La tectonique des plaques

 

1/ Histoire de la tectonique des plaques

2/ Hypothèse de Wegener

3/ Apports des autres sciences en faveur de la théorie de Wegener

4/ La tectonique des plaques

 

 

 

1/ Histoire de la tectonique des plaques:

Les Anciens avaient une conception toute fixiste de la surface de la terre: océans et continents ont toujours occupé une position fixe durant toute l’histoire de la planète. Depuis Aristote, on croyait que la terre s’était formée par une série de grandes catastrophes, en un laps de temps très court, et qu’elle avait ainsi acquis la physionomie qu’on lui connaît aujourd’hui. Les océans et les continents avaient été dessinés une fois pour toutes! Nous appelons cette vision de la formation de la terre par une série de grandes catastrophes, le catastrophisme, une théorie qui, avec une théorie satellite, le créationisme, va dominer les esprits jusqu’au 19e siècle… et même encore de nos jours!

Bien qu’au 19e siècle, les géologues James Hutton et Charles Lyell aient tenté de montrer qu’en fait les processus géologiques sont beaucoup plus lents que ne le propose le catastrophisme et qu’il se fait de façon beaucoup plus uniforme (théorie de l’uniformitarisme), les hommes de science continuaient à croire ferme à la pérennité des mers et des continents.

Mais, au 17e siècle, les cartes géologiques de l’Atlantique étaient suffisamment précises pour que les esprits curieux et éveillés à la découverte remarquent un certain parallélisme dans le tracé des côtes de part et d’autre de l’Atlantique et tentent d’en trouver l’explication. 

*François Placet (1668):

C’est dans un mémoire intitulé "la corruption du grand et du petit monde, où il est montré qu’avant le déluge, l’Amérique n’était point séparée des autres parties du monde ", que Placet propose qu’avant le déluge il n’y avait qu’un seul bloc continental et que c’est par effondrement au centre de ce bloc que l’Atlantique a été créé et qu’il en est résulté deux blocs séparés. Aujourd’hui encore, on trouve de "savants traités ", se présentant comme répondant à la démarche scientifique, venant à la défense de cette légende!

*Antonio Snider-Pelligrini (1858):

Deux siècles après Placet, le catastrophisme garde toujours ses droits. Snider-Pelligriniparle parle de séparation et de dérive dans son livre intitulé "La création et ses mystères dévoilés ". Selon lui les continents se sont formés avant le déluge (l’archétype de la catastrophe!), en un seul bloc, du même côté de la terre, à partir d’un bloc de roche en fusion. Le déluge a mis fin à l’état d’instabilité de ce bloc en le refroidissant. Une gigantesque rupture s’est alors produite, entraînant la séparation des Amériques et du Vieux Monde.

*George Darwin (1879):

Le second fils de Charles Darwin parle lui aussi de mobilité des continents tout en étant catastrophiste: à une époque très reculée, la lune à été arrachée à la terre, y laissant la gigantesque cicatrice du Pacifique. Ce grand vide a alors entraîné une fragmentation de la croûte granitique refroidie et un glissement latéral des masses continentales.

*Frank B.Taylor (1910):

Bien qu’on attribue la paternité du concept de la dérive des continents à Alfred Wegener, Frank Taylor fut le premier, en 1910, 5 ans avant Wegener, à formuler l’hypothèse que l’Atlantique a été formé par la séparation de deux masses continentales qui ont dérivé lentement l’une par rapport à l’autre. Taylor a fondé son hypothèse sur la similitude du tracé des côtes de part et d’autre de l’Atlantique, mais aussi sur le fait qu’on retrouve des chaînes de montagnes sur les marges continentales opposées aux marges atlantiques, comme par exemple les Rocheuses en Amérique du Nord et les Andes en Amérique du Sud. Ces chaînes se seraient formées par un effet de "bulldosage " causé par la dérive des continents. Mais la démonstration de Taylor est apparue trop compliquée et n’a pas réussi à convaincre ses contemporains.

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2/ Hypothèse de Wegener:

Idée d’un déplacement latéral des continents ou dérive des continents:

C’est une théorie proposée au début du siècle par le physicien météorologue allemand Alfred Wegener, pour tenter d’expliquer, entre autres, la similitude dans le tracé des côtes de part et d’autre de l’Atlantique. Il suggéra un glissement des blocs continentaux sur les matériaux constituants les fonds océaniques sous l’effet des forces liées à la rotation de la terre. Il conclut l’idée qu’autrefois l’Afrique et l’Amérique n’étaient qu’un seul et même bloc "la Pangée " (aujourd’hui, on utilise une reconstitution plus juste de la Pangée, celle de Bullard et coll) qui se serait fragmenté en deux parties lesquelles se seraient ensuite éloignées l’une de l’autre: c’est la théorie de la dérive des continents. Wegener avançait, pour appuyer sa théorie, des "preuves " ou arguments  de différentes sortes:

*Arguments géographiques:

L’emboîtement possible de certains blocs continentaux aujourd’hui séparés par des domaines marins suggère qu’ils furent un jour réunis. L’exemple le plus clair est offert par la complémentarité des côtes de l’Afrique et de l’Amérique du sud qui auraient commencé à se séparer au cours du Crétacé ainsi que l’Amérique du nord et l’Europe, celles-ci restant toujours soudées à leur extrémité Nord jusqu’au Quaternaire.

