Comprendre la formation et la dérive des continents

Nicolas Coltice et Stéphane Labrosse du Laboratoire de Géologie de Lyon (Université Claude Bernard Lyon 1/CNRS/ENS de Lyon), associés à Tobias Rolf et Paul Tackley de l'Institute of Geophysics de l'E.T.H. (Zurich, Suisse), ont élaboré un nouveau modèle de convection du manteau terrestre permettant d’illustrer l'importance du rôle des continents et de prédire leur évolution, ainsi que reconstituer leur passé.

Publié dans la revue Science, ce nouveau modèle inscrit donc une phase primordiale dans la compréhension de l'expression en surface de la convection qui se déroule dans le manteau terrestre.

Même si le modèle actuel admet à présent que les plaques tectoniques sont portées par les mouvements du manteau asthénosphérique, partie dure du manteau supérieur terrestre sous-jacent, et subissent des interactions dont les trois types principaux sont :

A° la divergence : se dit d'un mouvement éloignant deux plaques l'une de l'autre, couplé à une remontée du manteau entre elles. Leur frontière divergente correspond à une ride océanique ou dorsale, lieu de création de lithosphère océanique et théâtre de volcanisme intense. Le volcanisme au niveau des dorsales est généralement basaltique, avec une géochimie tholéiitique. C'est à travers ce mouvement que se crée la croûte lithosphérique (couche rigide située au-dessus du manteau supérieur) ;

B° la convergence : se dit d'un mouvement rapprochant deux plaques l'une de l'autre, compensant ainsi l'expansion océanique en d'autres zones du globe. Trois types de frontière de plaques convergentes accommodent le rapprochement :

- une zone de subduction là où une plaque (en général la plus dense et plus précisément la plaque océanique, d = 3,2) s'incurve et plonge sous une autre, moins dense (généralement la plaque continentale, d = 2,7) avant de s'enfoncer dans l'asthénosphère. A noter que la subduction est liée au fait que la plaque plongeante devient plus dense et plus épaisse à mesure qu'elle s'éloigne de la dorsale, son lieu de production. Elle ne sera plus en équilibre sur l'asthénosphère ( de par sa densité trop importante et de la viscosité de l'asthénosphère qui ne peut plus la supporter).

- une zone de collision, là où deux plaques se confrontent. Il s'agit généralement de deux plaques continentales. Ainsi quand deux plaques continentales de même nature et de même densité se rencontrent, le moteur du mécanisme se bloque. Il n'est pas assez puissant pour faire plonger l'une des plaques dans l'asthénosphère à cause de leur faible densité. Les deux plaques se soudent pour n'en former qu'une seule. C'est le cas notamment de la chaîne de l'Himalaya, à la frontière entre la plaque indienne et la plaque eurasienne ; cette rencontre s'est produite il y a 65 millions d'années à la faveur de la fameuse migration du continent indien. Les Alpes et les chaînes de l'Atlas sont des exemples de chaîne de collision. Il faut noter que pendant la collision, le matériel sédimentaire est transporté en hauteur pour former des chaînes de montagnes où les roches sont plissées et faillées. La collision conduit au raccourcissement de l'écorce terrestre.

- une zone d'obduction, là où une lithosphère océanique est transportée sur un continent. On ne connaît pas d'obduction actuellement active à la surface du globe terrestre.

C° le coulissage ou transcurrence : se dit du glissement horizontal de deux plaques, l'une à côté et le long de l'autre. Il s'agit d'un déplacement latéral d'une plaque contre une autre. Pendant le déplacement de cette faille se produisent des séismes très violents.. La faille de San Andreas en Californie et la faille nord-anatolienne en Turquie en sont deux exemples.

Alors que la climatologie dispose de modèles physiques et numériques pouvant être utilisés pour la prédiction, la tectonique terrestre n'avait jusqu'à présent pas de modèle suffisamment réaliste pour prévoir les déplacements futurs des continents ou reconstituer l'évolution des fonds marins dans le passé lointain (avant 200Ma). En particulier, les modèles des mouvements de convection du manteau terrestre, basés essentiellement sur la mécanique des milieux continus, ne pouvaient pas expliquer la distribution des âges de fonds océaniques, dont dépendent les forces tectoniques, la chaleur perdue par le globe, le niveau des mers et par conséquent le climat à long terme. Dans les modèles classiques, les plaques rentrent en subduction lorsqu'elles sont suffisamment froides, c'est-à-dire suffisamment anciennes et lourdes. Or sur Terre on observe que des plaques jeunes et chaudes ont la même probabilité de plonger dans le manteau dans une zone de subduction que les plaques anciennes.

Dans ce nouveau modèle, les chercheurs présentent les premiers modèles 3D sphériques qui permettent de rendre compte de ce phénomène grâce à l'introduction dans les calculs de continents simplifiés et d'un comportement mécanique permettant la formation de plaques. La combinaison de ces deux ingrédients produit une tectonique de surface suffisamment proche de la tectonique terrestre pour reproduire la distribution des âges des fonds marins. Elle permet aussi d'explorer la variabilité tectonique et d'estimer les changements de vitesse d'expansion du plancher océanique et de dérive des continents liés à la formation et la disparition de nouvelles frontières de plaques.

Depuis que la tectonique des plaques a été établie, il y a 50 ans, ce sont les premiers modèles qui font un lien aussi direct entre les mouvements profonds et les observations de surface. Il est donc maintenant envisageable d'utiliser ces modèles, à l'instar de la climatologie, pour prédire l'évolution tectonique à venir, à l'échelle de 100 millions d'années et probablement de reconstituer la tectonique des plaques à l'œuvre avant même que la Pangée n'ait été formée.

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Répartition des âges de fonds océaniques synthétiques (en couleur) dans un modèle de convection du manteau terrestre avec 3 continents à gauche et 6 continents à droite (les continents sont en gris). Les modèles mettent en jeu un comportement mécanique produisant naturellement en surface une tectonique des plaques. Les distributions d'âges présentées correspondent à des instants précis dans les évolutions calculées : à gauche la répartition des âges a la particularité de reproduire statistiquement celle des fonds marins terrestres la Terre, notamment des zones où des fonds d'âges jeunes passent en subduction sous les continents. On observe des dorsales avec des jonctions triples, des failles transformantes ; à droite la répartition des âges correspond à un état où de nouvelles frontières de plaques apparaissent et notamment des dorsales océanique (on observe en nombre des zones d'âges très jeunes).