Tectonique des plaques


Tectonique des plaques
Carte des plaques tectoniques terrestres.
Âge des plaques du fond océanique (les rouges sont les plus jeunes).

La tectonique des plaques (qui complète la théorie appelée dérive des continents) est un modèle actuel du fonctionnement interne de la Terre. Elle est l'expression en surface de la convection qui se déroule dans le manteau terrestre.

La lithosphère, couche externe de la Terre, est découpée en plaques rigides qui flottent et se déplacent sur l'asthénosphère, plus ductile. Les premiers concepts, balbutiés dès le XVIIIe siècle, ont été formulés en 1912 par le climatologue allemand Alfred Wegener à partir de considérations cartographiques, structurales, paléontologiques et paléoclimatiques.

Sommaire

Histoire

Au début du XXe siècle, l'Allemand Alfred Wegener remarque que par la disposition des continents, la côte est de l'Amérique du Sud semble s'emboîter parfaitement dans la côte ouest de l'Afrique. Il va ainsi publier un ouvrage en 1915 : Genèse des océans et des continents : théories des translations continentales. Pour Wegener, les masses continentales se déplacent au cours des ères géologiques. Au Permien (280 millions d'années), les continents actuels formaient un seul supercontinent : la Pangée (Pangaea : Terre unique en Grec). Ce continent s'est par la suite disloqué tout d'abord pour l'ouverture de l'Atlantique Nord ainsi que par la séparation de l' Antarctique, puis ils ont continué à se fracturer pour donner naissance aux continents actuels qui, tels des radeaux, se seraient déplacés au cours des ères géologiques pour aboutir à la configuration actuelle. Il s'est appuyé sur de nombreuses preuves morphologiques: emboîtement des formes des continents, comme la corne sud-est du Brésil et le fond du golfe de Guinée, stratigraphiques (continuité stratigraphique entre l'Afrique et l'Amérique du Sud qui se traduit par l'existence des cratons faits de tonalites ou boucliers qui datent du Primaire), paléoclimatiques (existence de galets striés datant du primaire en Afrique du Sud et en Amérique du Sud, ce qui témoigne que les deux continents ont subi les mêmes influences glaciaires au Primaire) et paléontologiques (même faune et flore du primaire au rang desquelles les mésosaures, les cygnonatus et les glossoptéris, sorte de fougère du primaire). D'autres bien avant lui s'en sont aperçus, mais il est le premier à alors proposer, à partir de cette observation, la théorie de la dérive des continents : un supercontinent, la Pangée, se serait fragmenté au début de l'ère secondaire et, depuis cette ère, les masses continentales issues de cette fragmentation dériveraient à la surface de la Terre. Cette intuition, pourtant étayée par des faits convaincants, a longtemps été rejetée par des géologues, Wegener proposait comme explication le broutage des continents sur le fond des océans pour expliquer la dérive. Mais, dans cette vision théorique, la dérive se caractérise par la formation de trou béant. Les mécanismes et la morphologie interne de la Terre étaient encore inconnus pour une interprétation plausible de la dérive.

La théorie de Wegener souleva de vifs débats. Parmi les opposants, on peut citer Ludwig Diels ou Du Rietz, et parmi ses partisans, René Jeannel. C'est seulement dans la deuxième moitié du XXe siècle que la communauté scientifique, convaincue par la présentation de nouvelles preuves, accepte finalement le modèle de tectonique des plaques. L'hypothèse des mouvements de convection dans le manteau, émise par Arthur Holmes en 1945, propose un moteur plausible à ces déplacements de continents. Mais c'est la compréhension du fonctionnement des fonds océaniques, avec l'hypothèse du double tapis roulant formulée par Harry Hess en 1962, qui marque une véritable révolution des sciences de la Terre[1].

La théorie synthétique de la tectonique des plaques est énoncée en 1967 par l’Américain William Jason Morgan, le Britannique Dan McKenzie et le Français Xavier Le Pichon.

Lors de l'exposé de sa théorie de la tectonique des plaques (1968), Le Pichon a distingué 8 plaques lithosphériques principales :

  • africaine
  • nord-américaine
  • sud-américaine
  • eurasiatique
  • indo-australienne
  • antarctique
  • sud-pacifique
  • nord-pacifique

Seules les deux dernières plaques sont entièrement océaniques ; les autres comprennent à la fois des parties océaniques et des parties continentales. Des études ultérieures plus détaillées ont conduit à distinguer un certain nombre de plaques secondaires, de moindre importance.

Le modèle du double tapis roulant comme moteur de la tectonique des plaques est remis en question à partir des années 1990.

