La tectonique des plaques : une Terre en mouvement

On commence par une observation, avant toute théorie.

Depuis plus d'un siècle, on enregistre les séismes et on note l'emplacement des volcans actifs. On reporte ces milliers de points sur un planisphère : le résultat est surprenant. Leur répartition est très inégale. Ils se rassemblent en lignes étroites, longues de milliers de kilomètres — tout autour du Pacifique, au milieu de l'Atlantique, de la Méditerranée jusqu'à l'Himalaya. Entre ces lignes s'étendent d'immenses régions où il ne se passe presque rien.

Si les points s'alignent, c'est que quelque chose les aligne. Ce quelque chose, ce sont les bords d'un puzzle.

La surface de la Terre est rigide, et elle est découpée. La couche externe du globe, la lithosphère, est solide, rigide et cassante. Elle rassemble deux choses : la croûte — océanique ou continentale — et la partie supérieure du manteau, celle qui est assez froide pour être rigide. Son épaisseur est d'environ une centaine de kilomètres.

Attention au vocabulaire dès maintenant : la croûte n'est qu'une partie de la lithosphère. Confondre les deux est l'erreur la plus courante du chapitre.

Cette lithosphère est brisée en une douzaine de morceaux : les plaques. Une même plaque peut porter à la fois de la croûte océanique et de la croûte continentale — les continents ne se déplacent pas séparément, ils sont embarqués sur leur plaque.

Sous les plaques, l'asthénosphère. Juste en dessous, la roche est chaude au point de se déformer : c'est l'asthénosphère. Et voici le point que presque tout le monde comprend de travers : cette couche est solide, pas liquide. Il n'y a pas d'océan de magma sous les pieds.

Comment une roche solide peut-elle se déformer ? Il suffit de penser à la glace d'un glacier. Elle est parfaitement solide — on marche dessus, elle casse en crevasses — et pourtant le glacier s'écoule, de quelques dizaines de mètres par an. Solide et déformable ne s'excluent pas : tout dépend de la vitesse à laquelle on regarde.

Le mécanisme clé. Les plaques se déplacent lentement les unes par rapport aux autres, de quelques centimètres par an. Là où deux plaques se rejoignent, les roches sont contraintes, elles se déforment, puis rompent brutalement : c'est un séisme. L'énergie libérée part dans toutes les directions sous forme de vibrations, les ondes sismiques, qui font trembler le sol.

Voilà pourquoi une grande partie des séismes dessine les frontières de plaques. Des séismes existent aussi à l’intérieur des plaques, notamment sur des failles anciennes remises sous contrainte : la carte ne se réduit pas aux seuls bords du puzzle.

Deux plaques voisines n'ont que trois manières de bouger l'une par rapport à l'autre : s'écarter, se rapprocher, ou glisser côte à côte. À chacune correspond un type de frontière, un paysage et une signature.

1. Les plaques s'écartent : la dorsale. Au fond des océans court une immense chaîne sous-marine, la dorsale océanique. Le long de son axe, les deux plaques s'écartent, et de la roche fondue venue du manteau remonte, refroidit et forme du plancher océanique neuf. L'océan s'agrandit. Les séismes y sont nombreux mais peu profonds, et le volcanisme y est presque continu. L'Islande est l'un des rares endroits où cette dorsale émerge.

2. Les plaques se rapprochent : la subduction. Quand une plaque océanique rencontre une autre plaque, elle s'enfonce dessous et plonge dans le manteau : c'est une zone de subduction. En surface se creuse une fosse profonde ; un peu en retrait s'alignent des volcans souvent explosifs. Ici, du plancher océanique disparaît. Les séismes y sont les plus puissants, et ils se produisent jusqu'à de grandes profondeurs, le long du plan que suit la plaque plongeante.

Quand ce sont deux morceaux de croûte continentale qui se rencontrent, leur flottabilité freine l’enfouissement continental ; une partie peut néanmoins être entraînée en profondeur. La collision provoque surtout un épaississement et de fortes déformations. Les roches se plissent, s'empilent et s'élèvent — c'est ainsi que naissent des chaînes de montagnes comme l'Himalaya.

3. Les plaques glissent : la faille coulissante. Deux plaques peuvent aussi frotter l'une contre l'autre en sens contraires, sans que rien ne soit créé ni détruit. Le glissement est irrégulier : la faille se bloque, la contrainte s'accumule, puis la rupture survient. Des séismes, donc, mais pas de volcanisme. La faille de San Andreas, en Californie, en est l'exemple le plus connu.

Une conséquence à ne pas manquer : la Terre ne grandit pas. Aux dorsales, du plancher océanique se crée sans arrêt. Si rien n'en détruisait, le globe gonflerait. Or il ne gonfle pas : ce qui est créé aux dorsales est, à l'échelle du globe, compensé par ce qui disparaît en subduction. La lithosphère est recyclée en permanence.

