Le cycle supercontinental

À partir des reconstructions tectoniques des différents bassins océaniques décrites dans un article précédent, Le cycle de Wilson, il est important de remarquer que si certains océans suivent le “cycle de Wilson” (et ses “trois postulats”) tel que défini par Wilson en 1966 [15] (e.g. l'Atlantique Nord), d'autres ne le suivent pas, ou du moins pas avec la même temporalité (Fig. 1). Certains océans sont caractérisés par l'activité de plusieurs branches de dorsales (océans Indien et Pacifique), et différents bassins océaniques peuvent être en phase d'extension au moment même où d'autres se referment. C'est par exemple le cas à l'Ordovicien, puisque la fermeture de l'Océan Iapétus est contemporaine de l'ouverture de l'Océan Rhéique.

Figure 1. Frise chronologique synthétique de l'évolution des bassins océaniques principaux depuis 1 Ga

On peut d'ores et déjà noter que les ouvertures et fermetures successives des différents bassins océaniques ne suivent pas la même temporalité. Les orogènes majeurs ainsi que les supercontinents sont également représentés sur cette frise, ainsi que des instantanés de la position des continents (en gris) et limites de plaques (en orange). À noter que nous avons ici représenté le Gondwana, bien que celui-ci ne corresponde pas à 100 % des blocs continentaux assemblés (on peut alors parler de mégacontinent).

Pour l'instant, nous nous sommes focalisés sur les événements tectoniques du cycle de Wilson qui se sont produits pendant les derniers 500 Ma, mais on pourrait remonter plus loin dans le temps et y découvrir théoriquement que des cycles d'ouverture et de fermeture des océans se sont produits bien plus tôt, au rythme du ballet tectonique des continents, comme le suggère la frise présentée sur la Figure 1.

Source - © 2023 D’après Seton et al. [14]

Figure 2. Disponibilité des données géologiques dans le temps

Les graphiques montrent de façon quantifiée l'évolution temporelle du nombre de points pour différents types de données géologiques (Seton et al., 2023 [14]). Noter le changement d'échelle d'âges entre la partie correspondant aux marqueurs océaniques (0 - 180 Ma) en haut de la figure, et celle du bas correspondant aux marqueurs continentaux (0 - 1 000 Ma).

Reconstituer des cycles de Wilson antérieurs à ceux présentés jusqu'à maintenant peut néanmoins s'avérer de plus en plus complexe, plus on remonte le temps. En effet, les océans dont on cherche à retrouver le cycle de vie ont maintenant disparu par subduction, et les seules petites traces directes de leur existence subsistent essentiellement dans des zones de suture des anciens orogènes, largement affectées par les processus de collision (déformation et métamorphisme notamment) et de tectonique qui ont suivi (érosion, altération, entre autres). Tout ceci complique la reconstruction du cycle d'évolution des océans très anciens.

Une alternative consiste à s'intéresser au mouvement des continents qui bordaient ces anciens océans disparus, et qui sont mieux préservés que les archives océaniques (Fig. 2). Le paléomagnétisme appliqué aux roches continentales est une méthode très précieuse permettant de reconstruire la position des blocs continentaux au cours du temps, afin d'en déduire théoriquement l'évolution des océans contemporains de ces continents. Il faut néanmoins noter que l'interprétation des données paléomagnétiques est compliquée à cause, par exemple, de réaimantations pouvant être acquises au cours des phases orogéniques ayant potentiellement affecté les roches étudiées ou encore les incertitudes sur les datations, notamment au Précambrien, en partie lié à l'absence de fossiles.

Source - © 2011 D’après Bradley [1], modifié

Figure 3. Quelques marqueurs géologiques et géochimiques suggérant l'existence de plusieurs cycles supercontinentaux antérieurs à la Pangée

