Remplacer et soulever au lieu de bulldozer

Pendant longtemps, les géologues sont partis du principe que les Alpes s'étaient formées suite à la collision entre la plaque adriatique au sud et la plaque européenne au nord. Selon ce point de vue, la plaque adriatique pousse les roches devant elle comme un bulldozer et empile ainsi les montagnes. Le poids de cette dernière pousse alors la plaque continentale sous-jacente vers le bas. Il en résulte la formation d'une cuvette - le Plateau suisse - sur la cro?te adjacente à la cha?ne de montagnes. Au fil du temps, ce creux s'enfonce plus profondément avec le reste de la plaque.

Mais il y a quelques années, le géophysicien de l'ETH Edi Kissling ainsi que Fritz Schlunegger, un spécialiste des sédiments de l'Université de Berne, ont exprimé des doutes sur cette théorie en se basant sur des données géophysiques et géologiques récentes. Les deux chercheurs ont donc postulé un mécanisme alternatif de formation des Alpes.

La topographie et l'altitude inchangées ont laissé perplexe

Kissling et Schlunegger ont ainsi montré que la topographie et l'altitude des Alpes sont restées pratiquement inchangées au cours des 20 derniers millions d'années. En revanche, l'auge du Plateau a continué à s'abaisser. Selon les chercheurs, cela indique que la formation des Alpes centrales et l'abaissement de l'auge ne sont pas liés comme on le pensait jusqu'à présent. En effet, si l'auge s'était formée suite à la compression de deux plaques, il devrait y avoir des indices d'une croissance continue des Alpes - car la collision des plaques, la formation de l'auge et la hauteur des montagnes sont couplées selon la compréhension antérieure de la formation des Alpes.

Le comportement de la plaque européenne fournit une nouvelle explication possible. Dans un premier temps, la partie océanique de la plaque européenne se glisse sous la microplaque adriatique au sud. Ensuite, lorsque la subduction est suffisamment avancée pour que la partie continentale de la plaque européenne commence à entrer en collision avec la microplaque adriatique, la cro?te terrestre supérieure, plus légère, se détache de la mantellithosphère sous-jacente, plus lourde, dans cette zone. Alors que la cro?te terrestre émerge en raison de son poids plus faible, donnant ainsi littéralement naissance aux Alpes, la mantellithosphère continue de s'enfoncer dans le manteau terrestre, entra?nant ainsi la partie adjacente de la plaque vers le bas.

Cela est possible parce que les Alpes sont composées de gneiss et de granite. Ces roches crustales sont nettement plus légères que le manteau terrestre, dans lequel plonge la couche inférieure de la plaque, la mantellithosphère. "Il en résulte de fortes forces de poussée qui soulèvent les Alpes", explique Edi Kissling. "Les Alpes se sont donc formées en raison de ces forces de poussée, et non par effet bulldozer d? à la collision des deux plaques continentales".

Un nouveau modèle confirme l'hypothèse de la poussée d'Archimède

Pour étudier l'hypothèse de la poussée d'Archimède, Luca Dal Zilio, ancien doctorant auprès du professeur de géophysique de l'ETH Taras Gerya, a maintenant développé un nouveau modèle en collaboration avec Edi Kissling et d'autres chercheurs de l'ETH. Sur l'ordinateur central "Euler" de l'ETH, Dal Zilio a ensuite simulé les processus de tectonique des plaques dans la zone de subduction sous les Alpes, qui durent des millions d'années, et les tremblements de terre qui les accompagnent.

"Le grand défi de ce modèle est de couvrir les échelles de temps. Il prend en compte les déplacements de quelques secondes qui se traduisent par des tremblements de terre, tout comme les déformations de la cro?te et de la mantellithosphère au cours des millénaires", explique Dal Zilio, premier auteur de l'étude qui vient d'être publiée dans la revue Geophysical Review Letters.

La simulation en différentes étapes :

Il y a 37 millions d'années, la subduction de la partie océanique plus lourde de la plaque européenne (de gauche à droite) sous la plaque continentale plus légère de l'Adriatique (à droite) est en plein essor au sud. Une cha?ne de montagnes (en jaune, rayée) s'est formée au-dessus de la jonction et ne dépasse le niveau de la mer que sous forme d'?les isolées. En vert clair : Manteau terrestre ; bande verte : lithosphère ; bande étroite vert foncé : cro?te océanique ; bandes roses et rouges : Cro?te inférieure. Bandes grises : cro?te supérieure.

