Les plaques tectoniques sont constituées d'unelithosphère océanique et/ou continentale, caractérisée par les croûtes des mêmes noms respectifs, sous lesquelles se trouve la zone rigide du manteau supérieur.
Le mouvement de ces plaques est possible du fait que la lithosphère, rigide, repose sur l'asthénosphère sous-jacente, partieductile du manteau supérieur. Ce mobilisme lithosphérique est l'expression des mouvements deconvection qui animent le manteau terrestre, mécanisme permettant à la Terre de dissiper sa chaleur interne vers la surface.
L'ouverture de l'Atlantique, illustration de Snider-Pellegrini.Modèles fixistes.Carte de répartition de la faune et de la flore fossiles mettant en évidence l'existence duGondwana, d'après les travaux d'Eduard Suess.Modèle mobiliste de Wegener.
Pendant plusieurs siècles, lessciences de la Terre ont été dominées par la théorie fixiste qui repose sur le constat de l'état solide de la quasi-totalité duglobe terrestre et de la surface terrestre qui présente une géométrie immuable, stable.
Dès 1596, dans son ouvrageThesaurus geographicus, le cartographe anversoisAbraham Ortelius remarque la ressemblance du tracé des côtesaméricaines etafricaines. Il émet l’hypothèse que cescontinents ont autrefois été réunis et qu’ils ont été séparés à la suite d'inondations et de séismes.Francis Bacon souligne également cette complémentarité en 1620. Dans laCorruption du grand et petit Monde (1668), le père François Placet affirme que la séparation de l'Amérique du reste des continents s'est produite pendant ledéluge universel[1]. En 1756, le théologien allemandTheodor Christoph Lilienthal(de) trouve la confirmation biblique de cette séparation en interprétant avec peu de vraisemblance un passage dulivre de la Genèse[2].
Une première étape vers une vraie théorie de la dérive des continents revient en 1858 au géographeAntonio Snider-Pellegrini dans son mémoire intituléLa Création et ses mystères dévoilés. Il propose une première ébauche d'explication rationnelle de la complémentarité descôtes d'Europe et d'Amérique du Nord par la ressemblance desfloresfossiles duCarbonifère dans ces deux continents. Pour Snider, un bloc primitif deroches en fusion aurait occupé une seule face de la Terre puis, refroidi, se serait rompu, créant l'Atlantique qui sépare les deux continents ; ceux-ci se seraient ensuite déplacés à la surface de la Terre. Cependant Snider, tenant de l'orthodoxie chrétienne, invoque encore la théorie ducatastrophisme pour attribuer le phénomène du refroidissement auDéluge[3].
La théorie fixiste reste cependant dominante et seuls les déplacements verticaux demeurent expliqués. LegéologueLéonce Élie de Beaumont développe l'hypothèse de « systèmes de soulèvement » pour expliquer l'orogenèse. À la fin duXIXe siècle,Eduard Suess remplace l'hypothèse des « soulèvements » par celle des « affaissements » : adepte de la théorie de la contraction de la Terre[4], il propose que les montagnes résultent de plissements tandis que les océans proviennent de l'effondrement desponts terrestres. Cependant, plusieurs contraintes (distribution bimodale des altitudes[a], quasi constance de la gravité à la surface du globe) rendent ces modèles fixistes inopérants[5].
Le géologueFrank Bursley Taylor formule en 1908, dans une communication à laSociété américaine de géologie, l'hypothèse de la dérive continentale, se fondant sur le fait qu'on retrouve des chaînes de montagnes sur les marges continentales opposées des côtes atlantiques, comme les Rocheuses en Amérique du Nord et les Andes en Amérique du Sud. Ces chaînes se seraient formées par un effet de boutoir causé par la dérive des continents.
