Étiquette : ondes sismiques

Changement de forme du noyau interne de la Terre // Earth’s inner core is changing shape

Une nouvelle étude conduite par des sismologues de l’Université de Californie du Sud montre que le noyau interne de la Terre n’est pas une sphère statique et uniforme, mais une structure dynamique qui subit des changements de forme, avec des zones qui s’élèvent et s’abaissent jusqu’à 1 km sur de courtes échelles de temps géologiques.

L’étude a utilisé des données provenant de capteurs de la base aérienne d’Eielson en Alaska et du réseau sismologique de Yellowknife dans les Territoires du Nord-Ouest du Canada. L’analyse des ondes sismiques générées par des séismes survenus entre 1991 et 2023 a révélé des variations surprenantes dans le comportement des ondes ; elles laissent supposer que la couche la plus externe du noyau interne subit des déformations localisées en raison de la redistribution de la matière. Les ondes sismiques fournissent des informations essentielles sur le noyau interne, qui se trouve à environ 5 000 km sous la surface de la Terre. Elles révèlent des informations sur sa composition et sur tout changement en cours. Les observations les plus importantes de l’étude montrent que si les ondes sismiques plus profondes restent constantes, celles qui se propagent le long des couches externes du noyau interne présentent des anomalies. Ces déformations montrent que la surface du noyau interne est en constante évolution.

 Source: University of Saskatchewan

La topographie changeante du noyau interne peut être due à de multiples facteurs liés aux conditions extrêmes de température et de pression dans les profondeurs de la planète. Il se peut que les fluctuations de température à la frontière entre le noyau interne et le noyau externe provoquent une fusion et une solidification continues du fer, ce qui remodèlerait la surface du noyau au fil du temps. Une autre théorie explique que le fer pourrait s’échapper du noyau interne en rafales semblables à la remontée du magma dans le manteau terrestre, mais en étant soumis à des pressions extrêmes. Les changements rapides détectés entre 2004 et 2008 révèlent que ces déformations se produisent plus rapidement qu’on ne le pensait auparavant, ce qui soulève des questions sur leurs implications plus larges pour le système géodynamique de la Terre.

Il est important de comprendre si ces déformations influencent les courants convectifs du fer en fusion dans le noyau externe. Les chercheurs étudient également si les déformations du noyau interne sont liées aux variations de rotation. Les déplacements asymétriques du noyau peuvent provoquer des fluctuations mineures dans la rotation de la Terre, affectant les processus planétaires tels que la durée du jour et les variations du moment angulaire. Les changements dans la forme et le mouvement du noyau interne pourraient affecter le transfert de chaleur entre les couches du noyau, influençant potentiellement la stabilité du champ magnétique terrestre et contribuant à des fluctuations telles que les inversions géomagnétiques.

Les recherches futures se concentreront sur la collecte de davantage de données sismiques, l’amélioration des simulations informatiques et l’affinement des modèles théoriques des interactions noyau-manteau. Les scientifiques souhaitent examiner comment ces changements structurels influencent des processus géodynamiques plus larges, notamment la convection dans le manteau et la tectonique des plaques.

 

Vision moderne de la convection mantellique (Kevin C. A. Burke) 

Source : The Watchers.

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New research by seismologists at the University of Southern California shows that Earth’s inner core is not a static, uniform sphere but a dynamic structure experiencing shape changes, with regions rising and falling by up to 1 km over short geological timescales.

The study utilized data from sensors at the Eielson Air Force Base in Alaska and the Yellowknife Seismological Array in Canada’s Northwest Territories. Analysis of seismic waves from earthquakes between 1991 and 2023 revealed unexpected variations in wave behavior, suggesting that the outermost layer of the inner core undergoes localized deformations due to the redistribution of material. Seismic waves provide critical insights into the inner core, which lies approximately 5 000 km beneath the Earth’s surface. Waves passing through the core reveal information about its composition and any ongoing changes. Key observations from the study showed that while deeper seismic waves remained consistent, those traveling along the outer layers of the inner core exhibited anomalies. This suggested localized deformations indicating that the inner core’s surface is in constant flux.