*Arguments géologiques :

Wegener a remarqué non seulement une correspondance entre les côtes, mais aussi une concordance entre les structures géologiques à l’intérieur des continents, un argument lourd en faveur de l’existence du mégacontinent Pangée. La correspondance des structures géologiques entre l’Afrique et l’Amérique du sud appuie l’argument de Wegener. La situation géographique actuelle des deux continents montre la distribution des anciens blocs continentaux (bouclier) ayant plus de 2 Ga (milliards d’années).

Autour de ces boucliers, les chaînes de montagnes plus récentes ont des âges allant de 450 à 650 Ma. Les traits indiquent le "grain" tectonique de ces chaînes. A remarquer, dans les régions de Sao Luis et de Salvador au Brésil, la présence de petits morceaux de bouclier. Le rapprochement des deux continents montre qu’en fait les deux petits morceaux des zones de Sao Luis et de Salvador se rattachent respectivement aux boucliers ouest-africain et angolais, et qu’il y a aussi une certaine continuité dans le grain tectonique des chaînes plus récentes qui viennent se mouler sur les boucliers.

La correspondance des structures géologiques entre l’Amérique du Nord et l’Europe confirme aussi l’idée de Wegener. Les trois chaînes de montagnes, Appalaches (Est de l’Amérique du Nord), Mauritanides (Nord-Est de l’Afrique) et Calédonides (Iles britanniques, Scandinavie), aujourd’hui séparées par l’océan Atlantique, ne forment qu’une seule chaîne continue si on rapproche les continents à la manière de Wegener. Les géologues savent depuis longtemps qu’effectivement ces trois chaînes ont des structures géologiques identiques et qu’elles se sont formées en même temps entre 470 et 350 Ma.

*Arguments paléontologiques :

On retrouve de part et d’autre de l’Atlantique, sur les continents actuels, des fossiles de plantes et d’animaux terrestres datant de 240 à 260 Ma. Ces organismes n’avaient pas la capacité de traverser un si large océan. On doit donc concevoir qu’autrefois tous ces continents n’en formaient qu’un seul, la Pangée, présentant des aires de répartition des organismes plus cohérentes que les aires actuelles.

*Arguments paléoclimatiques:

On observe, sur certaines portions des continents actuels, des marques de glaciation datant d’il y a 250 Ma, indiquant que ces portions de continents ont été recouvertes par une calotte glaciaire. Le rassemblement des masses continentales donne un sens à la répartition de dépôts glaciaires datant d’il y a 250 Ma, ainsi qu’aux directions d’écoulement de la glace, relevées sur plusieurs portions de continents. La répartition, selon la géographie actuelle montre les zones glaciées.

Il est plus qu’improbable qu’il ait pu y avoir glaciation sur des continents se trouvant dans la zone tropicale (Sud de l’Afrique, Inde). De plus, il est anormal que l’écoulement des glaces se fasse vers l’intérieur d’un continent (des points bas vers les points hauts ; cas de l’Amérique du sud, de l’Afrique, de l’Inde et de l’Australie).  La répartition sur la Pangée montre que le pôle sud était recouvert d’une calotte glaciaire et l’écoulement de la glace se faisait en périphérie de la calotte.

 Le géophysicien Wegener était bien au fait que la croûte continentale était plus épaisse sous les chaînes de montagnes que sous les plaines, et que cette situation répondait au principe de lIsostasie, qui veut qu’il y ait un équilibre entre les divers compartiments de l’écorce terrestre dû aux différences de densité. Il en conçut l’idée que les continents "flottaient" sur un médium mal défini et qu’ainsi ils pouvaient dériver les uns par rapport aux autres. Les contemporains de Wegener n’ont pas été convaincus de cette proposition révolutionnaire de la dérive des continents; l’opposition fut vive. En fait, Wegener a démontré de façon assez convaincante qu’un jour, les continents actuels ne formaient qu’un seul mégacontinent, mais il ne démontrait pas que ceux- ci avaient dérivé lentement depuis les derniers 200 Ma. A la limite, on pourrait tout aussi bien invoquer certains scénarios des catastrophistes pour expliquer les constatations de Wegener. Le problème majeur, c’est qu’il ne proposait aucun mécanisme pour expliquer la dérive. Il démontrait bien que la répartition actuelle de certains fossiles, de traces d’anciennes glaciations ou de certaines structures géologiques soulevaient des questions importantes auxquelles il fallait trouver des explications. Mais ces constatations ne sont pas suffisantes pour démontrer que les continents ont dérivé. Notons, qu’à l’inverse, si les continents ont dérivé, il est nécessaire qu’il y ait un appariement entre les structures géologiques et la répartition des fossiles.

