Quel est le moteur de la tectonique des plaques ?

Xavier Le Pichon

Laboratoire de Géologie, ENS Paris

Henri-Claude Nataf

Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique, Grenoble

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

04 - 10 - 2001

Résumé

Le moteur de la tectonique des plaques : rôle de la traction au niveau des fosses et de la poussée au niveau des dorsales.


Question

« Dans les ouvrages de géologie, deux réponses possibles existent pour expliquer le moteur de la tectonique des plaques (convection au niveau des dorsales et plongement de la lithosphère au niveau des zones de subduction). Pouvez-vous me dire quel est le moteur principal de la tectonique des plaques, et si c'est la subduction, pouvez vous m'expliquer l'ouverture de l'océan Atlantique qui présente 2 marges passives ( mis à part l'arc des Antilles)... »

Question posée par B. T. le 29 Septembre 2001 par courrier électronique.

Réponse

En résumé.

La subduction est l'une des manifestations de la convection dans le manteau. L' expansion océanique en est une autre. Il n'y a pas un "moteur" qui serait localisé dans les zones de subduction ou sur les dorsales. C'est toute la Terre qui est impliquée, en évacuant sa chaleur interne. Le mouvement des plaques est lié à l'existence de forces gravitationnelles qui les entraînent. Elles sont "tirées" par un morceau en subduction (et ont alors les vitesses les plus grandes). L' expansion océanique est également associée à une force qui fait s'écarter les plaques, beaucoup plus lentement.

L'évacuation de la chaleur et le mouvement des plaques

L'énergie nécessaire à la tectonique des plaques provient de ce que la chaleur, produite essentiellement par la radioactivité des roches de l'intérieur de la Terre, est plus importante que celle que peut évacuer la conductivité thermique. Il s'en suit un déplacement des roches chaudes vers la surface ce qui permet une évacuation plus rapide et plus efficace de la chaleur.

Ces mouvements entraînent une distribution inégale des températures qui se traduisent en différences de densité à l'origine des forces mécaniques. Il n'y a donc pas un "moteur" qui serait localisé dans les zones de subduction ou sur les dorsales. C'est toute la Terre qui est impliquée.

Les forces gravitationnelles, responsables des mouvements de la lithosphère

Toutefois, il est vrai que la couche superficielle, la lithosphère , joue un rôle particulier. Pourquoi ? À travers cette couche qui a en moyenne 100 km d'épaisseur, se fait l'essentiel de l'évacuation de la chaleur car c'est là que se trouve la variation la plus rapide de température ( fort gradient thermique ), depuis la surface voisine de 0°C jusqu'à la couche dite asthénosphère , voisine de 1300°C.

En effet l'évacuation de chaleur est proportionnelle à la variation de température. L'asthénosphère est chaude et donc légère et déformable alors que la lithosphère est plus froide et donc plus lourde et relativement rigide. Le couple asthénosphère-lithosphère compose un système avec une couche rigide froide et lourde, le couvercle, reposant directement sur un milieu ductile chaud et plus léger, l'asthénosphère. Les variations très rapides de densité au niveau de la lithosphère, près de la surface, donnent naissance à des forces particulièrement efficaces qui agissent directement sur les plaques de lithosphère et sont la cause principale de leur mouvement.

La première force, dite force de poussée aux dorsales , provient tout simplement de la pente topographique. La lithosphère jeune et chaude est élevée. En vieillissant, elle s'alourdit et s'enfonce. Elle a donc tendance à glisser le long de la pente des dorsales vers les bassins.

La seconde force, dite force de traction aux fosses , vient de l'instabilité gravitationnelle liée à la présence d'une couche froide et lourde reposant sur une couche chaude et légère. Si la couche superficielle commence à plonger dans la couche légère déformable, l'excès de masse qu'elle représente dans l'asthénosphère exerce une traction transmise à la lithosphère superficielle. Celle-ci est donc poussée à partir des dorsales et tirée vers les fosses de subduction.

Une analogie : le mouvement à la surface d'un lac de lave

Un bon analogue de ce système est le lac de lave, tel celui du volcan Kilauea. On y voit des plaques de lave consolidée qui forment un couvercle rigide sur la lave liquide. Ces plaques se déplacent en glissant depuis des mini-rifts vers des mini-zones de subduction où elles plongent. En s'écartant des rifts, elles se refroidissent, s'épaississent, s'alourdissent et donc s'enfoncent. Elles finissent par plonger aux endroits où la croûte a pu être rompue. Il y a donc un mouvement complexe qui permet à la croûte de ne pas dépasser en moyenne un âge, et donc une épaisseur et un poids, qui entraîneraient une instabilité trop grande.

L'énergie mécanique est fournie par l'énergie thermique de la lave chaude qui alimente le lac. La lave liquide en se refroidissant et se solidifiant à la surface du lac forme un couvercle, ce que l'on appelle une couche thermique limite , au travers duquel se fait la perte de chaleur et où se concentrent les plus grandes variations de masse et donc les forces les plus importantes.

Vitesse des mouvements, âge des plaques et quantité de chaleur évacuée

Ce sont donc des forces gravitationnelles qui entraînent le mouvement des plaques : la vitesse moyenne du mouvement est inversement proportionnelle à l'âge moyen des plaques. Cette vitesse s'ajuste en fait à la quantité de chaleur qui doit être évacuée. Plus cette quantité de chaleur est grande, plus la vitesse est rapide et l'âge moyen faible.

Pour en savoir plus

Géodynamique, L. Jolivet et H.-C. Nataf, Dunod