The shifting topography of the inner core may result from multiple factors related to extreme temperature and pressure conditions deep within the planet. One possibility is that temperature fluctuations at the boundary between the inner and outer core cause continuous melting and solidification of iron, reshaping the core’s surface over time. Another theory suggests that iron may be bubbling out of the inner core in localized bursts, similar to magma upwelling in Earth’s mantle, albeit under extreme pressures. The rapid changes detected between 2004 and 2008 suggest that these deformations occur faster than previously believed, raising questions about their broader implications for Earth’s geodynamic system.

A key concern is whether these deformations influence the convective currents of molten iron in the outer core. Researchers are also investigating whether inner core deformations are linked to rotational variations. Asymmetric shifts in the core may cause minor fluctuations in Earth’s rotation, affecting planetary processes such as day length and angular momentum variations. Changes in the inner core’s shape and movement could affect heat transfer between core layers, potentially influencing the stability of Earth’s magnetic field and contributing to fluctuations such as geomagnetic reversals.

Future research will focus on gathering more seismic data, enhancing computational simulations, and refining theoretical models of core-mantle interactions. Scientists aim to examine how these structural changes influence broader geodynamic processes, including mantle convection and plate tectonics.

Source : The Watchers.

Campagne d’imagerie au sommet du Kilauea (Hawaii) // Imagery campaign at the summit of Kilauea (Hawaii)

Comme je l’explique dans mes conférences, prévoir le comportement d’un volcan est beaucoup plus difficile que prévoir celui d’un glacier car tout se passe en profondeur. Jusqu’à présent, personne n’a pu prévoir avec précision le moment où la lave percerait la surface. Même sur le Kilauea (Hawaii) ou sur le Piton de la Fournaise (La Réunion), truffés d’instruments, les scientifiques ont été plusieurs fois déroutés par les mouvements du magma sous la surface.
À Hawaii, cela fait des décennies que les scientifiques émettent des hypothèses sur la forme et la taille de la chambre magmatique sous le sommet du Kilauea. Ils disposent aujourd’hui de moyens sans précédent pour en obtenir une image beaucoup plus détaillée qu’auparavant. Le Kilauea Seismic Imaging Project – projet collaboratif d’imagerie sismique du Kilauea – est sur le point de démarrer et de permettre de mieux connaître les structures qui se cachent sous la région sommitale du Kīiauea. Le projet est financé par la National Science Foundation et les crédits obtenus dans le cadre du Disaster Relief Act de 2019.
Le projet ressemble un peu au scanner utilisé dans les hôpitaux, quand un corps humain pénètre dans un tube où des rayons X traversent le corps sous différents angles. À partir des rayons X, on obtient des images en coupe transversale du corps. Leur ensemble est utilisé pour créer un modèle tridimensionnel.
Au cours du projet d’imagerie du sommet du Kilauea, les ondes sismiques envoyées à travers le sol seront utilisées pour générer des images du sous-sol. Une fois rassemblées, ces images créeront, comme le scanner hospitalier, un modèle tridimensionnel de la chambre magmatique sous le sommet du Kilauea.
Le HVO dispose d’un réseau de surveillance incluant plusieurs sismomètres au sommet du Kilauea, mais d’autres sismomètres sont nécessaires pour collecter des données avec une résolution plus élevée dans le cadre du projet. 1 800 petits dispositifs supplémentaires, les nodes d’acquisition sismique, seront temporairement placés à la surface de la région sommitale du Kilauea au cours des deux prochains mois.
Une fois les nodes d’acquisition déployés, un gros véhicule parcourra lentement au mois de mai les routes à proximité du sommet du Kilauea Le véhicule, appelé Vibroseis, génèrera de minuscules signaux sismiques. Les nodes capteront les signaux ainsi créés. Le temps mis par les signaux pour atteindre les nodes et leur comportement sont des paramètres importants car les ondes sismiques se déplacent différemment selon que les matériaux qu’elles traversent sont solides ou semi-solides, ou du magma en fusion.
La foule de données ainsi collectées sera analysée pour indiquer à quel endroit la base du Kilauea entre en contact avec le plancher océanique sous-jacent, quel est l’emplacement des failles majeures, là où les corps magmatiques sont stockés sous la surface du Kilauea, et comment ces corps se connectent aux zones de rift.
Les données produiront également un nouveau modèle de vitesse de déplacement des ondes sismiques pour la région sommitale du Kilauea. Il permettra des analyses plus précises des séismes et de leurs épicentres.
Selon le HVO, les résultats de ce projet seront inestimables pour évaluer l’activité volcanique à venir du Kilauea.
Source : USGS/HVO.