Remarque :

Il faut signaler que l’hypothèse de Wegener était une hypothèse génératrice de science, parce que les questions soulevées sont suffisamment sérieuses et fondées sur des faits réels pour qu’on s’attache à y répondre. Mais il aura fallu attendre plus de 40 ans pour que les idées de Wegener refassent surface et qu’on se mette à la recherche du mécanisme de dérive qui lui manquait. Entre autres il avait manqué à Wegener les données fondamentales sur la structure interne de la Terre.

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3/ Apports des autres sciences en faveur de la théorie de Wegener :

* Le paléomagnétisme:

L’étude de l’aimantation des roches ou paléomagnétisme, reçut une grande impulsion dans les années 40 et au début des années 50 due au désir des chercheurs de parvenir à la compréhension du champ magnétique terrestre actuel.

Certains types de roches comme les laves basaltiques, très riches en fer sont aimantées par le champ magnétique terrestre lorsqu' une éruption les a amenées à la surface, elles se refroidissent, leurs cristaux d’aimatite s’orientent selon la direction du champ magnétique terrestre.

Certains résultats curieux furent obtenus vers les années 50 par des équipes de recherche de Cambridge et de l’Impérial Collège de Londres. Le groupe de Cambridge put mettre en évidence, grâce à des échantillons de roches européennes d’âge très divers, un déplacement régulier du pôle Nord avant le tertiaire supérieur. Le pôle s’est lentement déplacé vers le Nord –Ouest pour gagner sa position actuelle, la dérive du pôle Nord est apparente depuis le précambrien jusqu’à l’époque actuelle.

La découverte de cette migration apparente des pôles constituait un résultat surprenant étant donné que la géophysique traditionnelle s’était fermement prononcée en faveur de la fixité des pôles. La migration des pôles indique donc un changement de la latitude des continents. Le paléomagnétisme a démontré la dérive des continents, argumentée au début du XXe siècle par Wegener: à un moment donné de l’histoire géologique, les pôles requis par les roches de divers continents, différents des pôles actuels, sont aussi différents entre eux, preuve de ce que les continents se sont déplacés les uns par rapport aux autres. Les anomalies magnétiques océaniques, parallèles aux Rifts (médio-océaniques), ont permis de calculer le taux de création de la croûte océanique, en admettant qu’elle "fossilisent " les inversions de polarité du champ magnétique terrestre, dont le calendrier a été établi par ailleurs; ainsi a été démontrée et calculée l’expansion océanique.

* La sismologie :

Bien que les séismes soient des phénomènes naturels, ils dénotent également que les plaques de la Terre continuent à se mouvoir comme elles le font depuis des milliards d’années. La tectonique des plaques joue un rôle considérable dans la genèse des séismes, car le déplacement lent de ces plaques provoque de grandes vibrations et une chaleur intense qui entraînent des tremblements de terre. Les forces qui engendrent ces mouvements sont aussi à l’origine de trois différents type de zones ou limites lorsque ces plaques se rencontrent: une zone de subduction, une dorsale ou zone d’expansion et une zone de failles transformantes (ces zones seront définies ultérieurement). En général, la plupart des séismes, et les plus importants, surviennent le long des zones de subduction et, surtout, des failles transformantes en bordure des plaques.

Les résultats de la sismologie et les données du paléomagnétisme ont fondé la tectonique des plaques, selon laquelle l’expansion océanique ou accrétion, est compensée par la subduction, génératrice d’arcs insulaires et de cordilières ou annonciatrice de collisions continentales d’où naissent les chaînes alpino-himalayennes de type téthysien.

Après que quelques mesures lasers au sol eurent commencé de confirmer ces mouvements, ce sont les données acquises grâce à des satellites qui ont permis d’en donner une mesure systématique en temps réel : par interférométrie spatiale à partir du sol sur des sources lointaines ou grâce aux satellites de positionnement, dont la précision est devenue centimétrique. Les résultats de cette géodynamique mesurée ont confirmé ceux de la géodynamique moyennée sur plusieurs millions d’années: expansion océanique et dérive des continents se mesurent en centimètre par an, aujourd’hui comme hier. Cette actualisation de la géodynamique a ouvert une ère nouvelle dans l’étude des mouvements et des déformations de l’écorce terrestre.

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4/ La tectonique des plaques:

*Qu’est ce qu’une plaque?

