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L'olivine explique la dérive des continents

Ou comment l'infiniment petit permet si souvent de comprendre l'infiniment grand. De nouvelles expériences montrent le rôle clé de l'olivine, composant majeur des roches du manteau supérieur, dans le déplacement des plaques tectoniques. Ce minéral se déforme à des pressions plus faibles que ce que l'on pensait, facilitant le glissement de la lithosphère.

Roche grenue se composant de 40 à 90 % d'olivine, qui lui donne sa couleur verte, la lherzolite est une péridotite, vaste famille composant une grande partie du manteau supérieur terrestre. L'image montre une enclave de péridotite de type lherzolite à spinelle dans une bombe basaltique. © ENS Lyon Roche grenue se composant de 40 à 90 % d'olivine, qui lui donne sa couleur verte, la lherzolite est une péridotite, vaste famille composant une grande partie du manteau supérieur terrestre. L'image montre une enclave de péridotite de type lherzolite à spinelle dans une bombe basaltique. © ENS Lyon

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peridotite ENS de Lyon

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Les astrophysiciens, qu’ils soient confrontés à des problèmes de physique stellaire où interviennent les noyaux atomiques, ou de cosmologie dont se mêlent les particules fondamentales, ont montré que l’infiniment petit conditionne l’infiniment grand. Leurs cousins géophysiciens ne sont pas en reste puisqu’ils étudient les roches à l’échelle des atomes et des minéraux afin de comprendre notamment la tectonique des plaques, les séismes et le volcanisme.

Lorsque Alfred Wegener a proposé la théorie de la dérive des continents il y a presque un siècle, l’astronome et météorologiste qu’il était n’a pas convaincu les géologues et les géophysiciens de l’époque, qui ne pouvaient imaginer que les roches du manteau, aussi dures que l’acier, se déforment, coulent et, même, suivent des mouvements de convection. La rhéophysique de ces roches était mal comprise car elle fait intervenir des conditions de pressions et de températures inhabituelles. Les chercheurs avaient bien du mal à comprendre que sur de grandes échelles de temps, bien des choses deviennent possibles.

Alfred Wegener pendant l’expédition J. P. Koch en 1912-1913 à la base hivernale Borg au Groenland. Il mourra durant l’hiver 1930 au Groenland.
Alfred Wegener pendant l’expédition J. P. Koch en 1912-1913 à la base hivernale Borg au Groenland. Il mourra durant l’hiver 1930 au Groenland. © Université de Berkeley, DP

Les minéraux, une clé de la dynamique de la Terre

Wegener avait pourtant invoqué le phénomène de rebond isostatique, prouvant que, lors des glaciations, les continents peuvent s’enfoncer dans le manteau comme des péniches surchargées. Mais sans succès. Pourtant, si des mouvements horizontaux sont possibles, pourquoi pas des mouvements latéraux ?

Ce scepticisme s’est largement dissipé depuis presque 50 ans avec la formulation de la théorie de la tectonique des plaques, devenue le paradigme unificateur de la géologie. Pour autant, les phénomènes à l'œuvre dans le manteau de la Terre restent encore mal connus. C’est pour cette raison qu’une équipe internationale de chercheurs allemands, belges et français a mis au point une technique d’observation de la déformation de l’olivine à l’échelle nanométrique. Ce minéral est abondant dans les péridotites composant le manteau supérieur et donc, précisément, dans les roches à la base de la lithosphère sur lesquelles les plaques se déplacent. Ils viennent de publier le résultat de leurs recherches dans un article de Science.


« La minéralogie a plusieurs volets ici, et ce qui nous rassemble tous, ce sont des méthodes, les échelles d'observations... » Entretiens avec Guillaume Fiquet, chercheur CNRS-IPGP-IMPMC, et des membres de l'équipe. © Chaîne IPGP, YouTube

L'olivine se déforme aux profondeurs où glissent les plaques

Le comportement de l’olivine est connu à des températures supérieures à 1.400 kelvins, lorsqu’elle devient ductile et que les roches qui la contiennent peuvent adopter un comportement plastique. Mais il est difficile d'en extrapoler les lois décrivant la rhéologie de l’olivine à des températures inférieures à 1.000 kelvins, et donc à des pressions plus basses, comme celles des profondeurs où le manteau lithosphérique coule sur le manteau supérieur et transporte les continents.

Les expériences menées jusque-là étaient délicates et les résultats obtenus manquaient de solidité. La solution pour contourner ces problèmes a consisté à utiliser un microscope électronique à transmission (MET) pour observer des échantillons de taille nanométrique. Les données obtenues ont nourri un modèle numérique décrivant la dynamique des dislocations dans les cristaux, dislocations à l’origine de la plasticité des roches, comme on le sait depuis les années 1930, notamment grâce aux travaux du physicien et métallurgiste anglo-américain d’origine hongroise Egon Orowan. Elles ont permis de calculer les contraintes de déformations représentatives d’une olivine macroscopique.

Les chercheurs ont ainsi découvert qu’il suffisait de pressions bien moins élevées qu’ils ne le pensaient pour permettre à l’olivine de se déformer dans les conditions lithosphériques.


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