Le, le météorologue allemandAlfred Wegener, sans connaître semble-t-il les travaux de Taylor, présente à la Société géologique de Francfort-sur-le-Main un exposé cohérent et argumenté de la théorie de ladérive des continents, avec plusieurs éléments de démonstration, ce qui explique que la paternité de cette théorie lui est attribuée[6]. Pour lui, unsupercontinent, laPangée (mot formé de deux noms grecs, Pan, et gê,Terre tout entière) s'est disloqué au début de l'ère secondaire, entraînant l'ouverture de l'Atlantique Nord et la séparation de l'Antarctique, puis l'ouverture de l'Atlantique Sud. Depuis cette ère, les masses continentales issues de cette fragmentation dériveraient à la surface de la Terre, telles des radeaux. Wegener publie un ouvrage en 1915,Genèse des océans et des continents : théories des translations continentales, dans lequel il précise les nombreuses preuves sur lesquelles il s'appuie : preuves morphologiques (emboîtement des formes des continents, comme la corne nord-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 descratons faits detonalites ou boucliers qui datent duPaléozoïque), 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 durant l'ère Paléozoïque) et paléontologiques (même faune et flore du primaire au rang desquelles lesmésosaures, les cygnonatus et lesglossoptéris, sorte de fougère à graines du Paléozoïque).
Cette intuition, pourtant étayée par des arguments interdisciplinaires convaincants, est rejetée par une bonne partie de la communauté scientifique (Du Rietz(de),Ludwig Diels ouHarold Jeffreys) et ne trouve que peu de partisans, telRené Jeannel[7]. Wegener échoue en effet dans sa théorie cinématique (théorie mobiliste plus descriptive que causale) à fournir une cause plausible de cette dérive. Il pense que lacroûte continentale seule se déplace, en glissant directement « dans » ou « à la surface de » lacroûte océanique. Mais, dans cette vision théorique marquée encore par un certain fixisme (la dérive des continents de Wegener est d'abord une théorie de la permanence des continents), la dérive se caractérise par la formation de trous béants. Wegener propose comme explication le broutage des continents sur le fond des océans pour expliquer la dérive. De plus, l'hypothèse des « radeaux » desial flottant sur lesima visqueux n'est pas acceptable car les sismogrammes démontrent que le sima est solide. Enfin, les forces imaginées par Wegener (forces centrifuges de lafuite des pôles,force d'Eötvös,effet de marée) pour faire dériver les continents sont trop faibles pour vaincre leur rigidité[8].
Les mécanismes et la morphologie interne de la Terre sont à cette époque encore inconnus pour une interprétation plausible de la dérive. De plus, les géologues considèrent implicitement les fonds marins comme ayant une nature identique à celle des continents[9].
Jean Goguel publie en 1942 sonIntroduction à l'étude mécanique des déformations de l'écorce terrestre ; en 1952, il publie sonTraité de tectonique. L'hypothèse desmouvements de convection dans le manteau, émise parArthur Holmes en 1945, propose un moteur plausible à ces déplacements de continents.
L'hypothèse dudouble tapis roulant marque une véritable révolution des sciences de la Terre[b] et affine le concept primitif dedérive des continents de Wegener. Ce dernier fait des blocs continentaux (formés decroûte continentale) le moteur de la dérive des continent alors qu'ils perdent ce rôle au profit des océans selon Hess. Pour celui-ci, les continents sont incorporés dans lalithosphère comme des morceaux de bois dans la banquise et sont entraînés passivement au gré des ouvertures et fermetures des océans.
Mise en place de la théorie de la tectonique des plaques
Carte des anomalies magnétiques du plancher océanique.
Différentes observations permettent de vérifier l'hypothèse de l'expansion océanique.
En 1958 et 1961, les océanographesRon G. Mason(en) et Arthur D. Raff mettent en évidence des bandes d'anomalies magnétiques symétriques par rapport à l'axe des dorsales océaniques, corrélables avec les phénomènes d'inversion du champ magnétique terrestre[11],[12]. LegéophysicienDrummond Matthews et son étudiantFrederick Vine interprètent cette disposition surnommée « peau de zèbre » comme la confirmation de l'hypothèse d'Hess : l'accrétion de matériaumantellique au niveau des rifts et la dérive de lacroûte océanique portée par lemanteau sous-jacent qui agit comme un tapis roulant de part et d'autre du rift, sont à l'origine de cette disposition caractéristique[13].
