Quelles forces font bouger les plaques tectoniques à la surface de la Terre ? Grâce à une simulation 3D de notre planète, une équipe de géophysiciens issus notamment de deux laboratoires du CNRS a répondu pour la première fois à cette question vieille de 50 ans.

Tel un gigantesque puzzle, la surface de la Terre – la lithosphère – est découpée en plaques rocheuses qui se déplacent les unes par rapport aux autres. Ce phénomène, baptisé tectonique des plaques, unique dans le Système solaire, change sans cesse le visage de notre planète : il est à l’origine de la dérive des continents, de la formation des chaînes de montagne, du volcanisme et des tremblements de terre.

Une énigme vieille d’un demi-siècle

Depuis la fin des années 1960 et l’avènement de la théorie de la tectonique des plaques, une question importante restait toutefois sans réponse : quelles forces sont responsables des mouvements de ces fameuses plaques ? Pour tenter de résoudre ce mystère, deux points de vue différents sont apparus dans la communauté scientifique. Pour certains, le moteur de la danse des plaques tectoniques se trouverait dans les zones dites de subduction, là où les plaques océaniques plongent sous les plaques voisines et s’enfoncent dans le manteau sous-jacent. Au cours de ce processus, la chute d’une plaque suffirait à tirer tout le reste de la plaque, sous l’effet de son propre poids, et la mettrait ainsi en mouvement.

Pour d’autres en revanche, les responsables seraient les mouvements de matière, dits de convection, qui ont lieu à l’intérieur du manteau. Sous l’effet de la chaleur dégagée par les entrailles de la Terre, les roches les plus profondes remontent vers la surface. Puis refroidies, elles redescendent. Cette matière en mouvement viendrait « frotter » sur les plaques lithosphériques au point de les faire se déplacer.

Un superordinateur pour mieux voir le passé de la Terre

Pour la première fois depuis 50 ans, une équipe de chercheurs issus de deux laboratoires du CNRS, le Laboratoire de géologie de l’École normale supérieure1 (LG-ENS) et l’Institut des sciences de la Terre2 (Isterre), et de l’Université de Rome vient enfin de trancher le débat. Grâce à une simulation en trois dimensions de notre planète obtenue après neuf mois de calcul sur un superordinateur3, les géophysiciens ont pu montrer que le mouvement des plaques tectoniques était en réalité le résultat de ces deux phénomènes à la fois, et que leur contribution relative avait évolué au cours de l’histoire géologique de la Terre.

Jusqu’à présent, pour mieux comprendre le mouvement des plaques, les scientifiques n’avaient d’autre solution que d’analyser les données recueillies sur Terre (données satellites, études de roches, données sismiques). Problème : ces données ne permettent pas de remonter assez loin dans le passé de notre planète. Pourquoi ? Parce que les plaques tectoniques sont en perpétuel recyclage. Créées au niveau des dorsales océaniques, où la matière issue du manteau se solidifie, les plaques océaniques s’enfoncent ensuite dans le manteau dans les zones de subduction. Résultat : on trouve très peu de lithosphère océanique datant de plus de 180 millions d’années, alors que la Terre a 4,5 milliards d’années !

1,5 milliard d’années simulées

C’est pourquoi Nicolas Coltice, du LG-ENS, Laurent Husson, de l’Isterre, et leurs collègues ont opté pour une stratégie différente qui leur a permis d’étudier virtuellement les mouvements des plaques sur une période beaucoup plus longue. Pour ce faire, les chercheurs ont créé un modèle numérique en 3D d’une planète fictive, ayant des propriétés proches de celles de la Terre. La simulation réalisée sur un superordinateur leur a ensuite permis de suivre l’évolution de la surface de cette planète virtuelle sur 1,5 milliard d’années, un intervalle de temps suffisamment long pour identifier les causes du mouvement des plaques.

Nous avons modélisé avec une grande fidélité le comportement mécanique des roches de la lithosphère et du manteau, c’est-à-dire la façon dont celles-ci se déforment lorsqu’elles subissent une contrainte. Un travail que nous avons commencé il y a cinq ans et dont cette simulation est l’aboutissement.

Ce n’est pas la première fois que des géophysiciens ont recours à des planètes virtuelles pour mieux comprendre la dynamique de notre Terre, mais cette simulation constitue une des plus abouties à ce jour. En termes de résolution d’abord. À l’image d’un modèle météo, les chercheurs ont découpé leur planète numérique en pas moins de 50 millions de cellules – des cubes de 25 kilomètres (km) de côté – sur l’ensemble du volume constitué par la lithosphère et le manteau (jusqu’à 3 000 km de profondeur environ). C’est ce découpage extrêmement fin qui explique d’ailleurs pourquoi la simulation a nécessité neuf mois de calcul. Il s’agissait en effet de déterminer un ensemble de paramètres pour chacune de ces cellules et à chaque pas de temps – tous les 5 000 ans – tout au long des 1,5 milliard d’années simulées.

Un modèle réduit réaliste de la Terre

En termes de réalisme ensuite. « Nous avons modélisé avec une grande fidélité le comportement mécanique des roches de la lithosphère et du manteau, c’est-à-dire la façon dont celles-ci se déforment lorsqu’elles subissent une contrainte. Un travail que nous avons commencé il y a cinq ans et dont cette simulation est l’aboutissement », explique Nicolas Coltice.

