Les SIRÈNES révèlent des secrets sous le fond de l'océan

Les sismologues utilisent les ondes générées par les tremblements de terre pour balayer l'intérieur de notre planète, un peu comme les médecins imaginent leurs patients en utilisant la tomographie médicale. L'imagerie de la Terre nous a aidés à retrouver les origines profondes d'îles volcaniques comme Hawaï et à identifier les zones sources de séismes profonds.

"Imaginez un radiologue contraint de travailler avec un scanner CAT auquel il manque les deux tiers de ses capteurs nécessaires", a déclaré Frederik Simons, professeur de géosciences à Princeton. "Les deux tiers représentent la fraction de la Terre couverte par les océans et donc dépourvue de stations d'enregistrement sismique. Telle est la situation à laquelle sont confrontés les sismologues qui tentent d'affiner leurs images de l'intérieur de notre planète."

Il y a une quinzaine d'années, alors qu'il était chercheur postdoctoral, Simons s'est associé à Guust Nolet, aujourd'hui professeur émérite George J. Magee de géosciences et de génie géologique, et ils ont décidé de remédier à cette situation en construisant un robot sous-marin équipé d'un hydrophone — un microphone sous-marin capable de capter les sons de tremblements de terre lointains dont les vagues transmettent de l'énergie acoustique aux océans à travers le fond de l'océan.

Une SIRÈNE récemment lancée près de Tahiti envoie des messages au satellite avant de plonger un mile sous l'eau pour commencer à surveiller les signaux sismiques.

Dérivant à un mile sous la surface, les SIRÈNES couvrent une vaste zone. Les cercles rouges indiquent où une SIRÈNE a capté un signal sismique.

Si la roche du manteau est chaude, elle ralentira les ondes sismiques. Ce graphique montre (en pourcentage) à quel point l'onde se déplace plus lentement dans une section transversale coupant le long de la longitude 91 degrés ouest. L'intrigue s'étend jusqu'au cœur de la Terre (2 890 km ou environ 1 800 milles) et s'étend de 20 degrés de latitude sud à 20 degrés nord. Les couleurs rougeâtres montrent où les vagues ralentissent. Les Galápagos sont proches de l'équateur, à partir duquel une large structure en forme de panache près de 1 degré de latitude nord descend à une profondeur de 1 900 km (environ 1 200 milles).

Une photo prise lors du développement des SIRÈNES en montre une remontant à la surface après avoir enregistré une onde sismique. Une fois à la surface, il envoie un sismogramme par satellite aux scientifiques. Simons et Nolet ont testé les premiers prototypes de MERMAID avec des partenaires de recherche à la Scripps Institution of Oceanography à La Jolla, en Californie. Les prototypes ont enregistré avec succès les ondes sismiques, mais leur idée a continué de susciter le scepticisme en raison du niveau de bruit élevé des vagues océaniques. Mais lorsque Nolet a obtenu le statut d'émérite à Princeton en 2008 et a déménagé à Geoázur à l'Université de Nice en France, le financement du Conseil européen de la recherche lui a permis, ainsi qu'à son ingénieur principal Yann Hello, de développer pleinement les MERMAIDs, qui sont depuis devenues disponibles dans le commerce.

Ces deux instruments Son-O-Mermaid, une génération ultérieure de capteurs sismiques, ont été amenés aux Bermudes par Simons et son équipe pour être déployés en partenariat avec le Bermuda Institute for Ocean Sciences. Sur cette photo, les instruments sont fixés sur le pont avant déploiement dans l'eau. Contrairement aux sismomètres traditionnels de fond océanique, qui sont placés dans des endroits fixes et doivent être récupérés pour obtenir leurs données, MERMAID et Son-O-Mermaid dérivent avec les courants océaniques et transmettent régulièrement des données aux scientifiques à l'aide de la technologie sans fil. Plusieurs peuvent être déployés pour le même coût qu'un sismomètre de fond océanique.

Joel Simon, un étudiant diplômé en géosciences de Princeton dont les recherches portent sur l'analyse des données Son-O-Mermaid, ajuste les câbles et prépare l'instrument pour un essai. Simon s'est rendu aux Bermudes une semaine avant le déploiement avec les ingénieurs pour déballer les pièces de l'instrument du conteneur d'expédition et les assembler.

Un instrument Son-O-Mermaid est attaché à une grue et descendu dans l'océan. Les chercheurs dérouleront ensuite 1 000 mètres (plus de 3 200 pieds) de câble qui relient la bouée de surface à des hydrophones, des microphones qui enregistrent le son dans l'eau, qui "écoutent" les tremblements de terre dans l'océan. Lorsqu'un tremblement de terre est détecté, l'appareil envoie un sismographe par email aux scientifiques.

Harold "Bud" Vincent, professeur-chercheur à l'Université de Rhode Island et principal collaborateur dans la conception et la construction de Son-O-Mermaid, prépare une partie de l'instrument avant son déploiement. Après que le premier prototype a été frappé par l'ouragan Sandy au large des Bahamas en 2012, Simons et Vincent ont travaillé pour peaufiner Son-O-Mermaid au cours des trois dernières années, ajustant une partie de la conception pour la rendre plus robuste.