Les zones actives (dorsales et zones de subduction), étroites et allongées, divisent l’enveloppe externe de la Terre ou lithosphère, en un ensemble de blocs, chacun d’eux représentant une zone stable, peu active. Ces portions de lithosphères rigides et indéformables sont des plaques. Elles sont en mouvement les unes par rapport aux autres, ce qui explique les séismes à leurs frontières. Ces plaques lithosphériques se déplacent en glissant sur l’asthénosphère sous-jacente, constituée de matériaux plastiques et déformables, pouvant se désolidariser de la lithosphère. La carte des plaques correspond à la carte des séismes: leurs limites n’ont aucun rapport avec la distribution géographique des océans et des continents. Si la plaque Pacifique est constituée uniquement de lithosphère océanique, la plupart des autres comprennent à la fois lithosphère continentale et océanique: par exemple, la plaque nord-américaine s’étend jusqu’à la dorsale médio-atlantique.

*Les mouvements du manteau:

Les mécanismes déterminant la mobilité des plaques sont complexes et mettent en jeu de vastes mouvements impliquant le manteau. Il est aujourd’hui admis que le manteau, pourtant solide mais déformable, est animé de lents mouvements de matière. Ceux-ci sont provoqués par les différences de température existant entre la base du manteau et les parties superficielles de la Terre. Ils sont analogues à ceux déclenchés dans un récipient d’eau placé sur un réchaud: au fond du récipient, l’eau chauffée devient moins dense; elle monte vers la surface où elle se refroidit avant de plonger à nouveau. Ces mouvements, qui assurent des transferts de chaleur liés à des transferts de matière, sont des courants de convection.

* L’expansion océanique:

£/ Les anomalies magnétiques des planchers océaniques :

Lors des premières phases de l’exploration des fonds océaniques, les relevés de l’intensité du champ magnétique à l’aide d’un magnétomètre traîné à l’arrière d’un bateau avaient montré l’existence sur ces fonds d’une alternance de bandes parallèles de magnétisme faible et de magnétisme élevé. Cette situation s’expliquait mal.

Au début des années 1960 Vine Matthews et Morlay ont apporté l’explication voulue et montré que l’existence de ces bandes d’anomalie magnétique venait supporter l’hypothèse de l’étalement des fonds océaniques de Hesse. La formation de lithosphère océanique à la dorsale enregistre la polarité du champ magnétique terrestre au moment où cristallise le basalte. Le plancher océanique qui s’étale se comporte comme la bande magnétique d’un magnétophone qui fixe le son (ici, la polarité du champ magnétique) au fur et à mesure de son déroulement. Ce sont ces différences de polarité magnétique qui sont responsables des anomalies de l’intensité du champ. La polarité actuelle étant normale, les bandes d’intensité élevée correspondent aux bandes de polarité normale, résultant d’un effet d’addition, alors que les bandes d’intensité faible correspondent aux bandes de polarité inverse, résultant d’un effet de soustraction.

£/ Age de la croûte océanique :

L’âge de la croûte océanique est celui des basaltes qui la constituent. La croûte océanique la plus ancienne n’excède pas 200 millions d’années, alors que l’âge des roches continentales les plus anciennes atteint 3.8 milliards d’années. L’épaisseur des dépôts sédimentaires recouvrant les basaltes est toujours faible, dépassant rarement un kilomètre, ce qui est en relation avec ces âges relativement récents. Cette jeunesse des fonds océaniques suggère qu’ils se renouvellent au cours des temps géologiques.

La croûte océanique la plus récente se situe au niveau de l’axe des dorsales. L’âge des basaltes augmente de manière symétrique lorsqu’on s’écarte de part et d’autre de la dorsale. Des zones correspondant à une même période géologique dessinent donc des bandes parallèles à la dorsale et symétriques de part et d’autre de celle-ci (au large du Japon pour l’océan Pacifique). L’axe des dorsales correspond donc à une zone de formation de la croûte océanique. Une fois formée, celle-ci est progressivement écartée de part et d’autre de l’axe dont elle s’éloigne dans un mouvement évoquant un double tapis roulant.

£/ Activité magmatique des dorsales :

Les deux flancs d’une dorsale dessinent un vaste bombement dominant les plaines abyssales voisines. La prospection sismique montre que ce bombement est lié à une remontée de l’asthénosphère sous l’axe de la dorsale. Celle-ci explique que les dorsales constituent des zones anormalement chaudes du globe. La zone axiale marquée par de nombreux séismes superficiels présente des escarpements activement faillés en panneaux effondrés ou surélevés qui montrent que la zone est soumise à un mouvement d’ensemble d’étirement ou de divergence.

