Une vue d'artiste du manteau de la Terre avec des poches de magma en fusion. © Alec Brenner, Harvard University
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On a trouvé le lubrifiant du mouvement des plaques tectoniques

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Les plaques tectoniques se déplacent sur le manteau à l'intérieur de la Terre grâce à une couche de roches ductile et moins visqueuse en dessous de ces plaques. On ne comprenait pas vraiment pourquoi l'asthénosphère -- c'est son nom -- était moins visqueuse. On pense savoir maintenant que le lubrifiant qui rend aussi compte de cette moins grande viscosité est simplement la présence d'une fusion partielle des roches donnant du magma sous les plaques dans l'asthénosphère.

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Il y a à peine plus d'un siècle, Alfred Wegener publiait sa théorie sur l’origine des continents et des océans. Mais, pendant des décennies, sa théorie de la dérive des continents rencontra l'opposition de la majorité des géologues et des géophysiciens dont celle de l'impressionnant Harold Jeffreys, qui plus est mathématicien et astronome. Quelques visionnaires existaient cependant, dont le célèbre volcanologue Haroun Tazieff, qui avaient compris que les idées de Wegener étaient largement correctes.

Heureusement, la révolution de la tectonique des plaques allait changer tout cela au cours des années 1960 en se basant largement sur les outils de la sismologie et surtout du paléomagnétisme. L'exploration de la dépression de l'Afar par Haroun Tazieff et ses collègues au début des années 1970 allait enfoncer le clou en montrant qu'il s'agissait d'un fond océanique exondé, à la limite de deux plaques tectoniques. Aujourd'hui, la théorie de la tectonique des plaques est le cadre où se formulent et s'expliquent toutes les questions portant sur la géodynamique de la Terre et la surface de lacs de lave, comme ceux de l'Erta Ale ou du Nyiragongo,  est une excellente illustration de la tectonique des plaques.

Enfin presque... On pourrait penser, comme le laissent croire naïvement certaines illustrations, que les croûtes continentales et océaniques constituées d'une douzaine de plaques aux frontières desquelles se trouvent beaucoup de volcans et de séismes, sont des radeaux refroidis flottant sur un océan de magma chaud en convection... et ce serait une erreur.

La surface du lac de lave du Nyiragongo est animée de plusieurs types de mouvements. Des variations rapides de niveau de 1 à 4 mètres d'amplitude : le lac monte quand il est alimenté en magma frais et descend lors de phases de dégazage important. Des mouvements de convection dus aux différences de température entre la surface et le magma sous-jacent. Le recyclage des plaques plongeante assure la stabilité du lac. © Patrick Marcel

Un manteau solide mais en convection

Certes, les températures dans le manteau de la Terre peuvent dépasser le millier de degrés mais les roches y sont naturellement solides même si le manteau est agité par de lents mouvements de convection à l'échelle des millions d'années, tout comme un glacier s'écoule à l'échelle d'une année. On le sait depuis plus d'un siècle, notamment grâce à la sismologie car les ondes sismiques, qui peuvent se propager, sont différentes selon qu'elles traversent un milieu liquide ou solide. Grâce aux travaux des physiciens des hautes pressions, comme Alfred Edward Ringwood, Francis Birch et Percy Bridgman, nous pouvons aussi relier les caractéristiques de ces ondes à la nature des roches qui les supportent ainsi qu'à leurs températures et leurs densités.

Le manteau est donc majoritairement solide mais on sait qu'il peut localement être le lieu d'une fusion partielle des roches, ce qui donne un magma qui va remonter dans le manteau sous l'effet de la pression d'Archimède et se frayer un chemin par fracturation hydraulique en percolant entre les minéraux.

Les mouvements de convection contribuent à entraîner les plaques comme si elles étaient sur un tapis roulant mais il y a d'autres phénomènes qui entrent en jeu pour vraiment expliquer ces mouvements, surtout lorsqu'il se produit des subductions ou des obductions de plaques. Pour faire court, les détails du moteur et des mouvements de la dérive des continents sont toujours à l'étude comme le prouve, dans le journal Nature, la publication d'un article exposant les travaux de chercheurs du Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS / ENS de Lyon / Université Claude Bernard Lyon 1)

« Il y a deux principaux types d'études des ondes sismiques : l'étude de la source elle-même et l'étude de la structure de la Terre... » Entretiens avec Jean-Paul Montagner, professeur à l'université Paris Diderot, et des membres de son équipe. © IPGP

Une tomographie sismique qui révèle des poches de magma

Les géophysiciens y expliquent qu'ils ont à nouveau utilisé l'outil de la tomographie sismique pour produire une carte tridimensionnelle de l'intérieur de la Terre en analysant des données collectées dans des stations sismologiques réparties sur la surface du globe.

Comme toujours, les caractéristiques des ondes se sont révélées bavardes. En l'occurrence, les chercheurs se sont concentrés sur les vitesses de propagation des ondes sismiques auxquelles on peut associer l'équivalent des rayons lumineux pour les ondes électromagnétiques et aussi sur la façon dont ces ondes sont atténuées par leur propagation dans les roches du manteau. Tout se passe donc comme si l'intérieur de la Terre était un milieu réfringent, avec des ondes voyageant à des vitesses différentes selon un indice de réfraction variable dans ce milieu, et absorbant, dissipant une partie de l'énergie des ondes dans le manteau.

Plus les roches sont froides, plus cet indice correspond à une vitesse de propagation élevée des ondes sismiques. Il est donc possible de résoudre ce que les géophysiciens appellent un problème inverse, c'est-à-dire déduire des caractéristiques d'un signal des informations sur ce qui le cause et l'altère (basiquement, c'est l'équivalent de reconnaître un instrument de musique avec le son qu'il émet). Dans le cas présent, on en a déduit des informations sur la température locale des roches et les quantités de magma présentes produites par fusion partielle.

Cette détermination de la quantité de roches fondues sous les plaques tectoniques est une première et, comme l'explique un communiqué du CNRS, elle correspond à moins de 0,7 % en volume des roches présentes dans l'asthénosphère sous les océans. Rappelons que l'asthénosphère est la partie ductile du manteau supérieur terrestre qui s'étend de la lithosphère jusqu'au manteau inférieur sur 700 kilomètres. La lithosphère elle-même est découpée en plaques tectoniques formées d'une croûte (continentale ou océanique) et d'une partie du manteau supérieur.

Surprise ! non seulement le pourcentage de roche fondue est mesuré là où on l'attendait, c'est-à-dire sous les dorsales océaniques et certains volcans de points chauds comme Tahiti, Hawaï ou La Réunion, mais également sous toutes les plaques océaniques.

Surprise bienvenue car on savait depuis des décennies que l'asthénosphère avait une plus faible viscosité que dans les autres parties du manteau, ce qui permet aux plaques tectoniques de se déplacer sur lui mais on n'en comprenait pas vraiment la raison. En bonus, les géologues savent maintenant que les baisses de viscosité qui peuvent être d'un ou deux ordres de grandeur varient sous les plaques tectoniques et que plus il y a de magma fondu, plus les plaques se déplacent rapidement.

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