Au cours des millions d'années à venir, la courbure de la plaque océanique s'accentue, elle s'enroule pour ainsi dire. Dans son ensemble, la plaque européenne ne bouge pas d'un pouce. La plaque plongeante développe ainsi un effet d'aspiration sur la plaque adriatique beaucoup plus petite, ce qui l'entra?ne vers le nord (à gauche sur l'image).

Lorsque la subduction est suffisamment avancée pour que la partie continentale plus légère de la plaque européenne commence à entrer en collision avec la microplaque adriatique, la cro?te terrestre supérieure, plus légère, se détache dans cette zone de la mantellithosphère, plus lourde, située en dessous. Alors que la cro?te terrestre émerge en raison de son poids plus faible, la mantellithosphère continue de s'enfoncer dans le manteau terrestre, entra?nant ainsi la partie adjacente de la plaque vers le bas.

Un moment décisif, il y a 30 millions d'années avant notre époque : la partie la plus avancée de la plaque immergée se brise. Son poids gigantesque s'en trouve réduit. Elle se détend comme un ressort à lames et se rétracte. Cela renforce le soulèvement des montagnes, qui s'élèvent presque jusqu'à leur hauteur actuelle.

La subduction de la plaque résiduelle se poursuit, bien que plus lentement. La plaque adriatique continue d'être aspirée vers le nord. En surface, le soulèvement et l'érosion s'équilibrent, de sorte que les Alpes restent à peu près à la même altitude au cours des 30 derniers millions d'années.

Selon Edi Kissling, le modèle peut très bien reproduire les processus de soulèvement que lui et son collègue ont postulés. "Le grand avantage de ce modèle est qu'il est dynamique", explique-t-il. Selon lui, les modèles précédents avaient une approche plus rigide ou mécanique, qui ne tenait pas compte des changements de comportement des plaques. "Toutes les observations que nous avons faites jusqu'à présent concordent avec ce modèle", souligne le géophysicien.

Les lois physiques sont à la base du modèle. Ainsi, la plaque européenne semble certes s'enfoncer vers le sud. Mais contrairement au modèle normal de subduction, elle ne se déplace pas dans cette direction, car la position du continent reste stable. Cela oblige la lithosphère en subduction à reculer simultanément vers le nord. La plaque européenne exerce ainsi une aspiration sur la plaque adriatique relativement petite. Celle-ci serait comparable à un navire en train de couler. L'aspiration qui en résulte est très forte, explique le professeur de l'ETH. Et il est suffisant pour aspirer la petite microplaque adriatique et la faire entrer en collision avec la cro?te de la plaque européenne. "Le mécanisme qui met les plaques en mouvement n'est donc pas une poussée, mais une traction". Le moteur derrière cette aspiration n'est en fin de compte rien d'autre que la gravitation qui agit sur la plaque plongeante.

La sismicité sous un nouveau jour

En outre, le modèle reproduit également la répartition des tremblements de terre, ce que l'on appelle la sismicité, dans les Alpes centrales, dans la cuvette du Plateau et sous la plaine du P?. "Notre modèle est le premier simulateur de séismes pour les Alpes centrales suisses", explique Dal Zilio.

Selon le modèle, la sismicité sous les Alpes est très différente de celle qui prévaut sous le plateau central, l'arc jurassien et la plaine du P?. Les tremblements de terre sont donc plus fréquents et moins profonds sous les Alpes, alors qu'ils sont plus rares et plus profonds sous le Plateau et le Jura.

L'avantage de ce simulateur de séisme est qu'il couvre une très longue période. Il reproduit ainsi des séismes très puissants qui se produisent extrêmement rarement.

"Les modèles sismiques actuels sont basés sur des statistiques", explique Dal Zilio. "Notre modèle, en revanche, est basé sur les lois géophysiques et prend donc en compte les séismes qui ne se produisent qu'une fois tous les cent ans". Les statistiques sismiques actuelles auraient tendance à sous-estimer ces séismes. Les nouvelles simulations améliorent donc l'évaluation du risque sismique en Suisse.

Cela a également une grande importance pratique : les modèles d'aléa sont notamment intégrés dans les prescriptions et les directives relatives à la construction antisismique ou à la prévention des catastrophes. Cependant, il ne sera toujours pas possible de prédire où et quand tel ou tel séisme se produira. "Personne n'est encore capable de faire une prévision fiable des tremblements de terre", souligne Dal Zilio. "Même notre modèle ne le peut pas".