A l’axe des dorsales, sont émises des coulées basaltiques de chambres magmatiques situées sous la zone axiale. Celles-ci sont alimentées de manière discontinue par les magmas issus de l’asthénosphère. Une partie du magma s’épanche en surface à la faveur des fractures affectant la dorsale. L’autre partie refroidit lentement dans la chambre, où il cristallise donnant les gabbros. Une arrivée magmatique ultérieure provoque l’écartement des matériaux nouvellement solidifiés et qui divergent de part et d’autre de l’axe de la dorsale. La formation de la croûte océanique à partir de matériaux issus du manteau asténosphérique s’appelle l’accrétion océanique. La vitesse d’accrétion ne dépasse pas 4 cm par an dans le cas des dorsales dites lentes, comme la dorsale médio-Atlantique. Elle peut être supérieure à 10 cm par an dans le cas des dorsales rapides, comme la dorsale Est-Pacifique.

Au niveau des zones continentales, l’accrétion associée à l’étirement de la croûte continentale, donne naissance à un Rift continental :

& Les rifts de l’Est africain : les grands lacs africains (Turkana, Tanganyika…) sont installés dans une série de fossés d’effondrement, limités par un réseau de grandes failles: ce sont des rifts continentaux. Dans ces rifts, apparus il y a environ 20 millions d’années, se sont accumulés des milliers de mètres de sédiments, déposés par des fleuves ou des lacs. Les fossés et leurs bordures sont le siège d’une importante activité volcanique (monts Kenya et Kilimandjaro) et sismique. Ces caractères suggèrent que la zone est soumise à une extension Est-Ouest qui se poursuit actuellement, quoique très ralentie.

& Un rift aérien : le rift d’Assal: situé au nord ouest des précédents, ce rift a la particularité exceptionnelle de présenter, dans ses parties axiales, de portions de croûte océanique. En 1978, une crise sismique et volcanique a provoqué l’apparition de nouvelles failles et de fissures par lesquelles se sont épanchés des basaltes. Cette crise a été accompagnée d’un élargissement du rift, atteignant 1à 2 m.

 

& La mer Rouge: La complémentarité des côtes de la mer Rouge montre qu’elle résulte d’une ouverture progressive entre l’Afrique et l’Arabie. Les fonds de la mer Rouge sont constitués d’une croûte océanique qui se met en place depuis 20 millions d’années à partir d’une dorsale située dans sa région axiale.

*La disparition de la lithosphère océanique: la subduction

& / L’évolution de la lithosphère océanique :

L’axe des dorsales, zone relativement chaude (1300° C) définissant le début de l’asthénosphère, est atteint à faible profondeur. L’épaisseur de la lithosphère océanique, réduite à la croûte à l’axe de la dorsale, augmente quand elle s’en écarte, c’est à dire quand elle vieillit. Son refroidissement, qui accroît sa densité, et son épaississement augmentent le poids de la lithosphère qui tend à s’enfoncer de part et d’autre de l’axe médian. De ce fait, la lithosphère océanique, devient instable sur l’asthénosphère sous-jacente. Elle peut alors s’y enfoncer : c’est la subduction.

& / La subduction :

«  Les zones de disparition de la lithosphère se situent soit en bordure des continents, par exemple au large des côtes du Chili ou du Pérou, soit le long d’archipels comme celui des Mariannes ou des Tonga. Elles montrent toutes l’existence :

«  Ces phénomènes traduisent l’enfoncement de la lithosphère océanique dans l’asthénosphère selon le plan sismique. Cet enfoncement peut se faire :

«  Les zones de subduction marquées par la présence des fosses sont des frontières de convergence, où l’une des plaques plonge dans l’asthénosphère. La subduction ne concerne que la lithosphère océanique, seule susceptible de s’enfoncer dans l’asthénosphère du fait de sa densité plus élevée.

«  La convergence conduit par fois à l’affrontement ou à la collision de blocs continentaux qui ne peuvent s’enfoncer par subduction. Les frontières de convergences sont des zones où peuvent se former des chaînes de montagnes.

Depuis longtemps, les géologues ont été intrigués par la présence dans les Alpes de roches très différentes de celles constituant la croûte continentale. Une randonnée géologique au mont Chenaillet qui domine la station du Montgenèvre, dans la région de Briançon ou au mont Viso, qui ferme la vallée du gui, permet d’échantillonner des associations de péridotites, de gabbros et de basaltes en pillow-lavas. L’altération donne fréquemment des teintes vertes à ces ensembles de roches appelées ophiolites.

Les informations venues des océans ont permis de mieux comprendre l’origine de ces roches : elles pourraient représenter des fragments de croûtes océaniques. Comment expliquer alors la position actuelle de ces anciens fonds océaniques, aujourd’hui portés à une altitude considérables, au cœur des chaînes de montagnes? L’interprétation de la formation des chaînes de montagnes dans le cadre de la tectonique des plaques, fournit une voie d’explication: ces ophiolites constitueraient des vestiges du domaine océanique qui séparait les deux marges continentales avant leur collision. Celui-ci a pour l’essentiel disparu par subduction mais certaines parties pourraient avoir été charriées sur l’une des marges continentales, selon un mécanisme appelé obduction.

