Il existe sur Terre des paysages étonnants dont l’origine n’est encore pas bien comprise. C’est le cas du Basin and Range aux États-Unis, une province géologique caractérisée par des collines en forme de dômes et composées de roches provenant des profondeurs de la croûte continentale. Dans une nouvelle étude, des chercheurs proposent un scénario permettant d’expliquer la formation de ce paysage, à partir de l’effondrement d’une ancienne chaîne de montagnes.

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Aux États-Unis se trouve une étonnante province géologique connue sous le nom de Basin and Range. Sur les cartes topographiques, cette région de l’ouest américain se reconnaît par sa surface « ridée », marquée par la présence de nombreuses chaînes de collines agencées de manière plus ou moins parallèles et séparées par de longues et larges vallées.

La province géologique du <em>Basin and Range</em> dans l'ouest des États-Unis, caractérisée par sa topographie particulière marquée par une succession de chaînes de petites montagnes arrondies. © Nasa, Wikimedia Commons, domaine public
La province géologique du Basin and Range dans l'ouest des États-Unis, caractérisée par sa topographie particulière marquée par une succession de chaînes de petites montagnes arrondies. © Nasa, Wikimedia Commons, domaine public

Cet étrange paysage intrigue depuis longtemps les géologues du monde entier. C’est en tentant de comprendre son origine qu'ils ont fait une étonnante découverte, au début des années 1980. Alors que l’on pensait que ces structures étaient d’origine volcanique, l’étude des petites collines a en effet révélé qu’il s’agit en réalité de dômes composés de roches métamorphiques originaires de la croûte profonde, dénudées le long de grandes failles à faible pendage. En d’autres termes, l’ensemble de ces petites montagnes se serait formé lors d’un épisode d’extension extrême, durant lequel de grandes failles normales (appelées failles de détachement) auraient lentement fait remonter des roches profondes pour les exposer en surface.

Paysage du <em>Basin and Range</em>, avec ses petites montagnes en forme de dômes et composées de roches provenant de la croûte profonde. © BLM Nevada, Wikimedia Commons, CC BY 2.0
Paysage du Basin and Range, avec ses petites montagnes en forme de dômes et composées de roches provenant de la croûte profonde. © BLM Nevada, Wikimedia Commons, CC BY 2.0

Faire remonter des roches de la croûte inférieure par la mécanique des failles

Ce mécanisme étonnant est possible par une rotation progressive de la faille (mécanisme de roll-over), qui va venir former un dôme de roches métamorphiques dont la surface n’est autre que le plan de faille lui-même, totalement mis à nu. Ces structures géologiques en dôme ont été désignées par le terme de metamamorphic core complex (MCC). Depuis, de nombreux autres exemples ont été observés, notamment dans les chaînes de montagnes (Pyrénées, Alpes) ou au niveau des marges continentales. Des structures équivalentes ont été observées en domaines océaniques, en particulier au niveau des dorsales : il s’agit des « oceanic core complex », qui se caractérisent quant à eux par des dômes composés de roches du manteau.

Formation d'un <em>metamorphic core complex</em>, par exhumation de roches profondes (grises) le long d'une faille de détachement (rouge). © ManuRoquette, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Formation d'un metamorphic core complex, par exhumation de roches profondes (grises) le long d'une faille de détachement (rouge). © ManuRoquette, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

La découverte de ces structures est cependant venue perturber les connaissances scientifiques concernant la mécanique des failles. En effet, la théorie d’Anderson stipule qu’une faille normale ne peut se développer en contexte extensif qu’avec un angle important, de plus de 45°. Si cette théorie, qui repose sur les caractéristiques mécaniques et physiques des roches est vraie la plupart du temps, l’existence des metamorphic core complex comme ceux du Basin and Range montre que dans certaines conditions bien particulières, des failles peuvent se développer en extension avec un angle de moins de 30°, menant à la dénudation par action mécanique (et non volcanique) de roches gisant normalement à plusieurs kilomètres sous la surface terrestre. Aujourd’hui, de nombreux modèles existent pour expliquer ce processus d’exhumation tectonique. Mais l’origine du Basin and Range reste débattue.