À partir de 1967, les expéditions Tazieff en Afar (Ethiopie), ont apporté la démonstration de l'origine océanique des systèmes volcaniques axiaux actifs de la région. Initié dans les années 40 aux travaux de Wegener par son professeur le tectonicien belge Paul Michot, Haroun Tazieff cherchait depuis 1948-49, après sa découverte du volcanisme dans la branche sud-occidentale du grand rift africain dans le Kivu, à en explorer la partie septentrionale, qu'il ne put explorer qu'en 1967, après plusieurs tentatives avortées. Les travaux de recherche décrivant les mécanismes d'expansion en Afar se sont poursuivis de 1967 à 1976, donnant lieu à une multitude de publications. Franco Barberi et Jacques Varet, prenant le relais d'Haroun Tazieff et de Giorgio Marinelli, se sont vu décerner le prix L.R. Wager par la Royal Society et l'Asscociation Internationale de Volcanologie et de Chimie de l'Intérieur de la Terre (AIVCIT, 1972).

Tazieff et ses équipiers ont réalisé en Afar les premières mesures directes d'écartement des lèvres d'un rift océanique. Si l'ouverture augmente de deux centimètres en moyenne par an, il s'agit en réalité d'une succession d'ouvertures brutales de segments actifs, à compter en mètres sur des espaces de temps de l'ordre de 100 ans. Les évènements récents mesurés par interférométrie sur images satellites le long de la chaîne axiale de Manda Harraro sont venus confirmer ce type de phénomène en 2006.

L'apport de Barberi et Varet a été de démontrer que les « chaînes volcaniques axiales » de l'Afar étaient de type « océanique » (au plan tectonique et magmatique) et assuraient le relais entre les vallées axiales de la Mer Rouge et celles du Golfe d'Aden. De sorte que la frontière des plaques entre l'Afrique et l'Arabie ne passe pas « en mer » par le détroit de Bab-el-Mandeb, mais à terre à travers l'Afar. La nature de la tectonique et du volcanisme de l'Afar se distingue ainsi de celle du rift africain, qui reste un « rift continental » n'ayant pas donné lieu à la génération de croûte océanique nouvelle.

Alors que les plus anciennes traces de tectonique des plaques dataient de 2,5 milliards d'années, une équipe internationale de chercheurs en géosciences en 2007 fait remonter cette tectonique à 3,8 milliards d'années au début de l'archéen. L'analyse d'inclusions dans les diamants de la ceinture de roches vertes d'Isua (en) a révélé la présence d'éclogite caractéristique de la subduction d'une plaque océanique[2].

Le modèle actuel

Schéma général des différents types de volcanisme associés aux mouvements des plaques tectoniques.
Modèle de tectonique des plaques.

On admet à présent que les plaques tectoniques sont portées par les mouvements du manteau asthénosphérique sous-jacent et subissent des interactions dont les trois types principaux sont :

  • 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) ;
  • 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 où elle rencontre de très hautes températures et fond partiellement. C'est ce magma récemment fondu qui remonte pour alimenter les volcans situés au niveau des cordillères et des arcs insulaires. Il faut noter que les différences de densité proviennent de la nature des matériaux. Ainsi, la plaque océanique est faite de matériaux basaltiques denses, alors que la plaque continentale est plutôt faite de matériaux granitiques peu denses. On peut également avoir des exemples de subduction Océan-océan le volcanisme au-dessus des zones de subduction est généralement andésitique, avec une géochimie calco-alcaline. Cette situation est due à l'hydratation du magma. En effet, lorsque la plaque plongeante s'enfonce dans l'asthénosphère, l'eau s'infiltre à travers ses fissures. La côte ouest de l'Amérique du Sud en est un exemple. La subduction d'une plaque sous une autre entraîne de nombreuses conséquences, comme un volcanisme andésitique (ou explosif ou volcan gris), de nombreux tremblements de terre et surtout la formation des plis et des failles.
    • 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.
  • 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.

À ces trois types d'interaction sont associées les trois grandes familles de failles :

  • une faille normale est divergente (extensive) ;
  • une faille inverse est convergente (compressive) ;
  • un décrochement est transcurrent (les axes d'extension et de compression sont dans le plan horizontal).

John Tuzo Wilson décrivit que les continents grandissent par un cycle de Wilson, une série d'étapes quasi-périodiques où les plaques tectoniques de la croûte terrestre se dispersent puis s'agrègent.

L'origine de la force qui rend les plaques mobiles est discutée : elle peut être liée à la contrainte cisaillante entre la lithosphère et l'asthénosphère (liée à la convection et à l'importance du couplage entre la lithosphère et l'asthénosphère), au poids de la lithosphère subductante (qui tire toute la plaque), à l'altitude plus élevée de la lithosphère à la dorsale (écoulement gravitaire) ou à la poussée à la ride (la formation de la lithosphère pousse toute la plaque). Ces possibilités ne sont pas exclusives, mais les contributions relatives dans le mouvement sont très discutées et dépendent des études, en particulier le rôle du couplage entre la lithosphère et l'asthénosphère, considéré comme majeur jusque dans les années 1990 est fortement remis en question.

