Cette carte représente les principales plaques tectoniques de la Terre. Les surfaces sont déformées par la projection de Mercator. Comment ces plaques se sont-elles formées ? Une nouvelle étude montre qu’il s’agirait d’un équilibre entre des mouvements rapides de convection du manteau terrestre et une cicatrisation plus lente. © Wikimedia Commons, DP

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Tectonique des plaques : les origines enfin élucidées

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Les plaques tectoniques sont mobiles les unes par rapport aux autres à la surface de la Terre. Comment leur découpage s'est-il produit ? Des chercheurs français proposent le premier modèle qui explique le phénomène sur Terre et indique pourquoi il ne s'est pas produit sur Vénus, pourtant considérée comme la planète jumelle de la Terre.

La lithosphère, la couche mobile et superficielle de la Terre, est divisée en un petit nombre de plaques rigides qui se déplacent sur l'asthénosphère, la partie du manteau terrestre située immédiatement en dessous. Cette structuration contrôle des phénomènes géologiques comme les tremblements de terre ou le volcanisme. Elle influence aussi le climat de notre planète et a joué un rôle essentiel dans l'apparition de la vie.

Comment les plaques tectoniques se sont-elles formées ? Les premières preuves de déformation de la lithosphère datent de quatre milliards d'années, mais l'individualisation complète des plaques et le démarrage de la tectonique sous sa forme actuelle sont sans doute advenus un milliard d'années plus tard. D'après une étude publiée dans la revue Nature par un scientifique du CNRS et un chercheur de l'université Yale (États-Unis), cette période de transition d'un milliard d'années aurait permis la création et la connexion de zones de faiblesse dans la lithosphère.

Le modèle présenté permet à la lithosphère de se diviser naturellement en plaques tectoniques rigides dont les frontières sont très déformables. Sur cette figure, les zones de frontière de plaques, du vert au rouge, sont 100 fois moins visqueuses que l’intérieur des plaques, en bleu. © CNRS

Leur modèle considère que la lithosphère est un milieu formé de deux types de grains, qui reflète la composition minéralogique de la péridotite, principale roche des plaques lithosphériques. Il prend en compte les forces exercées sur les roches par l'asthénosphère sous-jacente, et intègre des données expérimentales sur les propriétés des roches et leur déformation.

Des blessures plus rapides que la cicatrisation

Selon les chercheurs, la lithosphère se fragilise par interaction avec la convection du manteau, c'est-à-dire les mouvements très lents des roches constituant l'asthénosphère. Ces derniers étirent les roches de la lithosphère sus-jacente et la taille des grains composant les minéraux des roches diminue, ce qui les rend encore plus déformables : c'est ainsi que naît une zone de fragilité. Les mouvements de convection se déplacent dans le manteau au cours du temps, créant de nouvelles zones de faiblesse. Cependant, lorsqu'elles ne sont plus soumises à déformation, ces régions ont tendance à cicatriser, car les minéraux grossissent.

D'après ce modèle, en raison de la température modérée de la Terre et de la présence de minéraux différents qui gênent mutuellement leur croissance, la cicatrisation de la lithosphère prend 100 fois plus de temps que sa fragilisation. Les changements de la convection mantellique ont donc endommagé localement la lithosphère, sans qu'elle puisse cicatriser complètement, accumulant ainsi assez de zones de faiblesse pour se découper en plaques. Selon leurs calculs, il aurait fallu un milliard d'années pour que les plaques tectoniques se forment, ce qui est compatible avec l'histoire géologique.

Les chercheurs expliquent aussi pourquoi Vénus, qui a pourtant une masse, une taille et une composition similaires à celles de la Terre, n'a jamais eu de tectonique des plaques : sa lithosphère, très chaude du fait d'un effet de serre extrême, cicatrise trop vite (en dix millions d'années) pour pouvoir se diviser en plaques tectoniques.