Plissement dans des roches carbonatées dans un bassin d’avant-pays au Tadjikistan qui atteste d’une déformation ductile. © Somaz Mohadjer (imaggeo.egu.eu)
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Résistance de la lithosphère : les lois de la rhéologie

Question/RéponseClassé sous :Géologie , rhéologie , lithosphère
 

La partie externe de la Terre est considérée comme rigide. Elle est composée des plaques lithosphériques dont l'épaisseur varie de quelques kilomètres pour les parties océaniques, à 300 kilomètres pour les parties continentales les plus anciennes. Ces plaques se déplacent et sont soumises à d'intenses déformations tectoniques. Mais pour comprendre la manière dont les plaques se déforment, il faut d'abord connaître leur rhéologie.

La rhéologie est la science qui étudie le comportement mécanique des matériaux. La lithosphère répond à certaines lois rhéologiques en fonction de sa composition et de sa température (et donc de la profondeur). Ces lois définissent des comportements cassants ou ductiles de la roche, qui vont influencer la manière dont la lithosphère va se déformer.

La lithosphère, une enveloppe rigide mais élastique

À grande échelle, la lithosphère est considérée comme élastique. L'élasticité correspond à une déformation non permanente et totalement réversible. La déformation cesse dès que la contrainte appliquée cesse également. Prenons par exemple l'effet des marées terrestres. Il s'agit de mouvements élastiques répétés, liés à l'attraction de la Lune, qui déforment la Terre et peuvent faire varier périodiquement l'altitude d'un point de plusieurs centimètres (jusqu'à 30-40 cm au niveau de l'équateur). L'élasticité de la lithosphère permet notamment aux ondes sismiques de se propager.

Mais lorsque nous observons les roches et les paysages autour de nous, nous pouvons voir un autre type de déformation. Il est en effet fréquent d'observer des failles ou des plissements. Ces structures montrent que le comportement mécanique des roches de la lithosphère est différent à petite échelle. On parle de comportement cassant ou ductile. La déformation cassante se produit plutôt dans les parties superficielles de la lithosphère, sous des températures et pressions relativement basses.

Exemple de faille normale, attestant d’un comportement cassant. © Luka Adikashvili (imaggeo.egu.eu)

La déformation ductile s'observe sous des conditions de températures et de pressions plus élevées, c'est-à-dire en profondeur, au-delà du seuil de plasticité des roches. Dans cet environnement, les roches pourtant solides sont capables de se déformer sans se rompre suivant un phénomène de fluage plastique. C'est un processus essentiel dans la dynamique terrestre, qui permet notamment le déplacement des plaques et la convection au sein du manteau. Par exemple, le granite est cassant en surface mais devient ductile dès 10-20 km de profondeur. La profondeur à laquelle le comportement cassant disparaît au profit d'un comportement ductile s'appelle la limite fragile-ductile. Ces deux types de comportement de la lithosphère dépendent donc de sa composition lithologique ainsi que de paramètres physiques, dont la température.

Les enveloppes rhéologiques pour définir la résistance de la lithosphère

L'étude des séismes montre que les foyers sismiques sont distribués dans la partie superficielle de la lithosphère et ne dépassent généralement pas 20 à 30 km de profondeur dans le domaine continental, et 10 km dans le domaine océanique. Sous les montagnes cependant, une deuxième couche sismogène a été identifiée, entre 80 et 120 km de profondeur, dans le manteau. Les séismes étant associés à la rupture sur un plan de faille, ces données permettent de mettre en valeur l'existence de deux zones cassantes dans la lithosphère : l'une dans la croûte continentale ou océanique, l'autre dans le manteau supérieur. Entre ces deux zones se situe la croûte inférieure dont le comportement est ductile.

Cette zonation du comportement mécanique des roches de la lithosphère en fonction de la profondeur peut être schématisée sous forme de profils rhéologiques. Ces profils font intervenir certaines lois (loi de Bayerlee, loi de fluage), qui représentent la résistance du milieu en fonction de la profondeur et son comportement cassant ou ductile. Par exemple, pour une croûte continentale composée majoritairement de granites riches en quartz et en feldspaths, la résistance en compression augmente jusqu'à 350 °C. Jusqu'à cette température, la lithosphère a un comportement cassant et sismogène. Au-delà de cette température, le quartz acquiert un comportement ductile. La lithosphère perd alors de sa résistance rapidement avec la profondeur et l'augmentation de la température. Il s'agit de la partie ductile que représente la croûte inférieure.

Enveloppe rhéologique pour la lithosphère continentale. © Bernard Monod, Université de Pau et des Pays de l’Adour

La transition avec le manteau au niveau du Moho marque un changement brutal de comportement rhéologique lié au changement de composition lithologique : le minéral prédominant n'est plus le quartz mais l’olivine. À ces températures, de l'ordre de 700 à 800 °C, l'olivine a en effet un comportement cassant. Le manteau supérieur, situé juste sous le Moho, est donc beaucoup plus résistant que la croûte continentale. Cependant, avec l'augmentation de la pression et de la température, l'olivine acquiert rapidement un comportement ductile. La résistance du manteau supérieur chute jusqu'à la base de la lithosphère, située aux alentours de l'isotherme 1.200-1.300 °C.

Dans cette zone, les péridotites du manteau sont extrêmement ductiles et peuvent fluer très facilement, sous des contraintes très faibles. Les ondes sismiques ne s'y propagent pas facilement. Cette région du manteau, à l'interface entre la lithosphère et l'asthénosphère, est vue par les sismologues comme une zone à faibles vitesses sismiques (LVZ, Low velocity zone). À cause de cette caractéristique rhéologique, cette zone assure le découplage entre la lithosphère et l'asthénosphère, permettant notamment le mouvement des plaques au-dessus du manteau asthénosphérique.

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