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La genèse des Andes : une histoire entre tectonique et climat ?

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Les périodes de création de grandes chaînes de montagnes et hauts plateaux de notre planète comme l'Himalaya-Tibet ou les Andes-Altiplano seraient-elles responsables des grands changements climatiques ? Ou est-ce plutôt l'inverse : les grands changements climatiques en seraient-ils la cause et non la conséquence ? Il s'agit d'un problème de poule et d'œuf, à la fois de tectonique, de géomorphologie et de climatologie. Malgré son importance, ce problème conceptuel pluridisciplinaire est resté longtemps dans l'ambiguïté, sans solution convaincante. Sur la base d'arguments principalement géologiques et géomorphologiques, des chercheurs viennent de montrer quelles sont les interactions entre tectonique et climat dans le cas des Andes centrales.

Vue 3D des Andes Centrales, mettant en valeur les grandes unités topographiques et géomorphologiques. Depuis la fosse (Peru Chile trench, à plus de 8.000 m de profondeur), le relief de la marge andine est structuré en paliers successifs : terrasses et bassins (AqB, ArB, IqB) entre 1.000 et 2.000 m sous le niveau de la mer, Atacama Bench (1.000-2.000 m d’altitude), Altiplano (4.000 m). © Armijo et al. 2015

Pour cette étude publiée dans la revue Earth-Sience Reviews, les chercheurs ont analysé l'évolution des paysages associée aux conditions climatiques et les structures géologiques accessibles sur le versant pacifique des Andes centrales, de l'Altiplano (à plus de 4.000 m) jusqu'au littoral. Deux grandes entités géologiques marquent cette région du globe : le désert côtier d'Atacama (désert réputé comme étant le plus aride du monde) et un système de grandes failles chevauchantes parallèles à la plaque océanique nazca qui plonge sous la plaque Amérique du Sud (subduction). Ce système chevauchant a formé le plus grand relief tectonique sur Terre en terme de dénivelé (environ 13 km) entre la cordillère occidentale (4.500 à 5.000 m) et la fosse du Pérou-Chili, profonde de 8.000 m.

Pour les Andes centrales, la synthèse de nombreuses données existantes (géophysiques, géologiques, géomorphologiques et climatiques) a permis aux auteurs de construire une coupe tectonique complète à la latitude 21° S, révélant une particularité de cette région ignorée jusque là. Dans son ensemble, la Cordillère est prise en étau entre un bloc marginal lié à la subduction à l'ouest et le bouclier brésilien à l'est conduisant à ce que les spécialistes appellent une bivergence. Ce nouveau modèle mécanique permet aux auteurs de revoir également le modèle d'évolution de l'orogenèse andine pour les derniers 50 millions d'années.

Alors qu'il était admis que la chaîne s'était formée au cours d'une succession de phases tectoniques synchrones tout le long de la chaîne, globalement liées au fonctionnement de la subduction, l'équipe de l'Institut de physique du globe de Paris (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité) et de l'Université du Chili proposent un nouveau scénario. La croissance de la chaîne a débuté au point singulier « du coude d'Arica », l'actuel point d'inflexion de l'Amérique du Sud. De là, au cours du temps, la chaîne s'est propagée à la fois vers le nord et le sud, en se développant en éventail aussi bien vers l'est que vers l'ouest (bivergence). Sa croissance a ainsi été essentiellement progressive, tout en étant ponctuée par des évènements d'accélération en lien avec l'évolution climatique du globe depuis 50 millions d'années.

Processus de couplages géodynamiques long-terme à l’échelle du Globe : croissance bivergente (est-ouest) et bilatérale (vers le sud et vers le nord) des Andes, flux mantellique profond, ouverture progressive du passage de Drake induisant l’activation du courant circumpolaire antarctique et le refroidissement global de la Terre depuis environ 50 millions d’années. © Armijo et al. 2015

Une évolution couplée

Poursuivant la synthèse à une échelle encore plus grande, les auteurs ont mis en évidence l'évolution simultanée sur les derniers 50 millions d'années de l'orogenèse andine, de l'ouverture graduelle du passage de Drake qui sépare l'Antarctique de l'Amérique du Sud et du refroidissement global de notre planète, marqué par le développement depuis 30 millions d'années des deux calottes glaciaires (Antarctique puis Arctique). Tous ces phénomènes apparaissent guidés sur ces très longues périodes de temps par la circulation visqueuse du manteau terrestre en dessous et autour du continent sud-américain suivant un processus proposé dans les années 1990 sur la base de l'anisotropie sismique du manteau. La tectonique des plaques serait ainsi le moteur primaire de ces évolutions couplées.

Pendant ce temps, l'action du climat sur le relief a fait son œuvre en surface. Lors d'épisodes de courte durée, le versant pacifique des Andes centrales s'est desséché par étapes successives jusqu'à l'isolement du désert d'Atacama. Ce phénomène serait responsable de la réduction des vitesses d'érosion et de la formation par paliers du paysage en hauts plateaux. L'activité de grand chevauchement et l'épaississement de la croûte étant impossibles à maintenir au même endroit sans une dose minimum d'érosion, l'hyper-aridification aurait virtuellement figé l'activité tectonique sur le flanc ouest des Andes. Ceci aurait favorisé l'élargissement de la chaîne par migration progressive de chevauchements vers l'intérieur du continent sud-américain et les régions plus érosives et plus humides de l'Amazonie. Ces enchaînements de phénomènes de plus courte durée seraient des rétroactions (feedbacks) importantes du refroidissement global sur l'évolution géomorphologique et tectonique de l'orogène andin.

En résumé, l'évolution de l'orogenèse andine à long terme (sur 50 Ma) et le refroidissement planétaire (depuis l'optimum climatique de l'Éocène inférieur, plus ou moins 51 Ma) seraient gouvernés par la tectonique des plaques, tandis que les épisodes morpho-tectoniques de l'évolution de la chaîne à moyen terme (sur des durées de typiques de 10 Ma) seraient pilotés par des épisodes d'accélération bien connus du refroidissement global, vers la fin de l'Éocène (environ 33 Ma) et au Miocène moyen (15-10 Ma). Le problème de la poule et de l'œuf serait ainsi résolu.

Ce travail a été soutenu par le CNRS-INSU, l'Agence nationale de la recherche (projet MegaChile) et le Labex UnivEarthS. Les recherches franco-chiliennes sont coordonnées par le Lia Montessus de Ballore (CNRS-INSU, Université du Chili).

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