux à l'intérieur de la Terre. Il est possible qu'il s'agisse des LLSVP, et que des fragments d'un monde étranger se cachent profondément sous nos pieds.

Une influence cachée

Quoi qu'il en soit, on s'accorde de plus en plus à penser que les étranges protubérances de la Terre, aussi éloignées qu'elles paraissent, ont une influence tangible sur la vie à la surface.

Pour commencer, elles pourraient influencer la répartition des volcans.

La plupart des points géologiques les plus célèbres du monde, comme le cercle de feu, une chaîne de volcans de 40 233 km de long autour de l'océan Pacifique, se trouvent au-dessus des endroits où les plaques tectoniques se rencontrent et se disputent l'espace. Mais curieusement, certaines zones très actives ne suivent pas ce schéma. Les îles Hawaï, dans l'océan Pacifique Nord, abritent six volcans actifs, ainsi que de vastes champs de lave et des endroits où le magma bouillonne presque en permanence. Et ce, bien qu'elles soient situées au milieu de la plaque du Pacifique, à des milliers de kilomètres de toute autre plaque.

L'une des explications est ce que l'on appelle les "panaches mantelliques", des points chauds du manteau inférieur de la Terre où la roche, plus chaude que son environnement, s'élève, formant des réseaux arborescents de canaux verticaux jusqu'à la croûte. Ils commencent dans la couche qui entoure directement le noyau, dont l'intérieur peut atteindre la même température que la surface du Soleil.

"En fait, ils se forment parce que le noyau est relativement chaud par rapport au manteau sus-jacent, ce qui entraîne des instabilités thermiques", explique M. Steinberger. Il compare ce phénomène à celui de l'ébullition d'une casserole d'eau sur la cuisinière : l'eau n'est jamais chauffée de manière homogène, ce qui entraîne la formation de bulles à certains endroits et pas à d'autres.

Partout où ces zones de boursouflures semblent rencontrer la surface de la Terre, on trouve généralement des volcans.

Il y a cependant un hic. Le concept de panache mantellique a été proposé pour la première fois dans les années 1970, et il reste presque aussi mystérieux que les LLSVP. "Durant ces dernières années, les preuves [de leur existence] apportées par la tomographie sismique sont devenues de plus en plus fortes", explique M. Steinberger. "Il n'y a donc pratiquement personne qui doute de leur existence. Mais, bien sûr, il y a beaucoup de choses dont on n'est pas sûr à leur sujet", ajoute-t-il.

Aujourd'hui, il est possible de dresser des cartes de base des panaches mantelliques, grâce à la sismologie. Et en 2008, les géologues ont découvert quelque chose d'intriguant : ils sont presque tous situés à la périphérie des masses terrestres.

Cela a donné lieu à un scénario de la poule et de l'œuf - ou plutôt du "blob" et du hotspot volcanique. Ces régions sont-elles plus actives géologiquement parce que les "blobs" sont déjà là ? Ou bien les "blobs" sont-ils situés là où ils sont parce que l'activité du hotspot les pousse en quelque sorte dans ces positions ?

Cela pourrait se passer de la manière suivante : les plaques océaniques qui s'enfoncent dans les profondeurs de la Terre finissent par se retrouver près du fond du manteau, où elles forment les "blobs" - curieusement, à ces profondeurs, elles sont plus denses que la roche environnante. Elles forment une sorte de couverture isolante au-dessus du noyau et empêchent les régions hyperchaudes, qui donnent naissance aux panaches mantelliques, de se développer sous eux. Elles se forment donc sur les bords. De cette façon, on se retrouve avec des panaches mantelliques à 2 891 km au-dessus des frontières des "blobs", dans notre propre royaume terrestre. Il semble que les LLSVPS les encouragent à se développer à des endroits particuliers.

Si c'est le cas, cela suggère que ces structures cachées particulières ont un impact profond sur notre planète - dictant effectivement où certains groupes de volcans se produisent, ainsi que les chaînes d'îles qu'ils créent. L'archipel d'Hawaï n'existerait pas sans elles, pas plus que l'île de Hainan en Chine.

Et les LLSVP pourraient avoir un mandat encore plus large. Les scientifiques se demandent depuis longtemps pourquoi la Terre tourne sur son axe selon l'angle qu'elle a. En d'autres termes, pourquoi le pôle Nord se trouve-t-il dans l'Arctique et pas ailleurs ? Bien que l'on pense que de nombreux facteurs contribuent à de petites "oscillations" dans un sens ou dans l'autre, notamment le changement climatique, l'axe de la Terre est resté globalement stable pendant des milliards d'années.

Une observation intrigante est que les "blobs" de la Terre se situent parfaitement de part et d'autre de l'axe, ce qui laisse penser qu'ils ont migré là à cause de la rotation de la Terre, ou qu'ils influencent la façon dont elle tourne.

Il est difficile de déterminer exactement comment les LLSVP pourraient affecter l'inertie de la planète, car leurs formes sont très irrégulières et incertaines. Mais M. Lekić a réalisé une carte qui montre la vision consensuelle de leur localisation. "Ce que vous voyez, c'est que celle du Pacifique finit par être allongée d'est en ouest, et celle de l'Afrique par être allongée du nord au sud", explique-t-il.

M. Lekić compare la façon dont les "blobs" pourraient affecter l'axe de la Terre à la rotation d'un livre - il est beaucoup plus facile de le faire à plat que le long de la colonne vertébrale - le fait que le poids soit réparti latéralement rend la rotation plus stable. "En général, les corps qui tournent essaient de répartir la masse de façon à ce qu'elle soit la plus proche de l'équateur, le plus loin possible de l'axe de rotation", explique-t-il. "Pour la Terre, c'est le cas des LLSVP. La composante de leur structure qui affecterait le spin est parfaitement alignée avec l'équateur, ce qui suggère que l'axe de rotation de la Terre a en quelque sorte migré au point où, essentiellement, vous avez ces deux sortes de choses lourdes [de chaque côté]."

Ainsi, bien que les "blobs" des profondeurs de la Terre soient toujours aussi déroutants, ils sont déjà prêts à révéler certains des secrets de notre planète - et peut-être même ceux d'un monde extraterrestre disparu depuis longtemps. Peut-être trouverons-nous un jour un moyen encore plus efficace de scruter l'intérieur de la Terre pour les voir.

* Zaria Gorvett est journaliste senior pour BBC Future.