D'autres marqueurs permettent de compléter les enregistrements paléomagnétiques les plus anciens. À partir de compilations de marqueurs géodynamiques divers, certains scientifiques proposent ainsi l'existence d'une “pseudo-périodicité” de l'activité de notre planète, parfois depuis au moins 2 milliards d'années (Fig. 3, e.g., Bradley, 2011 [1] ; Li et al., 2019 [8]). Parmi les données compilées présentant une certaine cyclicité, on retrouve l'évolution temporelle de la production de magmas felsiques (visible notamment grâce à la fréquence de populations de zircons et leur fractionnement isotopique en Hf, e.g. Cawood, 2013 [3]), la rythmicité des provinces métallogéniques (Santosh et al., 2022 [13]), et de la signature isotopique en ⁸⁶Sr de l'eau de mer, mais aussi l'évolution d'autres marqueurs géodynamiques tels que le timing et la distribution des provinces magmatiques géantes interprétées comme étant à l'origine de rifts (Condie et al., 2021 [4]), l'évolution de l'abondance des marges passives, interprétées comme la signature d'océans matures, ou encore l'épisodicité des orogenèses et des enregistrements métamorphiques barroviens (métamorphisme MP-MT), synonymes de collisions entre plusieurs blocs continentaux (Brown, 2007 [2]).

Néanmoins, plus on remonte dans le temps, plus il est compliqué de trouver des traces tangibles des cycles supercontinentaux et des cycles d'évolution des océans qui les entouraient. Les roches continentales d'âge antérieur à 2 Ga se situent au niveau des cratons continentaux, qui ne forment qu'une petite fraction de la surface des continents actuels. Néanmoins, à partir de mesures paléomagnétiques réalisées au niveau de ces cratons, certaines reconstructions tectoniques suggèrent l'existence de cycles supercratoniques (avec des périodes durant lesquelles les cratons étaient tous rassemblés, à partir de 2,7-2,8 Ga (Fig. 4).

Source - © 2021 D’après Salminen et al. [12]

Figure 4. Trois reconstructions tectoniques alternatives de la position des cratons à 2,7-2,8 Ga

A/ et B/ correspondent à la reconstruction du supercraton putatif Kenorland il y a 2,7 Ga, à partir d'analyses paléomagnétiques. C/ correspond à une reconstruction alternative de la position des cratons il y a 2,8 Ga, en faisant l'hypothèse que la tectonique des plaques n'était pas présente et que la surface de la Terre n'était couverte que d'une seule plaque tectonique (ou couvercle stagnant).

Et avant cette période ? Et bien la question se complique un peu ! Premièrement, on ne sait pas exactement quand les continents se sont formés, par quel processus géodynamique et à quelle vitesse (Fig. 5). Et deuxièmement, on ne sait pas non plus quand et comment la tectonique des plaques s'est initiée ! Deux hypothèses coexistent dans la communauté scientifique (voir la vidéo Plate tectonics started early, did it?, en anglais, pour en apprendre plus sur ce débat scientifique) : celle d'une apparition précoce (antérieure à 2,5 Ga), et qui applique le principe d'actualisme pour argumenter que certaines observations géologiques traduisent l'existence de la tectonique des plaques depuis longtemps ; et celle d'une apparition relativement récente, invoquant d'autres régimes tectoniques avant 750-1 000 Ma (couvercle stagnant, mécanisme de heat-pipe, ou autre) en raison du refroidissement séculaire de notre planète depuis sa formation. Dans ce cadre, il est aisé de se rendre compte de la complexité de contraindre l'initiation des cycles supercontinentaux. Géologues, géophysiciens, paléomagnéticiens, géochimistes… s'emparent activement de ce thème de recherche pluridisciplinaire afin de toujours repousser les limites de nos connaissances concernant l'évolution passée de notre planète.

Source - © 2019 Hawkesworth et al. [6]

Figure 5. Sélection de modèles de croissance de la croute continentale au cours du temps

Ces modèles présentent des vitesses de croissance de la croute continentale et des moments d'initiation de la croissance différents (Hawkesworth et al., 2019 [6]). Derrière chacune de ces courbes, les mécanismes de croissance/destruction de la croute continentale invoqués sont différents (pour en savoir plus, voir, par exemple, l’article Formation et destruction de la croûte continentale).