Dès lors se met en place la théorie synthétique de la tectonique des plaques, qui donne une explication globale à l'expansion océanique et à la sismicité des zones des fosses océaniques en modélisant le mouvement relatif deplaques tectoniques sur la sphère terrestre. En 1965, le géophysicienTuzo Wilson développe le concept defaille transformante, ce qui lui permet de découper la surface de la Terre en une mosaïque de plaques (qu'il nomme « plaques lithosphériques ») en mouvement les unes par rapport aux autres[14]. En 1967,Dan Peter McKenzie détaille le moteur de cette tectonique, laconvection mantellique[15], et avec son collègue Parker contraint le modèle avec des problèmes géométrique relatifs auxmouvements sur sphère[16].William Jason Morgan suggère en 1968 que la tectonique terrestre peut être modélisée par un nombre réduit de plaques tectoniques (six gros blocs rigides et douze plus petits)[17]. La même année, legéodynamicienfrançaisXavier Le Pichon propose un modèle composé de six plaques et montre leurs mouvements relatifs depuis 120 millions d'années[18]. Enfin,Jack Oliver et son étudiant Bryan Isacks parviennent à expliquer la sismicité sur tout le globe terrestre par le modèle de la tectonique des plaques[19], ce qui finit de convaincre la majorité des scientifiques à rejeter le paradigmefixiste et embrasser la toute nouvelle théorie[20].
Identification des principales plaques tectoniques
Outre ces plaques majeures, des études plus détaillées ont conduit à distinguer un certain nombre de plaques secondaires, de moindre importance. En effet, les limites des plaques ne sont pas toujours bien définies et l'on parle de frontière de plaque « diffuse »[22].
La recherche dénombre quinze plaques principales en 2015[23].
En 2016, lessimulations numériques réalisées par Mallardet al. montrent que les plaques tectoniques sont au nombre de cinquante-trois : sept grandes plaques (l’Amérique du Nord, l’Amérique du Sud, l’Afrique, l’Eurasie, le Pacifique, l’Australie et l’Antarctique), couvrant 94 % de la surface du globe, entre lesquelles se trouvent quarante-six petites plaques complémentaires[24],[25].
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On admet à présent que les plaques tectoniques sont portées par les mouvements dumanteau asthénosphérique sous-jacent, et subissent des interactions dont les trois types principaux sont la divergence, la convergence, et le coulissage. À ces trois types d'interaction sont associées les trois grandes familles defailles :
Une zone d'extension apparaissant dans unelithosphère continentale conduit transitoirement à la formation d'unrift. L'activité du rift peut cesser rapidement, mais si elle se poursuit l'éloignement des deux bords de la lithosphère crée un vide qui est comblé par de lalithosphère océanique, créant à terme un nouvel océan.
Quand les lithosphères continentales se sont suffisamment séparées, la zone de divergence se retrouve en milieu océanique, et sépare deux lithosphères surmontées decroûte océanique. Une telle zone de divergence océanique éloigne deux plaques l'une de l'autre, couplé à une remontée du manteau permettant la formation continue de lithosphère océanique. Leur frontière divergente correspond à uneride océanique oudorsale, lieu de création de lithosphère océanique et théâtre devolcanisme intense.
En dehors de leurs bordures, les plaques sont rigides, de géométrie fixe : s'il y a des zones de divergence créant de la surface terrestre, il y a nécessairement aussi des zones de convergence où la surface terrestre disparaît. Les zones de divergence sont donc nécessairement accompagnées de zones de convergence.
Les zones de convergence sont la principale source d'orogenèse. La formation de montagnes continentales à partir de zones de convergence est un mécanisme à quatre temps.