Une région étirée à l’extrême grâce à ce processus d’exhumation

Ce qui est sûr, c’est que cette région a subi un amincissement extrême, qui en fait aujourd’hui l’une des régions du monde où la croûte continentale est la plus fine. La croûte aurait ainsi pu gagner jusqu’à 100 % de sa largeur initiale, grâce à ce processus de dénudation. Cette phase d’extension extrême se serait initiée il y a environ 55 millions d’années, en lien avec un retrait de la plaque plongeante (slab) de Farallon, qui passe en subduction sous la plaque nord-américaine au niveau de la côte Ouest. Les MCC se seraient formés durant cette période, jusqu’à il y a 20 voire 10 millions d’années. D’après le cycle de Wilson, qui décrit l’évolution de la lithosphère continentale comme un grand cycle de raccourcissement, formation de chaînes de montagnes, extension et ouverture océanique, cette phase d’extension extrême est donc venue délaminer une ancienne chaîne de montagnes : on parle d’effondrement orogénique.  

La formation si spécifique des dômes métamorphiques du Basin and Range pourrait-elle donc résulter directement de la présence d’une ancienne chaîne de montagnes, dont il ne resterait aujourd’hui plus aucune trace ?

Dômes métamorphiques : résultat de l’effondrement d’une ancienne chaîne de montagnes

Des scientifiques américains se sont posé la question. À l’aide de modélisations numériques, ils ont réussi à expliquer la formation des MCC dans ce contexte, en montrant que ces structures résultent bien de l’effondrement d’une chaîne de montagnes et de la présence d’une racine crustale épaisse.  

Leurs résultats, publiés dans la revue Nature Communications, suggèrent que le poids de la chaîne de montagnes et la présence d’une racine crustale (un peu à l’image de la partie immergée d’un iceberg) engendrent un fluage de matériel au sein de la croûte moyenne et inférieure, soit à plus de 20 kilomètres de profondeur. Sous l’effet des forces gravitationnelles et de la dynamique extensive, les roches formant la racine crustale profonde vont ainsi se déplacer, entraînant un effet de « rebond » crustal et un effondrement de la topographie en surface. Cet effondrement de la chaîne de montagnes va s’accompagner par le développement de failles normales classiques, qui vont commencer à amincir la croûte. Le rebond de la racine crustale va cependant générer un nouveau flux de matériel chaud et profond vers la surface, sous la forme d’un dôme. Cette remontée va être accommodée par la formation d’une faille de détachement, qui va progressivement s’aplanir pour venir exhumer le matériel profond et former un dôme métamorphique en surface.

Modèle de formation des dômes métamorphiques composant la région du <em>Basin and Range : </em>fluage de la croûte inférieure au niveau de la racine crustale, sous l'effet du poids de la chaîne de montagnes et de l'extension (a), effondrement de la chaîne de montagnes et développement de failles normales (b), remontée de matériel profond le long d'une faille de détachement (c) et formation d'un dôme métamorphique (MCC) en surface (d). © Bahadori et al. 2022, <em>Nature Communications</em>, CC BY 4.0
Modèle de formation des dômes métamorphiques composant la région du Basin and Range : fluage de la croûte inférieure au niveau de la racine crustale, sous l'effet du poids de la chaîne de montagnes et de l'extension (a), effondrement de la chaîne de montagnes et développement de failles normales (b), remontée de matériel profond le long d'une faille de détachement (c) et formation d'un dôme métamorphique (MCC) en surface (d). © Bahadori et al. 2022, Nature Communications, CC BY 4.0

Pour les chercheurs, les provinces comme celle du Basin and Range, composées de séries de metamorphic core complex, pourraient donc être interprétées comme la signature fossile d’une ancienne chaîne de montagnes effondrée. Ces résultats sont en accord avec de précédentes études qui suggèrent la présence passée d’une chaîne de montagnes dans cette région, avec des sommets culminant à plus de 3 000 mètres et une croûte épaisse de 60 kilomètres. Ces résultats pourraient permettre d’expliquer l’origine des MCC dans de nombreux autres endroits du globe.