* Les failles transformantes :

Le système des dorsales océaniques, bien que continu, est constitué en réalité d'un grand nombre de petits tronçons de dorsale, décalés par un type particulier de failles dites "transformantes". Seul est active la portion de faille située entre deux portions de dorsales adjacentes. En effet, à cet endroit, le déplacement des deux plaques en sens inverse l'une de l'autre provoque des séismes. En dehors du segment délimité par les tronçons de dorsale, la faille est passive, puisqu'elle met en contact des roches appartenant à la même plaque et se déplaçant dans le même sens. L'activité sismique y est par conséquent nulle, si ce n'est quelques mouvements et fracturations insensibles lors de réajustement topographiques. L'existence de failles transformantes est absolument nécessaire puisqu'elle permet à une dorsale océanique de décrire une courbe à la surface de la terre, ce qu'interdit le processus d'expansion.

Les plaques peuvent ainsi coulisser l'une par rapport à l'autre sans que s'observe une augmentation ou une diminution de surface. Le plus bel exemple est la Californie, Cisaillée par la faille de San Andreas, séparant la plaque Pacifique à l'Ouest de la plaque américaine à l'Est, et qui explique la sismicité de cette région.

* La formation des chaînes de montagnes:

S'il est une question qui a longtemps embarrassé les géologues, c'est bien la formation des grandes chaînes de montagnes, comme les Rocheuses, les Alpes, les Himalayas ou les Appalaches. Tout modèle explicatif de la formation d'une chaîne de montagnes se doit d'expliquer, puis d'intégrer, chacun des principaux attributs qui caractérisent toutes les grandes chaînes.

1/ Les roches sédimentaires: ce sont des roches qui proviennent de la transformation de sédiments (sable, boue,…). Elles sont très abondantes dans les chaînes de montagnes et contiennent des fossiles d'organismes marins, ce qui implique que les sédiments dont elles sont dérivées se sont déposés dans un bassin océanique.

Première conclusion : avant de se retrouver dans une chaîne de montagnes, tout le matériel sédimentaire se trouvait dans un océan.

2/ Les roches métamorphiques: sont aussi présentes dans les chaînes de montagnes, elles proviennent de transformation des roches sédimentaires sous l'effet de températures et de pressions très élevées (il faut savoir que le lieu de leur formation est la profondeur). Ces roches métamorphiques occupent une portion bien définie de la chaîne de montagnes.

Seconde conclusion : Les roches métamorphiques provenant de la transformation de roches sédimentaires en profondeur se retrouvent dans les chaînes de montagnes.

3 / Un autre attribut important des chaînes de montagnes: c'est qu'elles contiennent souvent des lambeaux de croûte océanique (ophiolites) coincés dans des failles.

Troisième conclusion: non seulement les sédiments qui forment la chaîne de montagnes se sont déposés dans un bassin marin, mais aussi, sur de la croûte basaltique.

S'il est une caractéristique commune à toutes les grandes chaînes de montagnes, c'est bien le fait que les roches y sont déformées à des degrés divers. Depuis longtemps, les géologues qui étudiaient la géométrie de la déformation dans les chaînes de montagnes savaient bien qu'il fallait des forces de compression latérales pour produire une telle géométrie. Ils devaient  donc trouver le mécanisme responsable de ces compressions ainsi que le mécanisme responsable du soulèvement de tout ce matériel déposé dans un bassin océanique qui compose la chaîne.

Le plus souvent, il y a une zone de roches sédimentaires non déformées qui jouxte la chaîne déformée proprement dite. Ces roches sédimentaires sont du même âge que celles de la chaîne et représentent habituellement d'anciens sédiments déposés sur les plateaux continentaux.

Avant la théorie de la tectonique des plaques, il y avait un superbe débat entre "horizontalistes" pour qui la formation d'une chaîne de montagnes se faisait sous l'action de forces de compression latérales, et les " verticalistes" qui eux évidemment invoquaient de grandes forces verticales. A cette époque, le mouvement des plaques était inconnu, ce qui laissait passablement de place à l'imagination!
La théorie de la tectonique des plaques vient réconcilier horizontalistes et verticalistes en proposant un modèle qui tient compte des compressions latérales et du soulèvement d'une énorme masse de matériel et en identifiant le moteur responsable des forces nécessaires à la formation d'une chaîne de montagnes déformée.

Le chevauchement progressif de la plaque océanique sur ce qui reste de la plaque océanique du côté continental concentre le matériel qui se trouve sur les fonds océaniques pour former un prisme d'accrétion qui croît à mesure de la fermeture entre l'arc volcanique et le continent.. La collision entre l'arc volcanique et le continent crée un chevauchement important de tout le matériel du prisme d'accrétion sur la marge continentale. L'activité ignée cesse et de grandes masses de roches ignées peuvent rester coincées dans la lithosphère.