Comme nous l'avons indiqué en introduction, le concept de “cycle de Wilson” au sens strict, ou cycle de vie des océans, est né au moment de la théorisation de la tectonique des plaques (Wilson et al., 1966 [15], 1968 [16]), à partir d'observations réalisées au niveau de l'Océan Atlantique Nord. Ce n'est que bien après, dans les années 80, que le concept de cycle continental ou cycle orogénique a été rapporté, à partir de faisceaux d'indices géologiques (traces de rifting et de collisions continentales) révélant que, de façon épisodique, les continents se rassemblaient puis se séparaient (Worsley et al., 1982 [18], 1984 [19]). Le concept géodynamique de “cycle supercontinental” est alors né, et s'est enrichi de découvertes révélant que les modifications cycliques du registre géologique au cours des cycles supercontinentaux se sont accompagnés de changements climatiques, océaniques et biologiques significatifs (Moody et al., 1988 [10]).

Nous venons de montrer que le cycle de vie des océans est intimement lié au mouvement des continents situés de part et d'autre de chaque nouvel océan qui se forme ou qui se referme, en induisant souvent des phénomènes de collision continentale marqués par des orogenèses (figures 2 et 4 de Le cycle de Wilson, et Fig. 1 et 3). Si ces trois notions de cycles (de Wilson, supercontinental, et orogénique) sont souvent utilisées de façon synonyme et interchangeable, on peut noter que la durée des cycles de Wilson au sens strict – c'est-à-dire cycles de vie des océans – est très variable, selon les systèmes océaniques considérés, et qu'elle diffère de la durée des cycles supercontinentaux (Fig. 1, Wilson et al., 2019 [17]). Par exemple, au cours des 500 derniers millions d'années, la Terre a connu un cycle de formation puis de séparation d'un supercontinent (la Pangée). Dans le même temps, la région Atlantique Nord a connu trois cycles d'ouverture/fermeture océanique lorsque l'Océan Pacifique-Panthalassa est en apparence resté tout à fait stable (certains auteurs considèrent qu'il s'agit d'un “superocéan”, Li et al., 2019 [8]). Par ailleurs, toutes les étapes du “cycle de Wilson” ne sont pas forcément requises (Pastor-Galán et al., 2019 [11]) pour chaque bassin océanique (certains rifts peuvent ainsi avorter avant que l'on atteigne le stade “océan”, comme le rift Rhénan par exemple). Enfin, le concept de “cycle supercontinental” est plus générique, englobant le mouvement des plaques tectoniques dans leur ensemble, ainsi que le fonctionnement du manteau sous-jacent et des enveloppes externes (atmosphère, hydrosphère et biosphère). Ces nuances de définition conduisent certains auteurs à distinguer cycles supercontinentaux et cycles de Wilson encore aujourd'hui (e.g., Heron, 2019 [7] ; Pastor-Galán et al., 2019 [11]).

Quoi qu'il en soit, une question intéressante concerne les mécanismes d'imbrication de ces cycles, et l'influence de chacun sur le fonctionnement de l'autre. Plusieurs modèles ont été développés à ce sujet à partir d'observations paléomagnétiques et d'arguments géodynamiques, et ont mené aux concepts théoriques d'introversion, d'extroversion et d'orthoversion (Fig. 6). L'introversion correspond à la formation d'un supercontinent à partir de la fermeture des bassins océaniques ayant participé à la séparation du supercontinent précédent (les deux supercontinents successifs se forment donc au même endroit). L'extroversion correspond à la fermeture du superocéan (les 2 supercontinents successifs se forment à l'opposé l'un de l'autre). L'orthoversion quant à elle, correspond à la formation d'un nouveau supercontinent à 90° par rapport au supercontinent précédent. À partir de la dynamique des océans décrite pour la formation et la dislocation de la Pangée, il est souvent suggéré que l'évolution Rodinia-Pangée correspondrait au modèle d'orthoversion (Mitchell et al., 2012 [9]).

Source - © 2019 D’après Pastor-Galán et al. [11]

Figure 6. Illustration schématique des 3 modèles de cycles supercontinentaux : extroversion, introversion et orthoversion

Il est à noter que ces différents types de cycles peuvent avoir tous lieu à un moment ou un autre de l'évolution tectonique de la Terre. Néanmoins, comme la tectonique de surface est intimement reliée à la dynamique convective du manteau terrestre, chacun de ces modèles de cycle comporte différentes implications en termes de géodynamique interne de notre planète (qui mériterait un article à part entière). Aujourd'hui, les incertitudes sur les reconstructions tectoniques (notamment du fait que le paléomagnétisme ne donne accès qu'à la paléolatitude, et non à la paléolongitude des continents au cours du temps) sont trop grandes pour que l'on puisse appliquer avec certitude ces modèles aux différents cycles supercontinentaux antérieurs à la Pangée.

