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3D Full Waveform Inversion on seismic data at the East Pacific Rise

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L'imagerie 3D éclaircit les mystères enfouis sous le plancher océanique

Les dorsales médio-océaniques sont les chaînes de montagnes volcaniques les plus longues au monde. Mais on sait peu de choses sur les processus qui modèlent ces chaînes de montagnes, les plus étendues sur Terre.

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Le long des dorsales médio-océaniques, les plaques s'écartent les unes des autres et une croûte océanique se forme grâce à des processus magmatiques à l'œuvre à l'intérieur et à la base de la croûte. On estime qu'il existe un lien étroit entre ces processus magmatiques et des processus volcaniques, tectoniques et hydrothermaux relativement localisés. Mais les «caractéristiques de ce lien sont largement inconnues», déclare le Dr Milena Marjanovic, géophysicienne en environnement marin, qui a bénéficié d'une bourse individuelle Marie S. Curie en tant que chercheuse principale pour le projet 3DWISE, financé par l'UE. «Nous avons examiné ce lien et abordé des questions fondamentales et persistantes des sciences de la Terre, qui concernent les mécanismes à l'œuvre dans l'accrétion de la croûte, la circulation hydrothermale et les éruptions volcaniques sous-marines.» L'origine du problème était liée au fait que les propriétés de la croûte supérieure ne permettent pas de savoir où se situe ce lien et où se produit l'activité. Atteindre les couches internes profondes de la Terre Pour cartographier ces propriétés, 3DWISE a utilisé l'inversion complète de forme d'ondes 3D (FWI 3D), une technologie de pointe développée par l'industrie pétrolière et gazière, similaire aux examens par rayons X ou par résonance magnétique utilisés en médecine. Les chercheurs ont appliqué cette technologie aux ensembles de données sismiques haute-fidélité collectées le long d'une portion de la dorsale est-Pacifique, une dorsale médio-océanique s'étirant sur le plancher océanique pacifique. La dorsale est-Pacifique est caractérisée par une activité hydrothermale considérable, deux éruptions volcaniques documentées et une importante série de mesures chronologiques multidisciplinaires qui n'a pas son équivalent ailleurs sur Terre. L'eau de mer pénètre dans la croûte, mais on sait peu de choses sur les voies hydrothermales qu'elle emprunte et sur la façon dont elle interagit avec d'autres processus crustaux. Les scientifiques ont utilisé des techniques géophysiques modernes pour étudier la nature de la croûte d'âge 0 formée au niveau de la dorsale est-Pacifique, entre les latitudes 9 º16'N et 9 º56'N. Ils ont imagé des irrégularités à faible vélocité et les ont associées à la présence de voies hydrothermales montantes et descendantes dans le plan axial de la dorsale en progression rapide. Les partenaires du projet ont ensuite comparé les résultats avec les ensembles de données disponibles. Les résultats montrent que l'interaction entre les processus tectono-magmatiques et hydrothermaux n'est pas simple à comprendre, car ils opèrent à différentes échelles temporelles. Les chercheurs ont d'autre part constaté que la forte perméabilité crustale et un régime thermique élevé doivent coexister dans le temps et l'espace pour développer, maintenir et diriger un fort flux hydrothermal à haute température. La partie supérieure de la croûte formée au niveau de la dorsale est-Pacifique est représentée par des basaltes (couche 2A) et des dykes (2B). Dans les modèles de vélocité, la frontière 2A / 2B est caractérisée par un gradient de vitesse, qui est attribué à une modification de la porosité. La nature géologique de ce gradient fait l'objet d'un débat. Du fait du manque d'informations sur les vélocités de la croûte supérieure, on ne sait pas si cette observation est due à un épaississement physique de la couche extrusive ou à un front de fissuration entraîné par une action hydrothermale et se propageant vers le bas. Les membres de l'équipe ont appliqué une méthode 3D FWI élastique à un ensemble de données sismiques 3D collectées au niveau de la dorsale est-Pacifique. Les résultats indiquent que l'emplacement des roches extrusives, la variation de leur épaisseur et le taux de subsidence des dykes sont essentiellement contrôlés par des caractéristiques et processus tectono-magmatiques en action près de l'axe de la dorsale. Des images 3D exceptionnelles de la partie supérieure de la croûte océanique 3DWISE a d'autre part fourni une bonne image 3D de la lentille magmatique axiale située à environ 1,5 km sous le plancher océanique et qui fait environ 1 km de large. Selon le Dr Marjanovic, c'est la première fois qu'on obtient une image 3D en haute résolution de la portion supérieure de la croûte océanique. En comprenant la formation des croûtes à l'origine des plaques océaniques, on pourra mieux comprendre le comportement de ces plaques loin de l'axe de la dorsale et dans les zones de subduction. «Ces zones sont particulièrement importantes parce que c'est ici que s'amorcent de grands séismes et des tsunamis dévastateurs, dont certains sont considérés comme les pires catastrophes de l'histoire humaine», conclut le Dr Marjanovic.

Mots‑clés

3DWISE, plancher océanique, croûte océanique, dorsale médio-océanique, tectonique des plaques, inversion complète de forme d'ondes 3D, dorsale est-Pacifique

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