Tectonique des plaques et convection dans le manteau

La Terre possède une chaleur importante du fait de la radioactivité (désintégration du potassium, de l'uranium et du thorium) et de la chaleur d'accrétion initiale. Elle se refroidit en évacuant la chaleur à sa surface. Pour cela, on connaît trois mécanismes : conduction thermique, convection et transfert radiatif. Au niveau du manteau terrestre, la majeure partie du flux de chaleur est évacuée par la mise en mouvement des roches (convection). La convection est induite par la présence de matériel chaud (donc moins dense) sous du matériel moins chaud (donc plus dense). Ces mouvements sont très lents (de l'ordre de 1 à 13 cm/an).

Jusqu'à peu, les géologues considéraient que le couplage mécanique entre les mouvements de l'asthénosphère et de la lithosphère était le principal moteur de la tectonique des plaques. L'importance de ce couplage entre la lithosphère (rigide et cassante) et l'asthénosphère (manteau sous-jacent ductile et déformable) est remise en cause.

Les limites du modèle

La dérive des continents, à partir de la pangée.

La tectonique des plaques est parfaitement valable pour les plaques océaniques (ou pour les parties océaniques des plaques mixtes). En effet, les plaques océaniques sont minces et rigides ; leurs limites sont très nettes (ride médio-océanique, failles transformantes ou zones de subduction). Par contre, les plaques continentales sont beaucoup plus épaisses et moins rigides. Les limites de plaques sont donc beaucoup plus floues, et l'on peut considérer comme limite la suture paléogéographique (l'ancien océan), ou la zone qui se déforme actuellement (dans les cas de l'Himalaya-Tibet, la différence est de plusieurs milliers de km).
De plus, ce manque de rigidité induit la présence d'une multitude de "blocs" ou de "microplaques", plus ou moins indépendantes. La mosaïque en Méditerranée en est un bon exemple, avec une multitude de systèmes en extension (mer Tyrrhénienne, mer d'Alboran, mer Égée) dans un contexte compressif (rapprochement des plaques africaines et européennes). Le modèle de tectonique des plaques trouve ici ses limites, et certains modèles peuvent mieux expliquer certaines structures sans la tectonique des plaques (dans l'Est du plateau Tibétain, par exemple)[3].

Devenir des continents

Xavier Le Pichon[4], Jean-Michel Gaulier[5] et coll. ont modélisé le mouvement de cinq continents se déplaçant de façon aléatoire[6] à une vitesse de 100 millimètres par an[7]. Leurs calculs montrent qu'il faudra environ 430 millions d'années pour que, leurs déplacements convergeant, ces continents s'unissent. Dès lors, rien n'interdit de penser que cela se concrétisera.

La chaleur de la Terre ne s'évacue pas de la même façon selon que les continents sont regroupés en un seul ou qu'ils sont dispersés comme c'est le cas aujourd'hui et selon leur position (qui influe sur leur albédo, plus claires en zone polaire par exemple). Les chaînes de montagnes terrestres ou sous-marines modifient respectivement la circulation des masses d'air humide et des courants marins.

Un supercontinent forme un « bouclier thermique » qui modifie la manière dont la chaleur s'évacue. Il se disloquera nécessairement en plusieurs fragments. Cela marquera le début d'un nouveau cycle de Wilson ainsi baptisé en l'honneur de John Tuzo Wilson (1908-1993), géophysicien canadien, qui a, le premier, émis l'hypothèse de ce rassemblement périodique des continents.

Liste des plaques tectoniques

Article détaillé : Liste de plaques tectoniques.
Carte de l'activité tectonique soulignant les limites de plaque.

La liste des plaques actuelles est, par ordre alphabétique (des unités plus petites existent ; on les appelle « blocs » ou « microplaques ») :

Notes et références

  1. En 1964, on pouvait encore lire que cette théorie, qui donnait une explication tentante de la façon dont les flores se seraient trouvées disloquées ou rapprochées, est aujourd'hui en discrédit (René Taton, la science contemporaine, PUF, 1964, p.778 dans la réed. de 1995)
  2. Laurent Sacco, De la plus ancienne trace de tectonique des plaques, Futura-Sciences, 23 mars 2007
  3. Royden, L.H., Burchfiel, B.C., King, R.W., Wang, E., Chen, Z., Shan, F., and Liu, J., 1997, Surface deformation and lower crustal flow in eastern Tibet: Science, v. 276, p. 788-790.
  4. Professeur au Collège de France, titulaire de la chaire de géodynamique.
  5. Du groupe Total.
  6. Le déplacement des continents n'est pas « aléatoire » ; une pangée future est prévue pour dans environ 250 millions d'années.
  7. La plaque Pacifique se déplace de 100 millimètres par an et l'Inde, il y a 45 millions d'années, glissait de l'ordre de 150 millimètres annuels.

Annexes

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