Un instrument Son-O-Mermaid dans l'eau. L'équipe de recherche a déployé et récupéré les bouées plusieurs fois pour vérifier que tout fonctionnait et pour identifier les défauts restants. Maintenant, la tâche qui nous attend est de construire une nouvelle génération robuste d'instruments Son-O-Mermaid pour ajouter au nombre croissant d'enregistreurs de tremblements de terre dans les océans. Avec chaque nouvel instrument déployé, Simons et ses collègues aideront à brosser le tableau de l'intérieur de notre planète.

Cette semaine, Nolet, Simons et une équipe internationale de chercheurs ont publié les premiers résultats scientifiques des flotteurs sismiques révolutionnaires, surnommés MERMAIDs — Mobile Earthquake Recording in Marine Areas by Independent Divers. Les chercheurs, issus d'institutions aux États-Unis, en France, en Équateur et en Chine, ont découvert que les volcans des Galápagos sont alimentés par une source de 1 200 miles (1 900 km) de profondeur, via un conduit étroit qui amène de la roche chaude à la surface. De tels "panaches du manteau" ont été proposés pour la première fois en 1971 par l'un des pères de la tectonique des plaques, le géophysicien de Princeton W. Jason Morgan, mais ils ont résisté aux tentatives d'imagerie sismique détaillée car ils se trouvent dans les océans, rarement à proximité de stations sismiques.

Les SIRÈNES dérivent passivement, normalement à une profondeur de 1 500 mètres - à environ un mile sous la surface de la mer - se déplaçant de 2 à 3 miles par jour. Lorsqu'on détecte un possible tremblement de terre entrant, il remonte à la surface, généralement dans les 95 minutes, pour déterminer sa position avec le GPS et transmettre les données sismiques.

En laissant leurs neuf robots flotter librement pendant deux ans, les scientifiques ont créé un réseau artificiel de sismomètres océaniques qui pourraient remplir l'une des zones vierges de la carte géologique mondiale, là où autrement aucune information sismique n'est disponible.

La température étonnamment élevée que leur modèle montre dans le panache du manteau des Galápagos « fait allusion au rôle important que jouent les panaches dans le mécanisme qui permet à la Terre de se maintenir au chaud », a déclaré Nolet.

"Depuis le 19e siècle, lorsque Lord Kelvin a prédit que la Terre devrait se refroidir pour devenir une planète morte d'ici cent millions d'années, les géophysiciens se sont débattus avec le mystère selon lequel la Terre a maintenu une température assez constante pendant plus de 4,5 milliards d'années", a expliqué Nolet. . "Il n'aurait pu le faire que si une partie de la chaleur d'origine de son accrétion, et celle créée depuis par les minéraux radioactifs, avait pu rester enfermée dans le manteau inférieur. Mais la plupart des modèles de la Terre prédisent que le manteau devrait convectionner vigoureusement et libérer cette chauffent beaucoup plus rapidement. Ces résultats de l'expérience des Galápagos suggèrent une explication alternative : le manteau inférieur peut très bien résister à la convection et n'apporter de la chaleur qu'à la surface sous la forme de panaches du manteau comme ceux qui créent les Galápagos et Hawaï. »

Pour répondre davantage aux questions sur le bilan thermique de la Terre et le rôle que les panaches du manteau y jouent, Simons et Nolet se sont associés à des sismologues de la Southern University of Science and Technology (SUSTech) à Shenzhen, en Chine, et de l'Agence japonaise. pour les sciences et technologies marines et terrestres (JAMSTEC). Ensemble, et avec des navires fournis par la flotte de recherche française, ils sont en train de lancer une cinquantaine de MERMAIDs dans le Pacifique Sud pour étudier la région du panache du manteau sous l'île de Tahiti.

"Restez à l'écoute! Il y a beaucoup d'autres découvertes à venir", a déclaré Yongshun (John) Chen, un ancien diplômé de Princeton en 1989 qui dirige le département des sciences et de l'ingénierie océaniques à SUSTech, qui dirige la prochaine phase de ce qu'eux et leur équipe internationale a appelé EarthScope-Oceans.

"Imager le panache du manteau des Galápagos avec une application non conventionnelle de sismomètres flottants", par Guust Nolet, Yann Hello, Suzan van der Lee, Sébastien Bonnieux, Mario C. Ruiz, Nelson A. Pazmino, Anne Deschamps, Marc M. Regnier, Yvonne Font , Yongshun J. Chen et Frederik J. Simons Scientific Reports, 2019, doi : 10.1038/s41598-018-36835-w. Les MERMAIDs et leur développement ont été financés par ERC Advanced Grant 226837 "Globalseis". L'Université de Nice (aujourd'hui Université de la Côte d'Azur) et l'Observatoire de la Côte d'Azur ont apporté un financement supplémentaire et INOCAR a fourni le navire qui a lancé les MERMAIDs.