Écorchés réalisés pour les 11 modèles calculés dans l’étude. Les 10 premiers sont des modèles simplifiés, alors que le dernier (en bas à droite) est le modèle se rapprochant le plus de la Terre.

Restait aux géologues à régler la température initiale dans chacune des cellules de ce globe virtuel, de manière à initier les mouvements de convection de la matière à l’intérieur du manteau, décrits par les lois de la mécanique des fluides. La simulation a ensuite permis de suivre l’évolution de ces mouvements convectifs et leurs effets sur la déformation de la surface. Devant leurs yeux, les chercheurs ont alors vu apparaître des structures aux caractéristiques comparables à celles de la Terre : reliefs montagneux de 10 km de haut, fosses sous-marines de 15 km de profondeur, présence de zones de subduction et de dorsales, apparition et disparition de supercontinents… Même la vitesse moyenne de déplacement des plaques virtuelles (quelques centimètres par an) ainsi que le flux de chaleur en surface simulé sont similaires aux valeurs observées sur notre planète. Bref, les scientifiques ont créé là une jumelle de la Terre version numérique.

La clé de ce succès pour les chercheurs a été de considérer les plaques tectoniques et le manteau comme un seul et même système. « Auparavant, on avait tendance à décrire le mouvement des plaques indépendamment de la convection du manteau, et réciproquement. Ici, nous avons simulé les deux en même temps, car la tectonique des plaques n’est autre que la manifestation en surface de la convection, les zones de subduction correspondant aux grands courants froids descendants, par opposition aux grands courants chauds ascendants venus des profondeurs. Sans imposer aucune vitesse de déplacement aux plaques en surface au début de la simulation, ces dernières se sont mises à se mouvoir tout naturellement », souligne Laurent Husson.

Des plaques motrices, mais pas toujours

Grâce à la simulation, l’équipe a pu ainsi montrer que depuis 500 millions d’années au moins, les deux tiers de la surface de la Terre se déplacent plus vite que le manteau sous-jacent, à 150 km de profondeur, et que les rôles sont inversés sur le tiers restant. Autrement dit : « dans la majorité des cas, le manteau s’oppose au mouvement de la plaque : la cause de ce déplacement se situe donc en surface, dans les zones de subduction qui tirent l’ensemble de la plaque. Dans le tiers des cas, en revanche, le manteau pousse la surface avec lui et ce sont donc les courants profonds qui sont responsables de ce mouvement », précise Nicolas Coltice. Une explication possible de ce constat serait que dans les zones de subduction, les forces qui entraînent la surface sont plus localisées et donc plus intenses alors que les forces exercées par les courants ascendants chauds sont plus étalées et donc plus diffuses.

Auparavant, on avait tendance à décrire le mouvement des plaques indépendamment de la convection du manteau, et réciproquement. Ici, nous avons simulé les deux en même temps.

Autre constat important tiré de la simulation : le rapport de force entre ces deux mécanismes a changé au cours de l’histoire de la Terre, et il s’est même inversé à intervalle régulier dans le cas des continents. « Ce que montrent nos calculs, c’est que dans les phases de construction d’un supercontinent, comme la Pangée formée il y a 300 millions d’années, les continents sont principalement poussés par les mouvements profonds du manteau alors qu’ils sont plutôt entraînés par la surface, du fait de la subduction, lors des phases où ces supercontinents se disloquent », note Laurent Husson.

Subduction contrariée

Les chercheurs avancent une explication à cette observation. « Lorsque deux continents se rapprochent, la subduction, qui a justement conduit à leur convergence, cesse. Ce faisant, ce sont les courants internes qui deviennent dominants pour déplacer les continents et créer un supercontinent. À l’inverse, lorsqu’un supercontinent est complètement formé, de nouvelles zones de subduction apparaissent qui permettent ainsi au manteau d’évacuer la chaleur. Et ce sont elles qui prennent le relais pour défaire le supercontinent », avance Nicolas Coltice. Les données recueillies sur Terre viennent d’ailleurs donner raison à cette idée.

Dans le cas de l’Himalaya par exemple, né de la collision entre les plaques indienne et eurasienne, on sait que c’est la subduction de la lithosphère océanique, aujourd’hui disparue, sous la lithosphère continentale qui a rapproché ces deux plaques à des vitesses importantes de plusieurs dizaines de centimètres par an. Depuis, cette subduction a cessé et ce sont les courants de convection profonds qui, d’après le modèle des chercheurs, continuent de faire se déplacer la plaque indienne à des vitesses beaucoup plus faibles (quelques centimètres par an), celles mesurées actuellement.

Et ce n’est pas là le seul phénomène géologique que les travaux des géophysiciens promettent d’éclairer. Les chercheurs travaillent en effet à la mise au point d’une nouvelle simulation plus réaliste encore. Avec l’objectif de reconstituer à l’identique l’évolution de notre planète – avec ses continents, ses frontières de plaques et leur vitesse de déplacement – au cours des derniers 200 millions d’années. Un clone numérique de la Terre qui dévoilerait la dynamique intime de notre planète. ♦


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