Nous venons de soulever plusieurs sources d'incertitude concernant la reconstruction des événements tectoniques passés qu'a connus notre planète, qui découlent toutes du fait que le registre géologique est de moins en moins bien conservé, de plus en plus parcellaire et remanié à mesure qu'on remonte le temps (Fig. 2 et 7), ce qui limite nos observations et nos interprétations géodynamiques.

Source - © 2014 D’après Gerya [5], modifié

Figure 7. Diagramme temps-profondeur de la Terre illustrant la disponibilité des données permettant de contraindre le fonctionnement géodynamique de la Terre

La taille des points de données reflète l'abondance des données disponibles.

Dans tous les cas, l'évolution de la tectonique de surface de notre planète est indissociable de l'évolution de sa dynamique interne, et notamment de son évolution thermique, qui sont elles aussi peu contraintes (Fig. 7). On peut néanmoins considérer que comme toute machine thermique qui se refroidit, la Terre est soumise aux lois de la thermodynamique, et en particulier au second principe, qui introduit l'irréversibilité des processus géodynamiques au cours du temps. Le régime tectonique de notre planète étant l'expression de surface de ce refroidissement, on peut se questionner sur la pertinence de chercher à retrouver la durée des cycles de Wilson et des supercontinents, qui ne sont certainement pas des processus complètement périodiques et qui ont forcément évolué au cours de l'histoire de notre planète.

Cette question rejoint plus largement celle consistant à savoir quand ces cycles ont commencé et par extension, quand la tectonique des plaques a commencé. Quels marqueurs tectoniques permettraient de dater ces événements avec certitude ? Comme nous l'avons mentionné, le débat scientifique à ce sujet est loin d'être tranché, et est certainement soumis à des biais d'actualisme dans la recherche et l'interprétation de nouveaux marqueurs potentiels de l'initiation de la tectonique des plaques et de l'existence de supercontinents.

Pour finir, revenons à nos cycles. Finalement, qu'est-ce qu'un cycle de Wilson ? On peut dire que dans sa définition la plus stricte, le cycle de Wilson correspond strictement au cycle d'évolution des océans, de leur ouverture à leur potentielle fermeture. Il est constitué d'étapes (figure 2 de Le cycle de Wilson), qui ne sont pas forcément toutes réalisées lorsque l'on considère le registre géologique (cf. l'exemple des rifts avortés). Dans certains cas seulement (Océan Atlantique Nord, par exemple), des océans s'ouvrent et se referment successivement à peu près au même endroit, certainement par “héritage” ou “effet de mémoire” rhéologique des déformations qui ont précédemment affecté la lithosphère à un endroit donné.

Par ailleurs, le cycle de Wilson est indissociable de la notion géodynamique de cycle supercontinental, qui théorise les interactions entre les mouvements des continents (et plus largement des plaques tectoniques), et la dynamique du manteau terrestre et des enveloppes externes (atmosphère, hydrosphère, biosphère). On considère que plusieurs cycles de Wilson se produisent au cours d'un même cycle supercontinental. On pense que plusieurs supercontinents se sont formés puis séparés dans le passé (Nuna, Rodinia, Pangée), mais leurs traces et leurs limites sont floues, car le registre géologique est de plus en plus parcellaire lorsque l'on remonte le temps. Par conséquent, l’existence des cycles supercontinentaux les plus anciens est sujette à de nombreuses incertitudes, et il faut aussi garder à l'esprit les biais d'actualisme potentiels que l'on peut avoir dans nos interprétations du registre géologique passé. Repousser les limites de nos connaissances sur le cycle de vie des continents et océans est une tâche pluridisciplinaire, requérant l'expertise croisée de chercheurs et chercheuses en géologie, paléomagnétisme, géodynamique interne et externe, géophysique, géochronologie, ou encore en géochimie. Avoir une vision large de la dynamique globale de notre planète est essentiel pour mieux comprendre son fonctionnement et son évolution.