Au niveau d’une zone de subduction, une plaque océanique plonge sous une autre plaque. Sur la photo, les plaques tectoniques eurasienne et nord-américaine - Parc National de Thingvellir - Islande. © Nido Huebl
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Zones de subduction : les mécanismes de leur naissance dépoussiérés

ActualitéClassé sous :Géologie , croûte océanique , croûte continentale

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[EN VIDÉO] Un milliard d'années résumé en 40 secondes : la tectonique des plaques  Des chercheurs ont modélisé les mouvements des plaques tectoniques lors du dernier milliard d'années. 

Le processus de subduction est une étape incontournable du cycle de Wilson et du mécanisme global de la tectonique des plaques. Si le fonctionnement des zones de subduction est intensément étudié, les mécanismes associés à leur naissance sont bien moins connus. Une nouvelle étude, publiée dans Earth-Science Reviews, dépoussière les théories sur les mécanismes de leur initiation.

Les zones de subductions représentent les endroits où une plaque plonge sous une autre plaque. Il y a actuellement de nombreuses zones de subduction en activité, certaines étant particulièrement connues pour leur faculté à générer de très forts séismes. Elles sont observées un peu partout sur le globe et représentent un processus inhérent à la tectonique des plaques. Elles permettent notamment d'accommoder les mouvements de convergence à la surface de la Terre et de recycler la croûte océanique, un processus particulièrement important puisqu'il est à la base de la croissance des continents au cours de l’histoire géologique de la Terre.

Mais comment naissent ces zones de subduction ?

Contraste de densité : un paramètre suffisant pour l’initiation d’une zone de subduction ?

Deux grands types de subduction sont généralement considérés, associés à deux contextes géodynamiques différents : les zones de subduction spontanées, s'initiant généralement en milieu intra-océanique, et les zones de subduction forcées, résultant de la convergence de deux plaques lithosphériques et souvent observées au niveau des bordures continentales.

Schéma représentant une zone de subduction avec le slab (plaque plongeante) et la plaque chevauchante sur laquelle va se construire l'arc magmatique © USGS, Wikimédia Commons, domaine public

La subduction spontanée est expliquée par un mécanisme relativement intuitif. La lithosphère océanique, qui comporte croûte et manteau supérieur, est créée à l'axe des dorsales. L'accrétion océanique représentant un phénomène continu, la lithosphère océanique est donc sans cesse poussée de chaque côté de la dorsale par la lithosphère nouvellement formée. Plus on s'éloigne de la dorsale, plus la lithosphère océanique est donc vieille. Et plus une lithosphère est vieille, plus elle est froide et dense.

Il est souvent admis qu'une lithosphère suffisamment vieille (>70 millions d'années) et dense peut doucement commencer à s'enfoncer dans le manteau sous-jacent sous l'effet de son propre poids, initiant ainsi une zone de subduction intra-océanique de manière spontanée, sans forçage extérieur.

À l'inverse, on observe souvent des zones de subduction s'initiant en contexte compressif, donc sous l'effet d'un forçage lithosphérique, lorsqu'une croûte océanique est poussée contre une croûte continentale. La croûte océanique va alors passer en force sous la croûte continentale, beaucoup moins dense.

Dans les deux cas, le contraste de densité semble être un élément essentiel à l'initiation d'une zone de subduction. Mais ce paramètre suffit-il à lui seul à faire naître une zone de subduction ?

Soixante-dix zones de subduction passées au crible

Dans un article récent paru dans Earth-Science Reviews, deux chercheurs de l'Université de Montpellier se sont penchés sur les facteurs capables d'engendrer une zone de subduction. Soixante-dix zones de subduction ont ainsi été étudiées, ce qui représente environ 70.000 km de fosses océaniques, les deux tiers étant toujours en activité et une majorité étant encore dans un stade précoce.

Les zones de subduction actuelles bordant le Pacifique © USGS, domaine public

L'étude de ces nombreux cas montre que les subductions de type spontané ou forcé telles qu'entendues couramment ne sont finalement que très rarement observés. Les auteurs montrent notamment que les zones de subduction peuvent s'initier dans des contextes tectoniques et géodynamiques très variés, bien au-delà de la simple subduction intra-océanique ou de collision.

L'un des paramètres importants pour l'initiation d'une zone de subduction semble être la présence de faiblesses rhéologiques au sein de la lithosphère, généralement associées à la présence d'anciennes failles d'échelle lithosphérique : failles transformantes, failles normales ou de détachement, anciennes zones de subduction, ou bien même anciennes dorsales océaniques. Ces structures, qui affectent la résistance de la croûte et du manteau supérieur, peuvent en effet se réactiver en sens inverse sous l'effet de nouvelles forces compressives. Il apparait donc que, quel que soit le contexte géodynamique, la déformation se localise toujours le long de zones de faiblesses crustales héritées de l'histoire tectonique ou magmatique de la région.

L’âge de la plaque n’est pas le paramètre principal

Les auteurs montrent ainsi que, contrairement à ce que l'on pensait auparavant, l'âge de la plaque entrant en subduction n'est pas un paramètre important, puisque les exemples étudiés montrent que l'âge de la lithosphère subductante peut s'étaler de 0 à 140 millions d'années. De même, il ne semble pas nécessaire que la plaque s'enfonçant dans le manteau soit plus vieille que la plaque chevauchante lorsque la subduction est intra-océanique (plaque océanique versus plaque océanique). Les jeunes plaques océaniques seraient d'ailleurs plus aptes à démarrer une subduction à cause de leur faible rigidité.

Si l'initiation d'une zone de subduction peut se localiser en divers contextes géodynamiques, elle semble cependant nécessairement provoquée par un forçage extérieur. La plupart des zones de subduction s'initient ainsi par forçage lithosphérique et plus particulièrement dans un contexte de convergence/collision. Mais un changement de cinématique global des plaques peut également être à l'origine de la naissance de zones de subduction. Les contextes de convergence oblique semblent particulièrement favorable à l'initiation de ce processus, de même que la présence d'importants contrastes de composition et de topographie entre les plaques convergentes. D'autres facteurs mineurs peuvent également influencer la localisation d'une zone de subduction, comme une charge sédimentaire excessive au niveau d'une marge passive ou la présence d'une semelle de manteau serpentinisé en base de croûte océanique. De même, la présence d'un point chaud ou d'une dorsale active (forçage mantellique) peut aider à l'initiation d'une subduction mais ne représente pas un facteur dominant.

1 : Influence de la charge sédimentaire sur la croûte océanique au niveau d’une marge continentale. Facteur favorisant l’initiation d’une subduction. 2 : schéma typique d’une subduction forcée par un mouvement de convergence de deux plaques lithosphériques © LkwkarenHKU, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Certaines conditions peuvent mener à l’avortement d’une zone de subduction

Les résultats de l'étude montrent également que les zones de subduction s'initient à une fréquence d'une tous les millions d'années et avec un taux de réussite de plus de 70 %. En effet, certains facteurs semblent capables de faire avorter une zone de subduction à un stade précoce. C'est le cas lorsque la résistance de la lithosphère est trop forte, que les forces de friction sont trop élevées, ou encore si les forçages externes sont insuffisants, engendrant une vitesse de convergence trop lente (<3 cm/an). Cependant, lorsque les conditions sont favorables, les zones de subduction atteignent le stade mature en 3 à 15 millions d'années.

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