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On a simulé la formation d'un supercontinent

Le cycle de Wilson, qui décrit la formation puis la dislocation d’un supercontinent sur une période d'environ 400 millions d’années, vient peut-être de trouver une explication. Des physiciens pensent en effet en avoir découvert le mécanisme en s'aidant, astucieusement, d’une expérience simple réalisable sur une paillasse.

John Tuzo Wilson (24 octobre 1908-15 avril 1993). © University of Toronto John Tuzo Wilson (24 octobre 1908-15 avril 1993). © University of Toronto

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Selon la théorie de la tectonique des plaques, il existe des courants de convection à l’intérieur de la Terre qui se forment exactement de la même façon que dans une casserole d’eau posée sur une plaque chauffante. Il existe en effet un gradient thermique à l’intérieur de la Terre puisque son noyau possède des températures de plusieurs milliers de degrés. Chauffées, les roches du manteau se dilatent, deviennent plus légères et c’est la poussée d’Archimède qui fait alors remonter des courants de matière chaude vers la surface de la Terre.

Ces courants se refroidissent au fur et à mesure qu’ils montent puis finissent par plonger pour former des cellules de convection. Ces mouvements sont bien sûr très lents mais, à l’échelle géologique dont l’unité est le million d’années, le manteau se comporte comme un fluide visqueux brassé par la convection à l’instar de l’eau bouillante dans une casserole.

En buttant sous une plaque continentale, des courants de matière chaude ascendante divergent et provoquent la fracture de cette plaque : un océan se forme (voir la figure 1). Les courants séparent ensuite les deux parties de la plaque, conduisant à l’expansion des fonds océaniques et à la dérive des continents.

Ce mouvement peut finir par s'inverser, pour différentes raisons. Les plaques se rapprochent à nouveau et entrent en collision pour former des montagnes. Les  Appalaches aux Etats-Unis sont ainsi une chaîne de montagnes fossile prouvant que l’océan Atlantique s’est déjà ouvert puis refermé une fois. Ce sont sur de tels vestiges que Wilson s’est basé pour proposer sa théorie d’un cycle de formation d’un supercontinent comme celui bien connu de Pangée. Reste que les causes véritables de ce cycle sont inconnues...

Figure 1. Le schéma du cycle de Wilson. Cliquez pour agrandir. Crédit : Florida State University
Figure 1. Le schéma du cycle de Wilson. Cliquez pour agrandir. Crédit : Florida State University

Une explication plausible

Juin Zhang et Liu Bin de l'Université de New York ont décidé d’explorer la convection mantellique, comme bien des collègues physiciens des fluides avant eux, à l’aide d’expériences de simulation analogiques. Il suffit de mettre un mélange d’eau et de glycérol que l’on place dans un réservoir dont le fond est chauffé et la partie supérieure refroidie. Si l’on s’y prend bien, les conditions thermiques et hydrodynamiques reproduisent bien celles régnant dans le manteau. Le principe est le même que celui des simulations en soufflerie ou encore, comme on l’a vu récemment, de l’expérience VKS.

Ils ont alors ajouté dans le réservoir près de 400 sphères de nylon (d'un diamètre de 3,2 mm). Les sphères sont plus denses que le liquide et, par conséquent, plongent en recouvrant environ la moitié de la superficie du fond de la citerne. Bien que cela n’apparaisse pas évident, les deux chercheurs affirment que de cette façon, on peut modéliser les continents flottant sur le manteau, là où la température est plus froide que juste au-dessus du noyau de la Terre, à l'inverse de ce qui se passe dans l'expérience.

Figure 2. En rouge, la plaque chauffée du réservoir et le courant ascendant chaud, en bleu la plaque refroidie et le courant descendant froid. Crédit : American Physical Society
Figure 2. En rouge, la plaque chauffée du réservoir et le courant ascendant chaud, en bleu la plaque refroidie et le courant descendant froid. Crédit : American Physical Society

En l’absence de sphères, l’expérience donne une cellule de convection tournant dans un sens pendant des heures. Toutefois, des instabilités non linéaires font que le mouvement peut s’inverser.

Lorsque l’on ajoute les sphères, les conditions de l’écoulement sont changées. Les sphères dispersées sur le fond s’accumulent pour former un tapis serré recouvrant complètement une moitié du réservoir comme le montre la figure 2. En modifiant alors le transfert de chaleur, comme le ferait un continent du fait de son caractère moins conducteur de chaleur, les mouvements de la cellule de convection s’affaiblissent jusqu’à s’inverser. Au lieu de prendre beaucoup de temps, ce processus se produit périodiquement au bout d’une heure environ.

D’après Zhang, c’est la première fois que des simulations des courants de convections sont réalisées à l'aide de sphères pour modéliser des continents. Actuellement, lui et son collègue travaillent sur une modélisation se rapprochant encore plus de ce qui se passe dans le cas de la Terre avec une géométrie cylindrique pour le réservoir. L’avenir dira si les secrets du cycle de Wilson ont bien été percés par cette expérience simple mais éclairante.


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