Tectonique des plaques (II) : nouveaux développements

Dans ce cours de soutien scolaire SVT, zoom sur les nouveaux développements étayés de la théorie de la tectonique des plaques.

Les premières découvertes de l’exploration sous-marine.

Les premières explorations des fonds marins dévoilent une topographie très caractéristique des fonds océaniques. S’élevant au sein des plaines abyssales, les dorsales océaniques tissent à la surface du globe un réseau de près de 65000 km de chaînes montagneuses, dominant ces plaines de 2000 à de 3000 m, larges de 500 à 1500 km, parfois éventrées par un fossé central, ou « rift ». Les dorsales se signalent non seulement par leur topographie singulière mais aussi par un flux de chaleur élevé ainsi qu’une activité volcanique et sismique. Les fosses océaniques, qui sont les régions les plus profondes des océans (4 à 5 km au-dessous des plaines abyssales), sont également caractérisées par une activité sismique intense. Ces fosses bordent le Pacifique, le Nord-Est de l’océan indien mais sont presque absentes autour de l’Atlantique (sauf au niveau des Antilles et des îles Sandwich du Sud).

On découvre aussi que la croûte océanique, de faible épaisseur (5-10 km), est composée de roches basaltiques assez denses (2,8 à 2,9 g/cm3) alors que la croûte continentale, de plus grande épaisseur (30-40 km), est constituée de roches granitiques moins denses (2,7 g/cm3).

On constate enfin que les séries sédimentaires proches des dorsales sont de faible épaisseur. Les dragages à la verticale des dorsales font remonter des basaltes, preuve de la faible épaisseur des sédiments, tout comme les forages plus généraux pratiqués dans les océans qui prouvent la faible épaisseur générale des sédiments marins. Ce qui pose la question du devenir des sédiments entassés depuis l’origine du globe.

Des observations à l’hypothèse unique.

Hess, en 1960, essaie de regrouper cet ensemble de découvertes en un unique modèle. Reprenant le modèle de A. Holmes présenté trente ans auparavant, il affirme que le manteau terrestre est affecté de larges mouvements de convection et que les dorsales mettent en évidence les courants ascendants et les fosses océaniques les courants descendants. La croûte océanique est continuellement créée au niveau des dorsales. Elle est ensuite entraînée à la surface des cellules de convection, s’éloigne de part et d’autre des dorsales et finit par atteindre les fosses où elle disparaît dans le manteau. La croûte océanique est donc continuellement recyclée et c’est ce qui explique son jeune âge et la faible épaisseur des sédiments qu’elle porte.

Les continents, au contraire, à cause de leur moindre densité, ne peuvent pas retourner dans le manteau. Ils dérivent à la surface de la Terre, représentant ainsi « les mémoires insubmersibles » du globe. Hess pense que les continents se déplacent non en fendant les fonds océaniques comme le suppose Wegener, mais en étant passivement transportés sur une sorte de tapis roulant. En 1961, R. Dietz reprend la conception de Hess et introduit l’expression « sea floor spreading » c’est-à-dire l’expansion des fonds océaniques.

Le géomagnétisme vient à l’appui de la « géopoésie » de Hess.

Déjà depuis Melloni (1853), puis Bruhnes (1906), on sait que chaque roche volcanique possède sa propre aimantation acquise lors du refroidissement de la lave qui enregistre le champ magnétique terrestre de l’époque de sa naissance. De plus, depuis les travaux de Bruhnes en 1906, on sait que le champ magnétique terrestre possède une orientation qui s’inverse au cours des âges, l’orientation actuelle définissant une orientation dite « normale ». Ces déviations du champ magnétique sont donc enregistrées dans les roches océaniques et montrent des structures très particulières formant des bandes d’anomalies positives qui alternent avec des bandes d’anomalies négatives. Ces alignements sont parallèles aux dorsales et disposés symétriquement de part et d’autre de l’axe.

