Des chercheurs de l'Université du Texas ont mis au point une technique appelée imagerie de déformation qui utilise des données de cartographie de surface pour visualiser les structures internes de la Terre. Cette méthode améliore notre compréhension des phénomènes géologiques et a permis d'obtenir des images des zones souterraines touchées par le tremblement de terre de Tohoku en 2011. Crédit : Issues.fr.com
Une nouvelle technique de calcul développée permet l'utilisation de technologies de cartographie de surface telles que GPS pour analyser les structures géologiques du sous-sol.
Cette méthode, appelée imagerie de déformation, permet de mieux comprendre la rigidité de la croûte terrestre et du manteau terrestre, améliorant ainsi notre compréhension des processus géologiques tels que les tremblements de terre. Cette technique a déjà permis d'obtenir une vue détaillée des zones souterraines lors du tremblement de terre de Tohoku en 2011 et pourrait être largement utilisée à l'avenir avec les données satellite.
Nouvelle technique d'imagerie géologique
Les technologies de cartographie de surface telles que le GPS, le radar et le balayage laser sont utilisées depuis longtemps pour mesurer les caractéristiques de la surface de la Terre. Désormais, une nouvelle technique de calcul développée à l'Université du Texas à Austin permet aux scientifiques d'utiliser ces technologies pour observer l'intérieur de la planète.
Une station GPS au sommet de la Sierra Nevada. Des chercheurs de l'Université du Texas à Austin ont utilisé les réseaux GPS pour photographier l'intérieur de la planète. Crédit : UNAVCO/National Science Foundation
Avantages de l'imagerie de déformation
Cette nouvelle technique, qualifiée par les chercheurs d'« imagerie de déformation », fournit des résultats comparables à l'imagerie sismique mais offre des informations directes sur la rigidité de la croûte et du manteau de la planète. Cette propriété est essentielle pour comprendre le fonctionnement des tremblements de terre et d'autres processus géologiques à grande échelle, a déclaré Simone Puel, qui a développé la méthode dans le cadre d'un projet de recherche à l'Institut de géophysique de l'Université du Texas alors qu'elle était étudiante en troisième cycle à la UT Jackson School of Geosciences.
« Les propriétés des matériaux, comme la rigidité, sont essentielles pour comprendre les différents processus qui se produisent dans une zone de subduction ou dans la science des tremblements de terre en général », a déclaré Puel. « En les combinant à d’autres techniques comme la sismique, l’électromagnétique ou la gravité, il devrait être possible de produire un modèle mécanique beaucoup plus complet d’un tremblement de terre d’une manière qui n’a jamais été réalisée auparavant. »
Un graphique montrant la rigidité de la croûte terrestre sous le Japon. L'image révèle la limite où la plaque continentale du Japon (grande tache rouge foncé) entre en collision avec la plaque océanique plus rigide (tache bleu foncé). Les petites taches rouge foncé au centre de l'image sont probablement un système de magma alimentant les volcans du Japon (triangles rouges). L'image a été créée à l'aide de données collectées avec une nouvelle technique d'imagerie de déformation développée par des chercheurs de l'UT Austin. Crédit : Simone Puel
Application et méthodologie révolutionnaires
Puel, qui est maintenant chercheur postdoctoral au California Institute of Technology, a publié la théorie sur laquelle repose sa méthode plus tôt cette année. Une étude récente publiée en juin dans Progrès scientifiques Le système est en action. Il a utilisé les données GPS enregistrées lors du tremblement de terre de Tohoku au Japon en 2011 pour photographier le sous-sol jusqu'à environ 100 kilomètres sous terre.
L'image a révélé les plaques tectoniques et le système volcanique sous la partie japonaise de la ceinture de feu du Pacifique, y compris une zone de faible rigidité qui serait un réservoir de magma profond alimentant le système – la première fois qu'un tel réservoir a été détecté en utilisant uniquement des informations de surface.
La méthode repose sur le fait que la croûte terrestre est un mélange de matériaux rocheux aux propriétés élastiques différentes. Certaines parties sont plus souples, d'autres plus rigides. Cela provoque une contraction et une expansion inégales de la croûte terrestre. Lors d'un tremblement de terre, par exemple, la Terre vibre d'une manière qui reflète sa composition, laissant la surface déformée de manière révélatrice.
Pour transformer cette déformation inégale en une image du sous-sol, les chercheurs ont construit un modèle informatique qui traite la Terre comme s'il s'agissait d'un matériau élastique simplifié, tout en permettant à sa résistance élastique de varier en trois dimensions. Le modèle a ensuite calculé la rigidité du sous-sol en fonction de la quantité de mouvement des capteurs GPS les uns par rapport aux autres pendant le tremblement de terre. Le résultat est une image 3D de l'intérieur de la Terre basée sur les changements à la surface.
Il y a toutefois quelques réserves à formuler. Bien que le modèle génère un réseau de 12,5 millions de points de données, l'image n'est pas aussi nette que la tomographie sismique, la méthode la plus courante pour visualiser l'intérieur de la Terre. Cependant, elle mesure directement la rigidité, une mesure importante pour construire des modèles plus sophistiqués de la Terre.
Applications et implications futures
Un autre avantage de la nouvelle méthode est qu'elle peut utiliser des mesures effectuées par des satellites. NASALe prochain vaisseau spatial NISAR de l'Inde, une mission conjointe avec l'Organisation indienne de recherche spatiale, cartographiera l'ensemble du globe en très haute résolution tous les 12 jours.
Grâce à cette nouvelle technique, NISAR pourrait apporter des informations importantes sur certaines des régions les plus dangereuses du monde sur le plan géologique, a déclaré Thorsten Becker, co-auteur de l'étude et professeur à la Jackson School. En cartographiant en continu la surface de la Terre, le satellite permettra aux scientifiques de suivre les changements structurels des failles sismiques au fur et à mesure de leur progression dans leur cycle sismique.
Selon Omar Ghattas, co-auteur de l’étude et professeur au département de génie mécanique de l’Université du Texas Walker et à l’Institut d’ingénierie et de sciences informatiques de l’Université du Texas Oden, cette nouvelle méthode pourrait constituer une étape importante dans la construction de jumeaux numériques de la Terre. Ces modèles informatiques complexes s’améliorent en permanence en identifiant où faire de nouvelles observations, puis en assimilant les nouvelles données.
« À mesure que les modèles s’améliorent, que les données sont plus riches et plus informatives, nous pourrons peut-être arriver au point où nous pourrons commencer à dire quelque chose sur la prévisibilité des tremblements de terre », a-t-il déclaré.
L'étude a été financée par la National Science Foundation et le ministère américain de l'Énergie. Parmi les autres co-auteurs figurent Dunyu Liu, géologue computationnel à l'UTIG, et Umberto Villa, chercheur scientifique à l'Oden Institute.