Une zone de convergence impliquant deuxlithosphères océaniques conduit l'une à plonger sous l'autre, dans un mouvement desubduction. La plaque inférieure s'enfonce dans unefosse océanique, et sur la bordure de la plaque supérieure se forme unarc volcanique. C'est la situation de lafosse des Mariannes, ou desÎles Kouriles. Dans ce type de convergence, la plaque inférieure se raccourcit, et la plaque supérieure reste stable.
Si lacroûte océanique de la plaque inférieure se prolonge par unecroûte continentale, l'entrée de cette dernière dans lafosse océanique conduira transitoirement à une situation d'obduction : la croûte océanique supérieure passe au-dessus de la croûte continentale inférieure. Cette situation est transitoire, parce que la croûte continentale, moins dense, ne peut pas s'enfoncer et bloque le mouvement de convergence. Si la convergence se poursuit, c'est la croûte continentale (moins dense,d = 2,7), éventuellement chevauchée par des roches d'origine océanique, qui prendra le dessus, et la croûte océanique (la plus dense,d = 3,2) plongera à son tour dans un mouvement desubduction inversé, conduisant à unemarge continentale active, oumarge de convergence.
Une marge continentale active est une zone de convergence qui met en contact unelithosphère continentale supérieure et une lithosphère océanique plongeant sous celle-ci dans unefosse de subduction. 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 volcanismeandésitique (généralement explosif), de nombreux tremblements de terre et surtout la formation des plis et des failles.
Enfin, si la convergence le long d'une marge continentale active a consommé toute lacroûte océanique, elle conduit à une zone decollision, là où deux croûtes continentales se confrontent. Le moteur du mécanisme de subduction 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 laplaque indienne et laplaque eurasiatique ; cette rencontre s'est produite il y a65 millions d'années à la faveur de la migration du continent indien. Les Alpes et les chaînes de l'Atlas sont des exemples de chaînes 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 à la formation de masses continentales de plus en plus importantes.John Tuzo Wilson a montré que les continents grandissent par uncycle de Wilson, une série d'étapes quasi périodiques où les plaques tectoniques se dispersent puis s'agrègent.
Le « coulissage » ou « transcurrence » est le glissement horizontal de deux plaques, l'une à côté et le long de l'autre. Il s'agit donc d'un déplacement latéral d'une plaque contre une autre.
Le décrochement peut notamment se produire entre deux lithosphères continentales, le long d'unefaille. Le coulissage de la faille produit des séismes très violents, dus au frottement rugueux le long de failles profondes et peu rectilignes. Lafaille de San Andreas en Californie et lafaille nord-anatolienne en Turquie en sont deux exemples.
Comme indiqué ci-dessus, une dorsale océanique est toujours formée de segments de divergence, séparés par des failles transformantes ; cependant ces failles transformantes océaniques associées aux dorsales ne produisent que des séismes de faiblemagnitude, étant très rectilignes et sur des zones de croûte océanique de faible épaisseur.
Des zones de décrochement transformantes peuvent également être associées à la limite entre plaques océaniques et plaques continentales, comme pour laplaque caraïbe et laplaque Scotia.
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. L'origine de la force qui rend les plaques mobiles est discutée :
elle peut être liée sur toute la surface de la plaque 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) ;
elle peut être due au poids de la lithosphère entraînée par subduction, quitire vers la zone de convergence tout le reste de la plaque (écoulement gravitaire) ;
elle peut être due à l'altitude plus élevée de la lithosphère au niveau de la dorsale (écoulement gravitaire), qui induit une poussée sur le bord de la plaque à la ride (la formation de la lithosphèrepousse 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.
L'animation ci-dessus montre la dislocation de laPangée depuis leTrias. Dans un premier temps, ce supercontinent se sépare enLaurasia etGondwana. La Laurasia se fragmente en Amérique du Nord et Groenland d'une part et Eurasie d'autre part, tandis que du Gondwana se détache successivement la Nouvelle-Zélande, l'Inde, puis le bloc Australie-Nouvelle-Guinée, avant que ce continent ne se partage entre Amérique du Sud, Afrique et Antarctique. Cette dislocation aboutit à une recomposition des continents puisque, par exemple, l'Inde fusionne avec l'Eurasie, suivie par l'Afrique et la Nouvelle-Guinée.