Finalement, la poursuite du mouvement concentre encore plus de matériel et forme une chaîne déformée que l'on qualifie de chaîne de montagnes immature, en ce sens que la dynamique n'est pas terminée. La marge de cette chaîne immature peut se transformer en une nouvelle zone active(subduction), ce qui permet à la collision de se poursuivre et instaure du volcanisme d'arc continental sur la nouvelle chaîne.

Un bel exemple de cette dernière situation est la Cordillère des Andes, reliée à la collision de la plaque océanique de Nazca et à la partie continentale de la plaque de l'Amérique du Sud.

Mais la véritable chaîne de montagnes mature est celle qui sera formée par la collision entre deux plaques continentales. Dans cette situation, à mesure que se referme l'étau constitué par le rapprochement des deux plaques, il se construit, comme dans le cas précédent, un prisme d'accération qui croît progressivement par la concentration du matériel dans un espace de plus en plus restreint, et la chaîne de montagnes s'érige peu à peu.

Avec la collision des deux plaques et la cessation du mouvement, la chaîne a atteint sa hauteur maximum et acquis ses caractéristiques.

Il y aura une zone de roches non déformées jouxtant les roches déformées de la chaîne, parfois de façon symétrique de part et d'autre de la chaîne. Il y aura aussi des roches métamorphiques très déformées aux racines de la chaîne, car ces dernières se forment sous des températures et des pressions très élevées. On trouvera aussi des lambeaux de croûte océanique dans la région de Thelford Mines. De grandes masses de roches ignées(batholithes et plutons) resteront coincées dans la lithosphère continentale. Un des beaux exemples de chaîne de montagnes formée par la collision entre deux plaques continentales, ce sont les Himalayas qui ont été formées par la collision récente, il y a à peine 10 Ma, d'une petite plaque dont la portion continentale constitue aujourd'hui l'Inde et une grande masse continentale, l'Asie. La chaîne n' est d'ailleurs pas stabilisée puisqu'elle se soulève encore.

Ces dernières années, on s'est rendu compte que dans plusieures chaînes de montagnes, la situation n'est pas simple. Ces chaînes sont souvent composites, c'est-à-dire qu'elles sont formées d'un collage de plusieurs morceaux qui possèdent chacun leurs caractéristiques propres. Ces morceaux correspondent à des petites masses continentales, des microcontinents, qu'on appelle les terranes, une transposition du terme anglais"terranes".

Prenons comme exemple le cas de la Cordillère de l'ouest nord-américain qui est formée de plusieurs éléments accolés les uns aux autres. On a nommé ce mécanisme de construction d'une chaîne de montagnes par collages successifs, l'accrétion des terranes. Des microcontinents (terranes) d'origines variées(agglomérats d'îles volcaniques, fragments de plaques continentales) sont transportés par le tapis roulant des fonds océaniques.

Lorsqu'ils arrivent en collision avec une grande plaque continentale, ces terranes sont arrachés à la plaque qui les transporte et collés à la marge de la grande plaque continentale, car leur densité est trop faible pour qu'ils puissent être enfoncés dans l'asthénosphère. Il peut s'accumuler ainsi plusieurs de ces morceaux "exotiques".

Les grandes chaînes de montagnes se forment donc par convergence de plaques lithosphériques. On retrouve aujourd'hui des chaînes matures à l'interieur de plaques lithosphériques continentales (exemples : les Himalayas, les ourals, les Pyrénées, etc.), et c'est tout à fait normal puisqu'elles sont issues de la soudure de deux plaques continentales. Seul le cadre de la tectonique des plaques peut expliquer cette situation. Ainsi, la théorie de l'expansion de la terre(Carey,1953) ne peut rendre compte de cette présence interplaque de chaînes plissées contenant des lambeaux de croûte océanique.

Partons de ce qu'on appelle une marge continentale passive, comme par exemple celle de l'Atlantique actuelle, où s'accumule sur le plateau continental et à la marge du continent un prisme de sédiments provenant de l'érosion du continent.

En s'éloignant de plus en plus de la zone de divergence, la lithosphère devient de plus en plus dense, simplement parce qu'elle refroidit de plus en plus. Vient un moment où, sous la poussée du tapis roulant et l'augmentation de densité, cette lithosphère se fracture et l'une des lèvres s'enfonce sous l'autre, créant une zone d'obduction (contrairement à la subduction où une plaque océanique s'enfonce sous une plaque continentale, ici la plaque océanique viendra chevaucher la plaque continentale). Le mouvement de translation latérale d'une seule plaque se transforme alors en un système de collision entre deux plaques, une plaque continentale et une plaque océanique. On est passé d'une situation de marge passive à une situation de marge continentale active. Au large du continent, il se forme un arc volcanique insulaire.

