Les panaches ont-ils déclenché la tectonique des plaques ?

Il s'est notamment inspiré des études de la surface de la planète Vénus. Cette planète n'a jamais connu de tectonique des plaques. En revanche, Gerya a observé (et modélisé) sur Vénus des structures qui étaient peut-être également présentes à la surface de la Terre au début de l'histoire de la Terre (précambrien), avant le début de la tectonique des plaques : d'énormes cercles ressemblant à des cratères. Ceux-ci indiquent probablement que des panaches du manteau sont remontés à la surface depuis le noyau de fer de Vénus, ramollissant et affaiblissant la peau de cette planète. Les panaches se forment profondément à l'intérieur de Vénus et s'élèvent jusqu'en dessous de son enveloppe rigide, emportant avec eux des matériaux du manteau partiellement fondus. Freiné par la résistance de la lithosphère dure, le flux de matière se propage latéralement et prend la forme d'un champignon. Les panaches ont veillé à ce que la lithosphère soit affaiblie et déformée.

De tels panaches existent probablement aussi à l'intérieur de la Terre. Par analogie avec Vénus, ils pourraient avoir généré des points faibles dans la lithosphère de la Terre à l'époque préhistorique, nécessaires au début de la tectonique des plaques.

Le panache du manteau crée un point faible

En collaboration avec des collègues, le géophysicien de l'ETH a donc développé de nouveaux modèles informatiques qui lui ont permis d'étudier cette idée pour la première fois en haute résolution et en trois dimensions. La publication correspondante vient d'être publiée dans "Nature".

Ainsi, les simulations montrent que les panaches du manteau et les zones de faiblesse qu'ils génèrent pourraient effectivement avoir initié les premières zones de subduction.

Dans les simulations, un panache affaiblit la lithosphère qui le recouvre. Il se forme un point faible circulaire de plusieurs dizaines à centaines de kilomètres de diamètre qui s'amincit. Celle-ci s'étire au fil du temps gr?ce à l'apport de matériaux provenant des profondeurs du manteau terrestre. "Pour pouvoir élargir un anneau, il faut le briser", explique le chercheur. Il en va de même pour la peau de la Terre : le point faible en forme d'anneau ne peut s'élargir (dans le modèle) que si les bords se déchirent.

L'eau lubrifie le bord de la plaque

Les fissures finissent par se propager dans la lithosphère. De grandes plaques de celle-ci plongent dans le manteau mou, les premiers bords de plaques se forment. La force de traction générée par l'immersion de ces mottes met alors la plaque en mouvement. Elle plonge, bien lubrifiée par l'eau de mer emprisonnée dans les océans qui la recouvrent. La subduction se met en marche - et avec elle la tectonique des plaques. "L'eau, en tant que lubrifiant, est une nécessité absolue pour qu'une subduction auto-entretenue se mette en place", explique Gerya.

Dans leurs simulations, les chercheurs comparent différentes conditions de température et différents états de la lithosphère. Ils en concluent que la tectonique des plaques induite par les panaches n'a probablement pu se développer que dans les conditions qui prévalaient au Précambrien, il y a environ trois milliards d'années. A cette époque, la lithosphère était certes déjà épaisse et refroidie, mais le manteau était encore très chaud. Il y avait donc suffisamment d'énergie pour affaiblir de manière décisive la lithosphère située au-dessus d'un panache.

Si la lithosphère avait été mince et chaude, c'est-à-dire molle, seule une structure annulaire se serait détachée au-dessus du chapeau du panache, selon les simulations. Celle-ci s'enfoncerait rapidement et uniformément dans le manteau, mais n'entra?nerait pas de déchirure ni de plongée de la lithosphère et ne créerait finalement pas de bords de plaques. De même, dans les simulations informatiques, dans les conditions actuelles où les différences de température entre la lithosphère et le matériau du panache sont moindres, il est très rare que la subduction déclenchée par le panache se produise, car la lithosphère est déjà trop rigide et le panache ne l'affaiblit presque plus suffisamment.

Mécanisme dominant

"Nos nouveaux modèles expliquent de manière très plausible la formation de la tectonique des plaques", explique le géophysicien. Selon lui, l'activité des panaches est suffisante pour que la mosa?que de plaques actuelle se forme. Gerya considère même la force des panaches comme le déclencheur dominant de la tectonique des plaques à l'échelle mondiale.

Les simulations peuvent également expliquer comment se forment les "triple junctions", c'est-à-dire les zones où trois plaques se rencontrent. Une telle triple jonction se forme en étirant dans différentes directions le "couvercle" mou situé au-dessus du panache qui s'écrase. Une telle triple bifurcation s'observe par exemple dans la Corne de l'Afrique, dans le triangle formé par l'?thiopie, l'?rythrée et Djibouti.

Une zone de fragilisation comparable, et donc un point de départ pour la tectonique des plaques mondiale, existe probablement aussi sur la Terre moderne : les scientifiques de la Terre en voient une dans la plaque des Cara?bes. Sa forme, sa position et son extension correspondent en grande partie aux simulations effectuées avec les nouveaux modèles.

Si l'on se basait uniquement sur des observations, il serait impossible de prouver comment la tectonique des plaques a commencé sur le globe terrestre. Il n'existe pas de données géophysiques et peu de données géologiques datant des premiers temps de la Terre, et les expériences en laboratoire ne sont pas possibles pour des processus tectoniques à très grande échelle et à très long terme, explique le chercheur de l'ETH. "Les modèles informatiques sont donc notre seul moyen de reproduire et de comprendre les processus des débuts de l'histoire de la Terre".