Le Vibroseis se déplacera dans la zone sommitale du Kilauea tout au long du mois de mai 2023. La plaque vibrante de couleur orange est recouverte de contreplaqué et d’un tapis en caoutchouc pour protéger le revêtement de la route. Les vibrations seront maintenues à un seuil minimal, mais qui peut encore être enregistré par les nodes d’acquisition sismiques. (Crédit photo : USGS)

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Une autre technologie est utilisée aujourd’hui sur d’autres volcans. Appelée muographie, elle utilise des particules cosmiques pour montrer l’intérieur d’un édifice volcanique, en particulier la chambre magmatique peu profonde. La technologie ne peut pas être mise en place sur tous les volcans de la planète. D’abord testée sur les pyramides, elle suppose un volcan de forme conique comme le Mt Fuji (Japon) ou le Mt Mayon (Philippines). La muographie a été testée sur La Soufrière de la Guadeloupe et sur le Stromboli en Sicile. Les résultats ont permis de voir l’intérieur du sommet de ces volcans, mais ils ne peuvent pas être utilisés pour analyser les mouvements du magma, et donc pour prévoir les éruptions. J’ai écrit sur ce blog plusieurs articles décrivant cette nouvelle approche de la volcanologie (le 9 mai 2016, par exemple).

Image muonique de l’intérieur de La Soufrière de la Guadeloupe (Source: CNRS)

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As I explain in my conferences, predicting the behaviour of a volcano is far more difficult than predicting the behaviour of a glacier because everything is happening deep underground. Up to now, nobody has been able to predict the moment when lave would pierce the surface. Even on Kilauea (Hawaii) or Piton de la Fournaise (Reunion Island), scientists have several times been puzzled by magma movements.

In Hawaii, scientists have hypothesized the shape and size of Kīlauea’s summit magma storage system for the last century, and now have an unparalleled opportunity to develop a far more detailed picture than was possible before. The collaborative Kilauea Seismic Imaging Project is about to start with a goal to help reveal subsurface structures beneath Kīlauea’s summit region. The research project is funded by the National Science Foundation and the U.S. Geological Survey’s appropriations from the Disaster Relief Act of 2019.

The project will operate almost like a human CT scan, during which a body enters a tube so that X-rays can travel through the body at different angles. From the X-rays, cross-sectional images are created of the features within the body, which are used collectively to make a three-dimensional model of the body.

During the Kilauea summit imaging project, seismic waves moving through the ground will be used to generate images of the subsurface that together will create a three-dimensional model of Kilauea’s summit magma storage geometry.

Hawaiian Volcano Observatory has a permanent monitoring network of several seismometers at the summit of Kilauea that detect natural earthquakes, but more seismometers are needed to collect data at a higher resolution for this project. An additional 1,800 small earthquake-detecting devices, called seismic nodes, will be temporarily placed on the surface of Kilauea’s summit region in the next two months.

After the seismic nodes are deployed, a large vehicle will slowly traverse roads near Kilauea’s summit in May. The vehicle, called a Vibroseis, will create tiny seismic signals. The nodes will capture the signals generated by the Vibroseis. The time that it takes the signals to reach the nodes and the way they change before reaching the nodes are important because seismic waves behave differently if the material they are traveling through is solid or semi-solid material, or molten magma.

The vast amounts of data collected will be analyzed to outline where the base of Kilauea contacts the underlying ocean floor, the location of major faults, where bodies of magma are stored beneath the surface of Kīlauea, and how those bodies connect to the rift zones.