L'histoire de cette idée, et pourquoi elle a été rejetée. En 1915, Alfred Wegener propose que les continents se déplacent. Ses arguments sont sérieux : le tracé des côtes de l'Afrique et de l'Amérique du Sud s'emboîte, on trouve les mêmes fossiles d'espèces terrestres de part et d'autre de l'Atlantique, et les structures géologiques se prolongent d'un continent à l'autre.

Son hypothèse est pourtant rejetée pendant près de cinquante ans, pour une raison qu'il faut retenir : les mécanismes qu’il proposait ne rendaient pas compte de façon satisfaisante du déplacement des continents. La mise à l’épreuve d’une hypothèse combine observations, prédictions et mécanismes physiques.

Ce sont les fonds océaniques, explorés à partir des années 1950, qui ont tranché. On y a mesuré l'âge du plancher : nul le long de l'axe des dorsales, il augmente régulièrement à mesure qu'on s'en éloigne, et souvent de manière approximativement symétrique de part et d’autre, sans que cette symétrie soit universelle. Le plancher est donc fabriqué à l'axe, puis écarté. Ce n'étaient pas les continents qui naviguaient : ce sont des plaques entières qui se déplacent, continents compris.

Prévoir un séisme ? Non. Se préparer ? Oui. C'est la nuance décisive, et elle n'est pas un détail de vocabulaire.

Personne aujourd'hui ne sait annoncer la date d'un séisme. En revanche, on peut cartographier les zones exposées et estimer des probabilités de secousses sur une durée donnée, à partir des failles, des séismes passés et de modèles. Cela ne détermine ni le lieu exact ni la date du prochain événement, et les zones intraplaques ne sont pas exemptes d’aléa. On peut donc agir sur ce qui est prévisible :

1. cartographier les zones exposées, et y adapter les règles de construction ;
2. construire des bâtiments capables de se déformer sans s'effondrer ;
3. préparer les populations, entraîner les gestes, organiser l'alerte.

Un séisme de même puissance ne fait pas les mêmes victimes selon que les bâtiments ont été conçus pour lui résister ou non. C'est là que se joue la prévention. L'étude détaillée de la structure interne du globe par les ondes sismiques, et celle des roches magmatiques, s'abordent au lycée.

Comment mesure-t-on la vitesse d'une plaque, qui avance moins vite qu'un ongle pousse ? En utilisant le plancher océanique comme un chronomètre.

Rappel du principe. Le plancher océanique se forme à l'axe de la dorsale, puis s'en écarte. Un échantillon prélevé loin de l'axe s'est donc formé il y a longtemps, et il a parcouru la distance qui le sépare de l'axe depuis sa formation. Connaître son âge et sa distance suffit à calculer une vitesse.

Données de l'énoncé. On suppose ici une expansion symétrique autour d’un axe de dorsale fixe dans le référentiel choisi. Dans ce modèle, un échantillon de plancher prélevé à $d = 1\,000$ km de l'axe de la dorsale s'est formé il y a $t = 50$ Ma (1 Ma = 1 million d'années).

1. Calculer la vitesse moyenne de la plaque par rapport à l'axe de la dorsale, en centimètres par an.

La relation est celle de la vitesse moyenne, la même que pour tout déplacement :

Avant de diviser, il faut des unités cohérentes avec la réponse demandée : la distance en centimètres, la durée en années.

La plaque s'éloigne donc de l'axe de la dorsale à $2{,}00$ cm/an. Attention à ce que dit exactement ce résultat : la distance a été mesurée depuis l'axe, donc $2{,}00$ cm/an est la vitesse de cette plaque par rapport à l'axe. Comme la plaque d'en face s'écarte de la même façon de l'autre côté, les deux plaques s'écartent l'une de l'autre à $4{,}00$ cm/an.

Deux centimètres par an : l'ordre de grandeur réel du déplacement des plaques, et à peu près la vitesse de croissance d'un ongle.

2. Combien de temps faudrait-il, à cette vitesse, pour parcourir 3 000 km ?

On isole la durée dans la même relation : $t = \dfrac{d}{v}$.

Converti en millions d'années (1 Ma = 1 000 000 ans) : $t = 150$ Ma.

3. Contrôler la vraisemblance du résultat.

Le résultat est cohérent avec les données et le modèle : à une vitesse supposée constante de $2$ cm/an, parcourir $3\,000$ km demande $150$ Ma. Ce contrôle ne fixe pas une limite universelle à l’âge du plancher océanique.

La majeure partie du plancher des bassins océaniques actuels est beaucoup plus jeune que les continents : la lithosphère océanique est créée aux dorsales puis recyclée en subduction. Des âges supérieurs à $180$ Ma ne sont pourtant pas impossibles ; une valeur au-delà de ce repère ne suffit donc pas, à elle seule, à rejeter un calcul.