Cette alternance de dislocation et de recomposition est intervenue plusieurs fois au cours des temps géologiques.
Il y a 1,8 milliard d'années aurait existé le supercontinentNuna, qui se serait disloqué puis recomposé.
Il y a1 milliard d'années, issu de cette recomposition, le supercontinentRodinia se serait disloqué en huit continents.
Ces continents auraient finalement fusionné pour former un supercontinent,Pannotia, lui-même à l'origine par dislocation de laLaurentia, laBaltica et duGondwana.
Laurentia et Baltica ont fusionné durant l'orogenèse calédonienne pour former laLaurussia, qui elle-même a fusionné avec le Protogondwana au cours de l'orogenèse hercynienne pour former laPangée, dont l'avenir est décrit précédemment.
Cet historique général ne prend pas en compte l'intervention des différentsterranes, comme l'Avalonia, issue de la Pannotia, qui a participé à la formation de laLaurussia.
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 leuralbédo, 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 descourants 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 nouveaucycle de Wilson ainsi baptisé en l'honneur deJohn Tuzo Wilson (1908-1993), géophysicien canadien, qui a, le premier, émis l'hypothèse de ce rassemblement périodique des continents.
Il existe 4 principales hypothèses de la formation du prochain supercontinent. En 1982, Christophe Scotese propose l'hypothèse de la Pangaea Ultima (Pangée ultime), qu'il renomme plus tard Pangaea Proxima (Pangée prochaine)[41]. Selon cette hypothèse, le mouvement d'élargissement de l'Atlantique s'inversera et sera suivi d'une fermeture progressive de l'océan qui amènera à une collision des Amériques avec l'Eurasie et l'Afrique[42].
La deuxième hypothèse, formulée parPaul F. Hoffman en 1992, propose que la fermeture en cours de l'océan Pacifique devrait conduire à la formation d'un nouveausupercontinent, dénomméAmasie[43]. L'Amasie pourrait se former d'ici une centaine de millions d'années, être centrée sur lepôle Nord et rester séparée de l'Antarctique[44],[45].
L'hypothèse de laNouvelle Pangée (Novopangea), similaire à celle de la Pangée prochaine, propose que le Pacifique se fermerait et que l'Atlantique se maintiendrait. De plus, l'Australie et l'Antarctique dériveraient vers le nord et entreraient en collision avec l'Asie. Avec la fermeture du Pacifique, les Amériques entreraient en collision avec l'Asie orientale et le bloc Australie-Antarctique[42].
Enfin, l'hypothèse de l'Aurica, proposée en 2016 par Joao Duarteet al., propose une fermeture des océans Pacifique et Atlantique qui serait compensée par l'ouverture d'un nouvel océan au niveau du rift situé au centre de l'Asie entre l'ouest de l'Inde et l'Arctique[46],[42].
En modifiant la latitude des grandes masses continentales, en générant des zones de haute altitude lors descollisions, en injectant desgaz à effet de serre dans l'atmosphère et des poussières dans la haute atmosphère lors desgrands épisodes de volcanisme, en ouvrant ou fermant des corridors terrestres ou maritimes, la tectonique des plaques a des effets cruciaux sur l'évolution biologique.
En 2025, une étude pluridisciplinaire montre la présence, auPhanérozoïque, d'une cyclicité de 60 millions d'années dans la durée desétages géologiques, qui coïncide parfaitement avec des fluctuations similaires dans labiodiversité marine, lescycles biogéochimiques et les évolutions majeures des mouvements globaux des plaques tectoniques. Cette synchronisation suggère un lien profond entre l'évolution de la vie marine et l'activité interne de la planète via les processus de surface comme l'altération continentale ou lesconditions redox des océans[47],[48].
↑En 1964, on pouvait encore lire : « Cette théorie, qui donnait une explication tentante de la façon dont les flores se seraient trouvées disloquées ou rapprochées, est aujourd'hui en discrédit »[10].
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