The data also will produce a new velocity model for Kilauea’s summit region. It will allow for more accurate analyses of earthquakes and their locations in the future.

According to HVO, results from this research project will be invaluable for assessing the future volcanic activity at Kilauea.

Source : USGS / HVO.

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Another technology is used today on other volcanoes. Called muography, it uses cosmic particles to show the inside of a volcanic edifice, in particular the shallow magma chamber. The technology cannot be set up on all volcanoes. First tested on the pyramids, it requires a volcano with a conical shape like Mt Fuji (Japan) or Mt Mayon (Philippines). Muography has been tested on La Soufrière (Guadeloupe) and Stromboli (Sicily). The results allowed to see the interior of the summit of these volcanoes , but they cannot be used to analyse magma movements, and so to predict eruptions. I have written several posts describing this mew approach of volcanology (May 9th, 2016, for instance).

Nouvelle étude sur le système d’alimentation du Mont Rainier // New study about Mount Rainier’s feeding system

drapeau francaisUne étude publiée dans la revue Nature nous apprend qu’en mesurant la vitesse avec laquelle la Terre conduit l’électricité et les ondes sismiques, un chercheur de l’Université de l’Utah et ses collègues ont obtenu une image détaillée du système d’alimentation volcanique profond du Mont Rainier.

L’image (voir ci-dessous) semble montrer qu’au moins une partie du réservoir magmatique du Mont Rainier se trouve entre 9 et 16 kilomètres au nord du volcan. Cela est probablement dû au fait que les 80 capteurs électriques utilisés pour l’expérience ont été placés le long d’une ligne de 300 kilomètres de long d’est en ouest, à une vingtaine de kilomètres au nord du Rainier. En conséquence, il se peut que la partie principale de la chambre magmatique se situe directement sous le volcan et qu’un lobe s’étire vers le nord-ouest sous la ligne de capteurs.
Dans l’image obtenue, la partie supérieure du réservoir magmatique se trouve à 8 km sous la surface et semble avoir 8 à 16 km d’épaisseur, avec une largeur de 8 à 16 km d’est en ouest.
La nouvelle image ne ​​montre pas le circuit d’alimentation qui relie le Mont Rainier à la chambre magmatique située 8 km en dessous. Au lieu de cela, elle montre que l’eau et la roche partiellement ou totalement fondue sont générées à 80 km de profondeur, là où l’une des plaques de la croûte terrestre – la plaque Juan de Fuca – plonge vers l’est et vient s’enfoncer sous la plaque nord-américaine, et où la matière en fusion commence son ascension vers la chambre magmatique du Mont Rainier.
La nouvelle étude a utilisé à la fois l’imagerie sismique et les mesures magnétotelluriques, ce qui produit des images en montrant comment les champs électriques et magnétiques dans le sol varient en fonction de la résistance et de la conductivité des roches et des fluides à l’électricité. C’est la vue en coupe la plus détaillée jamais obtenue d’un système volcanique des Cascades grâce à l’imagerie électrique et sismique. Les images sismiques précédentes montraient l’eau et la roche en fusion partielle au-dessus de la plaque pendant sa subduction. Selon un chercheur, la nouvelle image montre la fusion « depuis la surface de la plaque jusqu’à la partie supérieure de la croûte, là où le magma s’accumule avant le début d’une éruption. »

S’agissant de l’histoire géologique, le Mont Rainier trône sur des coulées vieilles parfois de 36 millions d’années. Un ancien Mont Rainier a existé il y a 2 millions d’années à un million d’années. De fréquentes éruptions ont façonné la montagne actuelle au cours des 500 000 dernières années. Au cours des 11 000 dernières années, le Rainier a connu des dizaines d’éruption explosives avec des émissions de cendre et de ponce. A une époque, le Rainier était plus haut qu’aujourd’hui, jusqu’au jour où il s’est effondré lors d’une éruption il y a 5600 années. Il a alors présenté un grand cratère ouvert vers le nord-est, un peu comme le cratère formé par l’éruption du mont St Helens en 1980. Il y a 5600 ans, cette éruption a produit une énorme coulée de boue à l’ouest du volcan, en direction de Puget Sound, couvrant tout ou partie les sites actuels du port de Tacoma, de la banlieue de Seattle, ainsi que des villes comme Puyallup, Orting, Buckley, Sumner et Enumclaw. La lave a dévalé pour la dernière fois les flancs du Mont Rainier il y a 2200 années, tandis que les dernières coulées pyroclastiques ont eu lieu il y a 1100 années. La dernière grande coulée de boue s’est produite il y a 500 ans. Certains rapports contestés font état d’éruptions de vapeur dans les années 1800.