Ce que cet exemple démontre. Une vitesse minuscule, prolongée sur des durées géologiques, produit des déplacements considérables : 2 cm par an font 2 000 km en 100 millions d'années. Ce n'est pas la vitesse qui est extraordinaire, c'est le temps dont dispose la Terre.

Contrôles utiles : comparer la vitesse à l’ordre de grandeur fourni par la consigne, vérifier les conversions, et distinguer la vitesse d’un flanc de l’ouverture totale. Exprimer une très petite vitesse en m/s est possible ; c’est sa valeur numérique qu’il faut contrôler, pas interdire cette unité.

Figure (fig.geology.plate-boundaries, SVG programmatique existant) : un planisphère de raisonnement, surmonté d'une coupe qui explique ce que les lignes signifient.

• Partie haute — le planisphère. Les continents sont dessinés en contour simple, sans relief ni couleur de pays. Deux informations seulement y sont portées :
• des points noirs schématisant une distribution de séismes, et non un relevé de chaque événement réel, qui se rassemblent d'eux-mêmes en bandes étroites : tout autour du Pacifique, au milieu de l'Atlantique, de la Méditerranée à l'Himalaya ; les vastes intérieurs de continents et de bassins océaniques en sont presque dépourvus ;
• par-dessus, le tracé des frontières de plaques, en trait épais, qui suit ces bandes. Les principales plaques sont nommées en capitales espacées, à l'intérieur de leur contour.
• Le type de chaque frontière est lisible sans couleur, par le symbole porté par le trait : double flèche divergente pour une dorsale, triangles pointant vers la plaque chevauchante pour une subduction, deux demi-flèches opposées pour une faille coulissante. Ces trois symboles figurent en légende.
• Partie basse — la coupe. Une bande horizontale montre, de gauche à droite et à la même échelle verticale : une dorsale au centre-gauche, deux plaques s'écartant de son axe, puis une fosse et une plaque qui plonge en biais sous sa voisine.
• Deux couches sont distinguées et étiquetées : la lithosphère, rigide, hachurée en traits serrés, environ 100 km d'épaisseur ; l'asthénosphère, solide mais déformable, hachurée en traits très espacés. Une note explicite : l'asthénosphère est solide — ce n'est pas un océan de magma.
• Sur la lithosphère, la croûte est une bande fine soulignée d'un liseré, avec une étiquette : la croûte n'est que la partie supérieure de la lithosphère.
• Des flèches d'écartement partent de l'axe de la dorsale vers la gauche et vers la droite, annotées quelques cm par an.
• De petites croix marquent les foyers des séismes : superficielles et groupées sous la dorsale, échelonnées de plus en plus profondément le long de la plaque plongeante.

Ce qu'il faut lire. L'ordre de lecture est le raisonnement lui-même, et il va du haut vers le bas. En haut, une observation brute : les points ne sont pas dispersés, ils s'alignent. Si l'on superpose le tracé des frontières, les lignes coïncident : c'est ce qui justifie de découper la lithosphère en plaques, et non l'inverse. En bas, l'explication : les séismes se concentrent aux frontières où les plaques interagissent. Ce schéma n’exclut pas les séismes intraplaques. La coupe règle en même temps deux confusions : la croûte n'est qu'un liseré au sommet de la lithosphère, et l'asthénosphère est hachurée comme une matière solide, jamais dessinée comme un liquide.

La figure en détail : figure en deux parties. En haut, un planisphère aux continents dessinés en contour simple. Des points noirs, schématisant la distribution des séismes, sans constituer un catalogue d’événements réels, s'y rassemblent en bandes étroites : tout autour de l'océan Pacifique, au milieu de l'océan Atlantique, et de la Méditerranée jusqu'à l'Himalaya. Les intérieurs des continents et des bassins océaniques en sont presque dépourvus. Par-dessus ces bandes est tracé, en trait épais, le contour des principales plaques, qui coïncide avec elles. Chaque portion de frontière porte un symbole indiquant son type : une double flèche divergente pour une dorsale où les plaques s'écartent, une file de triangles pour une zone de subduction où une plaque s'enfonce sous l'autre, deux demi-flèches opposées pour une faille où les plaques coulissent. En bas, une coupe verticale de la partie externe du globe. On y voit, de gauche à droite, une dorsale océanique dont l'axe est le point de départ de deux flèches d'écartement annotées quelques centimètres par an, puis une fosse profonde où une plaque plonge en biais sous sa voisine. Deux couches sont distinguées par des hachures de densités différentes et étiquetées : la lithosphère, rigide, d'environ cent kilomètres d'épaisseur, dont la croûte n'est que la fine bande supérieure ; et sous elle l'asthénosphère, solide mais déformable, avec la mention qu'il ne s'agit pas d'un océan de magma. De petites croix marquent les foyers des séismes : superficielles et groupées sous la dorsale, elles s'échelonnent de plus en plus profondément le long de la plaque qui plonge.