À environ 1 800 miles sous vos pieds, le manteau terrestre rencontre le noyau externe liquide. Cette limite n’est pas une couture régulière. C’est un paysage. Depuis des décennies, les sismologues savent que la base du manteau est bosselée, avec des zones de matériaux inhabituels qui dispersent les ondes sismiques qui les traversent. Cartographier ces zones a toujours consisté à lutter contre des signaux faibles et une couverture inégale. Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences utilise un système d’apprentissage profond, une montagne d’anciens sismogrammes et beaucoup de vérifications humaines pour soutenir que ces amas sont plus nombreux et plus connectés que ne le montraient les catalogues précédents.

L’étude est publiée dans le Journal of Geophysical Research: Solid Earth. Elle ne prétend pas que la planète s’est soudainement dotée de nouveaux organes internes. Elle affirme que ces organes ont toujours été là et qu’une machine entraînée à percevoir un murmure dans les enregistrements sismiques peut enfin les représenter sous forme de ceintures plutôt que d’îles dispersées. Six de ces structures, situées dans des régions à peine échantillonnées par les anciens réseaux, ressemblent désormais à d’importantes hétérogénéités cachées. Si cette interprétation se confirme, elles ne sont pas anecdotiques. Les structures profondes peuvent orienter les mouvements du manteau, le magma, les volcans et même le champ magnétique.

Le plancher du monde rocheux

Le manteau est solide à l’échelle humaine, mais il s’écoule à l’échelle géologique. Le noyau externe situé dessous est constitué de métal liquide. La limite qui les sépare est l’une des interfaces les plus extrêmes de la planète : la roche contre le métal, le solide contre le liquide, un saut de densité et de composition chimique, une température digne d’un fourneau. À environ 1 800 miles de profondeur, cette interface est l’endroit où les plaques descendantes peuvent s’immobiliser, où la chaleur du noyau peut s’accumuler et où des matériaux anciens peuvent demeurer pendant très longtemps.

Comment les ondes faibles deviennent une carte

La sismologie permet d’observer ce monde. Les séismes font trembler la planète. Les ondes se propagent à travers la roche et le métal. Des stations en surface enregistrent des oscillations. Les temps de trajet et les amplitudes de ces oscillations renseignent sur l’intérieur de la Terre. Certaines ondes plongent à travers le noyau. D’autres rasent la limite. Certaines, celles qui intéressent cet article, se dispersent sur des amas proches de la limite noyau-manteau et arrivent juste avant des ondes plus fortes. Ces arrivées précoces sont des signaux précurseurs PKP. Ils sont faibles. Il est facile de les manquer. Mais si l’on peut en collecter suffisamment, ils deviennent une carte.

Le problème a toujours été la taille des catalogues. Une poignée de précurseurs dans quelques régions peut donner l’impression de zones isolées, simplement parce que l’éclairage de la pièce est limité. Allumez davantage de lumières et ces zones peuvent se rejoindre. C’est l’idée qui sous-tend l’entraînement d’un modèle sur plus de deux millions d’enregistrements sismiques datant de 1990 à 2024.

Un modèle, puis un humain avec un stylo rouge

L’équipe de l’Académie chinoise des sciences a entraîné un système d’apprentissage profond sur ces archives, puis a corrigé manuellement les erreurs du modèle. Cette deuxième étape n’est pas un détail. Les articles de sismologie consacrés à l’apprentissage automatique présentent souvent le réseau comme un auditeur autonome. Celui-ci considère le réseau comme une première étape. Le modèle propose. Les humains décident encore.

Pourquoi le catalogue devait être vérifié manuellement

Cette méthode correspond à la nature du signal. Les précurseurs PKP ne sont pas des pics sonores et nets. Il s’agit de faibles quantités d’énergie qui apparaissent légèrement en avance, dispersées par des hétérogénéités proches de la limite noyau-manteau, juste devant l’arrivée principale de PKP. Un classificateur qui a vu l’ensemble des archives peut signaler des candidats qu’un analyste fatigué aurait ignorés. Il peut aussi signaler du bruit, des artefacts de traitement et des sosies. La correction manuelle transforme un catalogue en autre chose qu’une simple liste des intuitions du modèle.

La récolte est un chiffre qui change l’échelle du problème. Le système a extrait 174 929 faibles signaux précurseurs PKP — plus de dix fois le nombre de tous les catalogues précédents. Une amélioration d’un ordre de grandeur n’est pas un gain modeste en matière d’exhaustivité. C’est la différence entre une esquisse et une étude détaillée. Avec autant d’arrivées dispersées, la carte n’est plus contrainte de traiter chaque amas comme une île solitaire simplement parce que la station suivante était trop éloignée.

Des zones isolées aux ceintures

La nouvelle carte montre que des zones autrefois considérées comme isolées se rejoignent en ceintures plus vastes. C’est là que réside l’intérêt géologique. L’hétérogénéité à la base du manteau a été décrite pendant des années en termes d’amas distincts, de zones à ultra-faible vitesse et de diffuseurs dispersés. Certaines de ces descriptions étaient vouées à être des artefacts de résolution. Quand le catalogue est restreint, tout semble isolé.