Plus de détails sur cette étude peuvent être consultés sur le site ScienceDaily:
http://www.sciencedaily.com/releases/2014/07/140717094607.htm?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+sciencedaily+%28Latest+Science+News+–+ScienceDaily%29

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drapeau anglaisA study published in the journal Nature informs us that by measuring how fast Earth conducts electricity and seismic waves, a University of Utah researcher and colleagues made a detailed picture of Mount Rainier’s deep volcanic plumbing system.

The image (see below) appears to show that at least part of Mount Rainier’s magma reservoir is located about 9 to 16 kilometres northwest of the volcano. That could be because the 80 electrical sensors used for the experiment were placed in a 300-kilometre-long, west-to-east line about 20 km north of Rainier. So the main part of the magma chamber could be directly under the peak, but with a lobe extending northwest under the line of detectors.

The top of the magma reservoir in the image is 8 km underground and appears to be 8 to 16 km thick, and 8 to 16 km wide in east-west extent.

The new image doesn’t reveal the plumbing tying Mount Rainier to the magma chamber 8 km below it. Instead, it shows water and partly molten and molten rock are generated 80 km underground where one of the crustal plates is subducting eastward and downward beneath the North America plate, and how and where those melts rise to Rainier’s magma chamber.

The new study used both seismic imaging and magnetotelluric measurements, which make images by showing how electrical and magnetic fields in the ground vary due to differences in how much underground rock and fluids conduct or resist electricity. It is the most detailed cross-section view yet under a Cascades volcanic system using electrical and seismic imaging. Earlier seismic images indicated water and partly molten rock atop the diving slab. According to one researcher, the new image shows melting « from the surface of the slab to the upper crust, where partly molten magma accumulates before erupting. »

As far as geological history is concerned, Mount Rainier sits atop volcanic flows up to 36 million years old. An ancestral Rainier existed 2 million to 1 million years ago. Frequent eruptions built the mountain’s modern edifice during the past 500,000 years. During the past 11,000 years, Rainier erupted explosively dozens of times, spewing ash and pumice. Rainier once was taller until it collapsed during an eruption 5,600 years ago to form a large crater open to the northeast, much like the crater formed by Mount St. Helens’ 1980 eruption. The 5,600-year-old eruption sent a huge mudflow west to Puget Sound, covering parts or all of the present sites of the Port of Tacoma, Seattle suburbs, and the towns Puyallup, Orting, Buckley, Sumner and Enumclaw. Rainier’s last lava flows were 2,200 years ago, the last flows of hot rock and ash were 1,100 years ago and the last big mudflow 500 years ago. There are disputed reports of steam eruptions in the 1800s.

More details about this study can be found on the ScienceDaily website:

http://www.sciencedaily.com/releases/2014/07/140717094607.htm?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+sciencedaily+%28Latest+Science+News+–+ScienceDaily%29

Rainier-sommet

Le sommet du Mont Rainier  (Photo:  C. Grandpey)

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L’image magnéto-tellurique montre la plaque Juan de Fuca en bleu, les remontées de magma en orange, tandis que le Mont Rainier est symbolisé par un triangle rouge.

Etude approfondie du Mont St Helens (Etats Unis) // In-depth study of Mount St Helens (United States)

drapeau francaisDans une note intitulée « Des explosifs autour du Mont St Helens! »(31 mai 2014), j’indiquais que cet été, en utilisant des techniques développées par l’industrie pétrolière, des chercheurs de plusieurs universités américaines vont faire sauter des charges explosives enfouies à 25 mètres de profondeur dans une vingtaine de puits forés autour du volcan. Ils enregistreront alors l’énergie sismique des explosions sur des milliers de sismomètres portables. L’objectif est de « mieux comprendre comment le magma se fraye un chemin jusqu’au cratère du Mont St. Helens à partir de la zone où les plaques tectoniques Juan de Fuca et nord-américaine entrent en collision et où se forme le magma, à quelque 100 kilomètres sous la surface de la Terre.