L’explication de ce phénomène est donnée indépendamment par L. Morley, d’une part, et par F. Vine et D. Matthews en 1963, d’autre part qui intègrent donc l’existence de ces bandes d’anomalies magnétiques nouvellement découvertes, et les inversions du champ magnétique terrestre global découvertes 60 ans auparavant mais demeurées très « confidentielles » dans le milieu géologique. Ils proposent alors que la croûte océanique, lorsqu’elle est créée au niveau des dorsales, acquiert une aimantation propre en se refroidissant. Elle s’écarte ensuite symétriquement de part et d’autre des dorsales lorsque du nouveau matériau, qui s’aimante à son tour, est injecté au centre. Si l’aimantation survient avec un champ magnétique à orientation normale, l’anomalie induite est positive (l’aimantation fossile des roches s’ajoute au champ ambiant actuel). Si, au contraire, l’aimantation survient avec un champ à orientation inverse, l’anomalie induite est négative (l’aimantation fossile se retranche au champ ambiant). Les lignes magnétiques alternées se comprennent donc par la combinaison de la divergence de la croûte océanique et des inversions du champ magnétique. Les indices de la dérive ne sont donc plus uniquement continentaux mais également océaniques.

Des compléments au modèle en construction

Age des océans et vitesse de leur expansion.

Vine et Wilson associent chaque linéation magnétique aux inversions correspondantes et, en posant que le taux d’ouverture de chaque océan est constant, ils vérifient que la largeur de chaque linéation est bien proportionnelle à la durée entre les deux inversions. L’association des linéations aux inversions correspondantes permet également de dater la croûte océanique, datation qui sera confirmée en 1968 par les forages dans le sol marin et qui montre, grâce aux micro-fossiles, que les sédiments au contact de la croûte océanique sont d’autant plus vieux qu’ils sont plus éloignés des dorsales. Vine et Wilson montrent aussi qu’en déterminant la distance entre deux linéations symétriques par rapport à la dorsale, on peut calculer le taux d’ouverture des océans.

Les failles transformantes.

Une observation surprenante à propos des linéations magnétiques fait état de discontinuités, de décalages horizontaux de plusieurs centaines de kilomètres au niveau de zones de fractures. Wilson remarque en 1965 que ces décalages se retrouvent pour l’axe de la dorsale, et il les interprète en introduisant le concept de faille transformante. Les failles transformantes permettent de relier des segments de dorsales ou de fosses entre eux, ou même de joindre une dorsale à une fosse. Elles présentent toujours une partie active (entre les segments de dorsales ou de fosses, où les deux morceaux de croûte de part et d’autre de la faille se déplacent en sens opposé) et une partie passive (où les deux morceaux de croûte se déplacent dans le même sens mais en présentant un décalage horizontal).

Sismologie, subduction et notion de plaques.

En 1935, Wadati observe que les séismes de différentes profondeurs (faible en jaune, intermédiaire en rouge et grande en noire) qui ont lieu le long de la fosse océanique du Japon, suivent un plan incliné. Ce que H. Benioff généralise en 1949.

Ces observations soulèvent cependant un problème: les séismes les plus profonds sont enregistrés dans le manteau. Or, compte tenu de la profondeur, de la température et de la pression dans le manteau, la roche devrait être non cassante, donc non génératrice de séismes. Cette incohérence ne sera résolue qu’en 1967 par J. Oliver et B. Isacks qui, grâce à l’étude de la propagation des ondes, proposeront que ce phénomène est dû à la plongée de la lithosphère (= croûte + manteau supérieur lithosphérique) dans le manteau asthénosphérique. Ces régions seront alors appelées zones de subduction.

En 1954, B. Gutenberg et C. Richter constatent que les séismes ne sont pas uniquement répartis selon des bandes étroites, mais se retrouvent aussi dans des régions telles que les chaînes de montagnes, les dorsales, les failles transformantes et les fosses. Les séismes découpent des grandes zones à la surface du globe dont les frontières sont constituées par ces différentes zones.

C’est en 1967 que J. Morgan rassemble toutes les données présentes à son époque et propose que la terre est composée de plusieurs blocs rigides qui peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres. La même année, D. Mc Kenzie et R. Parker développe la même analyse mais parle de plaques. En 1968, X. Le Pichon, divise, pour la première fois, la surface du globe en quelques plaques lithosphériques dont il détermine les frontières à partir de l’activité sismique et volcanique.

En se fondant sur les études de Vine et Morley, Le Pichon calcule la position du pôle nord magnétique et de ses mouvements relatifs depuis 120 millions d’années. Il montre ainsi que les mouvements des fonds océaniques, déterminés à partir des linéations magnétiques, peuvent se modéliser en termes géométriques simples. Par la suite, ces mêmes procédés permettent par simple « fermeture » des océans de reconstruire les positions successives des continents depuis 240 millions d’années, date où, comme l’avait supposé Wegener, ils formaient un unique supercontinent nommé Pangée qui s’est ensuite disloqué.