Les ceintures impliquent une organisation. Les matériaux de la limite noyau-manteau ne sont pas répartis au hasard. Ils sont disposés, du moins par endroits, en structures allongées. L’allongement appelle une explication : un écoulement qui étire les amas, des plaques qui s’étalent le long d’un front ou des domaines chimiques cisaillés par la circulation du manteau. L’article n’a pas besoin de désigner un seul artiste pour établir le constat observationnel. Le point essentiel est la connectivité. Ce qui ressemblait à des points peut ressembler à des lignes une fois le catalogue agrandi d’un ordre de grandeur.

Pourquoi les ceintures comptent plus que les points

La connectivité modifie également la manière dont ces structures pourraient interagir avec le reste des profondeurs terrestres. Une zone isolée est une anomalie locale. Une ceinture est une condition aux limites pour l’écoulement. Des structures à fort contraste, adjacentes à un fluide et s’étendant sur de longues distances, peuvent dévier les courants du manteau comme une dorsale sous-marine dévie l’eau de l’océan. Elles peuvent aussi concentrer la chaleur.

Six zones autrefois plongées dans l’ombre

Les ajouts les plus frappants ne sont pas seulement des versions agrandies d’amas connus. Six zones peu échantillonnées, désignées B1 à B6, notamment l’Eurasie de haute latitude, l’Asie centrale et l’Atlantique Sud, ressemblent désormais à d’importantes hétérogénéités cachées. L’échantillonnage insuffisant est le grand adversaire de la sismologie mondiale. Les séismes ne sont pas régulièrement espacés. Les stations ne le sont pas non plus. Les océans sont silencieux de la mauvaise manière. Les trajectoires polaires sont difficiles. Des pans entiers de la limite noyau-manteau n’ont été éclairés que par un mince filet de rayons exploitables.

B1 à B6 sont les noms que l’équipe donne à six de ces pièces sombres après l’allumage des lumières. L’Eurasie de haute latitude, l’Asie centrale et l’Atlantique Sud sont explicitement citées comme membres de cet ensemble. Ce ne sont pas les seuls endroits intéressants des profondeurs terrestres, mais ce sont ceux que ce catalogue fait nouvellement passer de « nous ne disposions pas des rayons nécessaires » à « quelque chose de vaste se trouve là-dessous ». Les qualifier d’importantes hétérogénéités cachées est une affirmation sur leur amplitude et leur étendue, pas une prétention à les avoir touchées.

Des noms pour des pièces autrefois plongées dans le noir

La désignation — B1 à B6 — montre elle-même que le domaine en est encore au stade de la dénomination et de la cartographie. Il ne s’agit pas encore de structures connues de tous comme une chaîne de montagnes célèbre. Ce sont des objets catalogués. Si de futurs travaux les confirment au moyen d’autres types d’ondes, d’autres fréquences et d’autres méthodes d’inversion, ces labels resteront ou seront intégrés à une géographie plus vaste de la limite noyau-manteau. Pour l’instant, ils constituent la manière dont l’article dit : regardez ici, ici et ici, là où les cartes précédentes restaient silencieuses.

Ce que pourraient être ces amas

L’équipe pense qu’il pourrait s’agir d’amas thermochimiques. C’est une expression concise pour désigner un éventail d’origines complexes. La liste proposée par l’article est la bonne à garder à l’esprit : des fragments de plaques subductées, de la fusion partielle, des transitions minéralogiques ou des vestiges de l’objet qui a formé la Lune, en interaction avec d’immenses structures à faible vitesse de cisaillement.

Les fragments de plaques subductées sont l’explication la plus familière. Les plaques océaniques plongent dans le manteau au niveau des fosses. Une partie de cette roche froide et chimiquement distincte peut atteindre la base du manteau et s’y immobiliser, formant des amas qui diffèrent encore par leur température et leur composition de la roche environnante. Ces amas disperseraient les ondes. Ils seraient également plus denses ou plus légers que leur environnement selon le degré auquel ils se sont réchauffés et les minéraux qu’ils contiennent désormais.

La fusion partielle constitue un autre type d’hétérogénéité. Une petite quantité de liquide, perchée dans la partie la plus chaude et la plus basse du manteau, peut réduire fortement la vitesse sismique et disperser l’énergie. Les transitions minéralogiques — des changements de structure cristalline sous les pressions de la limite noyau-manteau — peuvent produire un effet similaire sans aucun liquide, si le nouvel assemblage minéral est plus lent ou plus rapide que l’ancien. Chacune de ces options raconte une histoire thermochimique. Température et composition chimique sont imbriquées. Un amas à la fois plus chaud et chimiquement distinct n’est pas obligé d’avoir une identité unique.