Tandis que le magma se fraye un chemin vers la surface, il est possible qu’il s’accumule dans une grande chambre à quelques kilomètres de profondeur. Le trajet entre la source et cette chambre magmatique est presque totalement inconnu et sera sujet principal de l’étude. Le projet, financé par la National Science Foundation, devrait se terminer à l’été 2016. Les scientifiques espèrent que leurs recherches permettront de mieux comprendre les éruptions et donc conduire à une meilleure prévention.
Le projet « Imaging Magma Under St. Helens » comporte trois volets distincts: une étude sismique des sources actives (sources contrôlées), une étude sismique des sources passives (sources naturelles) et une étude magnétotellurique utilisant les fluctuations du champ électromagnétique de la Terre pour produire des images des structures qui se cachent sous la surface.
Les chercheurs commenceront par étudier les sources passives et l’aspect magnétotellurique, tandis que l’étude des sources actives (mesure des ondes sismiques générées par des explosions souterraines) sera effectuée plus tard.
L’étude des sources passives consiste à enterrer des sismomètres sur 70 sites différents à travers une zone de 100 kilomètres de côté centrée sur le Mont St. Helens. Les sismomètres enregistreront les données à partir d’une variété d’événements sismiques, qu’il soit locaux ou éloignés. Les signatures sismiques permettront d’obtenir plus de détails sur les structures géologiques sous le St. Helens.
L’étude magnétotellurique se fera sur 150 sites répartis sur une zone de 200 km du nord au sud et de 180 km d’est en ouest incluant le Mont Rainier et le Mont Adams. La plupart des sites ne seront utilisées qu’une seule journée, avec des instruments enregistrant les signaux électriques et magnétiques destinés à produire des images des structures du sous-sol.

Source : Science Daily.

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drapeau anglaisIn a note entitled « Explosives around Mount St Helens ! » (May 31st 2014), I explained that this summer, using techniques developed by the oil industry, researchers from several U.S. universities are preparing to set off explosive charges buried in two dozen 25-metre-deep wells drilled around the mountain. They’ll record the seismic energy of the explosions on thousands of portable seismometers. The goal is “to see with greater clarity the details of how magma makes its way to Mount St. Helens’ crater from the area where the Juan de Fuca and North American tectonic plates collide and the magma is created, some 100 kilometres beneath the surface”. As magma works its way toward the surface, it is possible that it gathers in a large chamber a few kilometres beneath the surface. The path from great depth to this chamber is almost completely unknown and is a main subject of the study. The project, funded by the National Science Foundation, is expected to conclude in the summer of 2016.

Scientists hope the research will produce data that will lead to better understanding of eruptions, which in turn could lead to greater public safety.

The Imaging Magma Under St. Helens project involves three distinct components: active-source seismic monitoring, passive-source seismic monitoring and magnetotelluric monitoring, using fluctuations in Earth’s electromagnetic field to produce images of structures beneath the surface.

The researchers are beginning passive-source and magnetotelluric monitoring, while active-source monitoring (measuring seismic waves generated by underground detonations) will be conducted later.

Passive-source monitoring involves burying seismometers at 70 different sites throughout a 100-by-100-kilometre area centered on Mount St. Helens. The seismometers will record data from a variety of seismic events, whether local or distant. Patterns in the earthquake signatures will reveal in greater detail the geological structures beneath St. Helens.

Magnetotelluric monitoring will be done at 150 sites spread over an area running 200 km north to south and 180 km east to west, which includes both Mount Rainier and Mount Adams. Most of the sites will only be used for a day, with instruments recording electric and magnetic field signals that will produce images of subsurface structures.

Source : Science Daily.

St-Helens-blog

(Photo:  C.  Grandpey)