Qu'est-ce qui fait bouger les plaques ?

Gérard Vidal

Membre du Groupe d'Experts des Programmes du Second Degré, Laboratoire de Géologie, ENS Lyon

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

08/10/2001

Résumé

Le moteur de la tectonique des plaques : rôle respectif des dorsales, de la subduction et des mouvements de convection.


Question

« Quand j'ai commencé à enseigner la tectonique des plaques, on évoquait les dorsales qui écartaient les plaques. C'est d'ailleurs ce qui est encore dit dans le numéro n° 287 septembre 2001 Pour La Science, article sur l'Atlantique Nord. On évoquait aussi les courants de convection dans le manteau, qui entraînaient les plaques par en-dessous. La part respective de ces deux mécanismes n'était d'ailleurs pas claire. Maintenant (voir nouveau programme de première S), on insiste sur le rôle moteur des zones de subduction. Ma question est donc la suivante : qu'est-ce qui fait réellement bouger les plaques, et comment enseigner avec conviction une science qui change d'avis si souvent ? »

Question posée par M.J. le 18 septembre 2001 posée par courrier électronique.

Réponse

Qu'est-ce qui fait réellement bouger les plaques ?

Pour aller à l'essentiel et répondre à l'emporte pièce. C'est la chaleur, ou plutôt la dissipation de la chaleur interne de la Terre voir l'article de X. Le Pichon et H-C Nataf sur le moteur de la tectonique des plaques.

Modéliser la tectonique des plaques

La question du moteur de la tectonique des plaques est une question difficile dont certains aspects sont encore en discussion. Les sciences de la Terre approchent des échelles de temps et d'espace qui ne sont pas aisément accessibles à l'homme. De plus, l'expérimentation directe est en général impossible (durées trop longues, distances trop grandes, intérieur de la Terre inaccessible) et les solutions sont abordées au travers de modélisations.

Suivant les conditions aux limites imposées et les paramètres du modèle choisi, on peut arriver à plusieurs solutions qui sont parfaitement compatibles entre elles et qui illustrent en fait plusieurs situations réelles à la surface de la Terre.

Les dorsales.

Comparons la dorsale pacifique et la dorsale atlantique. Ce sont deux dorsales identiques du point de vue phénoménologique et pourtant complètement différentes. Il est parfaitement admis que les mouvements ascendants de matière chaude (induisant la fusion partielle et le volcanisme ainsi que la remontée du plancher océanique) contribuent à la mise en place d'un régime de contraintes favorisant l'écartement des plaques.

Les zones de subduction.

Si la continuité mécanique est respectée, l'enfoncement du matériel dense dans un manteau moins dense transmet à la plaque des contraintes tendant à l'entraîner vers la subduction et vers l'intérieur de la Terre.

La part respective de ces deux mécanismes est assez claire mais ils sont l'expression d'un seul phénomène en réalité : les mouvements de matière ascendants du manteau évoluant tout naturellement vers un écoulement horizontal puis un mouvement descendant, un nouvel écoulement plutôt horizontal, etc. Ce qui est difficile à évaluer effectivement, et qui doit de toute façon dépendre des conditions locales, c'est la contribution de chacun des phénomènes.

La convection.

La convection du manteau terrestre est le moyen qui permet d'évacuer la chaleur interne de la Terre, la pellicule superficielle transférant la chaleur par conduction. Il existe un couplage entre la plaque rigide en surface et le manteau ductile en mouvement entraînant la plaque (on parle de couplage mécanique ).

Figure 1. Simulation de la convection dans le manteau

Simulation de la convection dans le manteau

Il semble logique de concevoir que, du fait de la surface concernée par le couplage, la contribution des mouvements de matière du manteau (s'appliquant sur toute la surface de la plaque y compris sur les surfaces de lithosphère subduite) est probablement supérieure à celle que fournit la ligne de divergence (le long de la seule ligne d'accrétion).

Pourquoi insister.

Si on insiste sur le rôle moteur des zones de subduction, c'est que cette optique est issue de travaux plus récents, lorsque l'on s'est aperçu, grâce à la tomographie, que l'on trouvait des anomalies de vitesses "rapides", extrêmement profondes, dans le prolongement des plans de Wadati-Benioff. Dans certains cas, on pense même que les anomalies arrivent jusqu'à la base du manteau.

Figure 2. Tomographie sous l'Amérique du Nord

Tomographie sous l'Amérique du Nord

Dans ce contexte, les surfaces de lithosphère mises en évidence représentent une contrainte forte pour l'organisation des courants de convection.

Comment enseigner avec conviction une science qui change d'avis si souvent ?

Je ne comprends pas votre question. Vous donnez la définition la plus pertinente et la plus exaltante qui soit de la science dans votre question et vous semblez avoir des doutes sur son intérêt... et sur la façon de transmettre le raisonnement, l'attitude, et les connaissances scientifiques.