Plaques, fusion, minéraux ou monde résiduel

L’option la plus ancienne de la liste est celle des vestiges de l’objet qui a formé la Lune. Le scénario standard de l’impact géant affirme qu’un grand corps a percuté la Terre primitive et projeté la matière qui allait devenir la Lune. Certains modèles permettent à des résidus de cet impacteur, ou de l’océan de magma créé par l’impact, de s’enfoncer et de survivre à la base du manteau. Si ces résidus sont toujours présents, ils compteraient parmi les domaines chimiques les plus anciens de la planète, installés à la limite noyau-manteau comme une tache qui n’aurait jamais été lavée.

Ces amas, quelle que soit leur composition, ne sont pas imaginés isolément. Ils interagissent avec d’immenses structures à faible vitesse de cisaillement. Ces structures — de vastes régions lentes des profondeurs du manteau déjà connues grâce à la tomographie — constituent un fait central de la géophysique des profondeurs terrestres. Amas et structures forment ensemble un paysage basal de hautes terres et de basses terres sismiques. Les nouvelles ceintures et les zones B1 à B6 ajoutent du relief à ce paysage.

Pourquoi un amas situé à 1 800 miles de profondeur peut compter en surface

Il est légitime de se demander pourquoi quelqu’un qui n’inverse pas de sismogrammes devrait s’en soucier. La réponse de l’équipe est causale, et non esthétique. Ces structures profondes peuvent orienter les mouvements du manteau, le magma, les volcans et même le champ magnétique.

Les mouvements du manteau correspondent à la convection lente qui déplace les plaques, élève les panaches et mélange l’intérieur de la planète. Un amas thermochimique à la base constitue à la fois une barrière et un moteur thermique. L’écoulement doit le contourner ou passer par-dessus. La chaleur du noyau doit le traverser ou le contourner. À l’échelle géologique, cette déviation peut déterminer l’endroit où se forment les remontées de matière. Les remontées qui atteignent le manteau supérieur alimentent le magma. Le magma alimente les volcans. Une carte des ceintures basales cachées est donc, en quelque sorte, une carte possible expliquant pourquoi le volcanisme n’est pas réparti au hasard sur la planète.

Chaleur, panaches et dynamo

Le champ magnétique relève de l’histoire du noyau, mais le manteau a tout de même son mot à dire. La dynamo du noyau externe liquide est sensible à la manière dont la chaleur quitte le noyau. Si la limite noyau-manteau est une mosaïque d’amas isolants et de fenêtres perméables, le schéma des flux de chaleur peut organiser la convection du noyau. Une convection organisée peut structurer le champ, notamment la manière dont il dérive et s’inverse. L’article ne prétend pas que B1 à B6 inversent les pôles. Il affirme que les importantes hétérogénéités cachées doivent figurer parmi les éléments susceptibles de façonner la condition thermique aux limites de la dynamo.

Tout cela découle d’une mesure. Cette mesure correspond à 174 929 précurseurs PKP, extraits de plus de deux millions d’enregistrements sismiques couvrant la période de 1990 à 2024, après qu’un système d’apprentissage profond a proposé des détections et que des humains ont corrigé ses erreurs. Les ondes importantes sont celles qui se dispersent sur des amas proches de la limite noyau-manteau et arrivent juste avant des ondes plus fortes. La carte fondée sur ces ondes montre que des zones isolées se rejoignent en ceintures plus vastes et que six régions peu échantillonnées — notamment l’Eurasie de haute latitude, l’Asie centrale et l’Atlantique Sud — s’imposent comme d’importantes structures cachées.

Un catalogue n’est pas le dernier mot

Les cartes sismiques sont des arguments. Elles dépendent des phases choisies, de la définition d’une détection, de la localisation du diffuseur et de la manière de tracer les contours à travers une couverture inégale. Une multiplication par dix de la taille d’un catalogue est un argument puissant, pas une photographie. D’autres groupes tenteront d’observer B1 à B6 avec d’autres outils. Certaines ceintures pourraient à nouveau se fragmenter à plus haute fréquence. Certaines interprétations thermochimiques pourraient céder la place à des explications thermiques plus simples, ou l’inverse.

Ce qui ne changera pas, c’est l’emplacement du mystère. À environ 1 800 miles de profondeur, le manteau rencontre le noyau externe liquide. L’interface est bosselée. Les amas dispersent les ondes. Pendant longtemps, le catalogue de ces murmures dispersés était trop réduit pour distinguer les îles des archipels. Une analyse par apprentissage profond d’une génération d’enregistrements sismiques, vérifiée manuellement, a rendu le catalogue assez vaste pour privilégier l’existence de ceintures et nommer six structures cachées dans les profondeurs mal éclairées de la planète. Qu’il s’agisse de plaques, de fusion, de transformations minéralogiques ou de vestiges liés à la formation de la Lune, ces structures dialoguent avec d’immenses structures à faible vitesse de cisaillement et sont en mesure d’orienter la machinerie lente qui relie le noyau aux volcans et au champ magnétique. Voilà ce que l’article du Journal of Geophysical Research: Solid Earth met sur la table : non pas une nouvelle Terre, mais une Terre plus précise.