CONCLUSION

La théorie de la tectonique des plaques, qui est fondée sur l'hypothèse de la dérive des continents a remarquablement réussi à donner une explication cohérente de nombreux phénomènes géologiques et à offrir une représentation intelligente de l'évolution de la terre. Mais il reste encore des inconnues la principale étant les processus du manteau reliés particulièrement aux cellules de convection qu'on tient comme le moteur de la tectonique des plaques.

- En guise de conclusion sur l'Histoire des continents et des océans...

On pourrait résumer de façon succincte l'histoire des continents et des océans à travers les temps géologiques, par les quelques points suivants:

L'Archéen, la période la plus vieille du Précambrien, a vu la formation des premiers noyaux continentaux, alors qu'au Protérozoïque, c'est l'augmentation du volume des masses continentales par leur accrétion qui a dominé.

On pourrait dire que le Paléozoïque se caractérise par : un temps, deux mouvements. Premier mouvement, c'est le démembrement du mégacontinent Rodina de la fin du Protérozoïque. Deuxième mouvement, c'est le rassemblement qui conduit à la Pangée. Ce grand rassemblement cause des collisions entre les plaques, collisions qui produisent des chaînes de montagnes, comme le système Appalaches-Calédonides, le système Mauritanides-Hercynides et la chaîne des Ourals.

On serait presque tenté de dire que l'histoire du Mésozoïque-Cénozoïque, c'est l'histoire de l'Atlantique. Mais il y a plus. C'est le démembrement de la Pangée certes, mais ici aussi des collisions de plaques ont produit des chaînes de montagnes, comme les Pyrénées, le système des Alpes et des Atlas, les cordillères des Amériques et, la petite dernière, l'Himalaya.

On vient de voir que durant les temps géologiques, il y a eu des rassemblements de continents pour former des mégacontinents, et des périodes où ces mégacontinents ont été fragmentés et leurs pièces dispersées; une sorte de valse des continents. Manifestement, la tectonique des plaques a été active pratiquement tout au long de l'histoire de la Terre, du moins depuis le Protérozoïque.

Une telle histoire suscite des questions.

Nous n'avons pas de réponses définitives à ces questions, mais au moins une hypothèse intéressante. C'est l'hypothèse avancée par les chercheurs Nance, Worsley et Moody (Pour la Science,1988) qu'on a qualifiée de "cycle des mégacontinents". Cette hypothèse veut qu'un mégacontinent comme la Pangée, par exemple, entouré de zones de subduction, reste immobile par rapport au manteau. Comme la conductivité thermique de la croûte continentale, c'est-à-dire sa capacité à transporter la chaleur, est la moitié de celle de la croûte océanique qui l'entoure, le méga continent agissant comme une plaque isolante. La chaleur s'accumule donc sous celui-ci; les matériaux prennent de l'expansion, amenant un soulèvement du continent. Il s'établit des tensions dans le continent, tensions qui vont contribuer à fragmenter la masse continentale.

Après la fragmentation, les morceaux se détachent de la masse principale et s'abaissent en s'en éloignant. La chaleur accumulée se dissipe par la croûte océanique qui possède une meilleure conductivité thermique. Un bloc immobile reste surélevé.

On considère que le continent africain actuel est un exemple d'un tel bloc. Des morceaux de l'Afrique se détachent, comme l'Arabie, au Nord-Est et tout ce qui se trouve à l'Est du Grand Rift. Il se forme, autour de ce bloc, des mers linéaires qui vont s'ouvrir progressivement et vieillir.

Pourquoi les pièces vont-elles par la suite se rassembler? L'explication tient dans le vieillissement de la lithosphère océanique aux marges d'un océan qui s'agrandit de plus en plus.

A la marge d'un océan de type Atlantique, caractérisé par une marge passive où toute la plaque se déplace dans le même sens, l'action combinée du refroidissement de la lithosphère océanique et la charge des sédiments va entraîner une subsidence accélérée qui va conduire à la création d'une zone de subduction.

La marge devient active, le mouvement de la plaque continentale est inversé et les deux plaques convergent. Les masses continentales se rassemblent à nouveau et le cycle recommence.

En se fondant sur l'âge des orogènes intérieurs (c'est-à-dire ceux qui sont issus de collisions entre deux plaques continentales) et des évidences de fragmentation généralisée, Nance, Worsley et Moody (1988, Pour la Science) ont proposé que la Pangée n'a pas été le seul mégacontinent à travers les temps géologiques, mais qu'il y a une cyclicité dans la formation de tels mégacontinents qui se sont par la suite fragmentés et démembrés.

Ils proposent l'existence de six mégacontinents: de 2,7 à 2,5 Ga, de 2,1 à 2,0 Ga, de 1,7 à 1,5 Ga, de 1,1 à 1,0 Ga, de 700 à 600 Ma (Rodina), et de 290 à 180 Ma (la Pangée), soit une périodicité voisine de 500 Ma. (Voir aussi Murphy et Nance, 1992, Montagnes et supercontinents, Pour la Science, no. 176).

 

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