Résistance broyée

La surface de la Terre est constituée de quelques grandes plaques et d'un grand nombre de petites plaques qui s'éloignent ou se rapprochent les unes des autres de manière continue et extrêmement lente. Aux frontières de deux plaques, la plaque océanique, plus lourde, s'enfonce sous la plaque continentale, plus légère. Les spécialistes appellent ce processus la subduction. Ils se demandent depuis longtemps ce qui se passe avec le bord de la plaque qui s'enfonce dans le manteau terrestre. Certains scientifiques ont supposé que le bord de la plaque en subduction restait aussi rigide et solide que la plaque elle-même et qu'il ne faisait que se plier, en raison de la gravité et des interactions mécaniques avec le manteau terrestre.

Bord de plaque fortement déformé

Les modèles de l'intérieur de la Terre réalisés par les scientifiques à l'aide de la tomographie sismique ont toutefois révélé des contradictions : dans l'ouest des ?tats-Unis, par exemple, les chercheurs ont identifié des taches à différentes profondeurs sur les tomographies. Celles-ci indiquaient que les bords des plaques plongées sous le continent américain pouvaient être segmentés. Ils en ont donc conclu que les bords des plaques devaient être fortement déformés dans le manteau et qu'ils n'étaient pas du tout rigides et immobiles.

Gr?ce à des modèles informatiques, d'autres chercheurs, dont le professeur de l'ETH Paul Tackley, ont confirmé que les bords de plaques subductées sont effectivement faibles et déformables. Et ils ont formulé une hypothèse qui peut se résumer en un simple dénominateur : Les plaques à la surface sont rigides et fortes (c'est-à-dire : non déformables), tandis que les bords dans le manteau sont mous et faibles.

Mécanisme plausible recherché

"Jusqu'à présent, il manquait toutefois à la recherche un mécanisme plausible pour expliquer comment cette courbure se produit et pourquoi les bords des plaques plongeantes deviennent mous et faibles", explique Taras Gerya, professeur de géophysique à l'ETH Zurich.

Les chercheurs savaient, gr?ce à des observations, que de nombreuses failles se trouvent sur la face supérieure d'une plaque plongeante, à la jonction avec une autre plaque. Ces failles permettent à l'eau de mer de pénétrer dans la plaque et même d'être littéralement aspirée par les forces d'aspiration. Cela affaiblit la plaque sur sa face supérieure. Mais cela ne suffit pas à expliquer la segmentation du bord de la plaque - les taches - observée sur les tomographies. Il faut un autre mécanisme qui affaiblisse suffisamment la face inférieure du bord de la plaque pour qu'une segmentation se produise.

Gerya et ses collègues américains David Bercovici et Thorsten Becker ont donc supposé que la compression de la face inférieure de la plaque dans le point de flexion écrasait des grains de cristaux d'olivine relativement gros et forts, de la taille d'un millimètre. Ceux-ci se regroupent ensuite en agrégats de grains beaucoup plus faibles, de la taille d'un micromètre seulement - ce qui brise la résistance et permet la flexion de la plaque.

Le bord plongeant d'une plaque est divisé en segments

Gr?ce à un nouveau modèle informatique bidimensionnel qui a intégré cette réduction des grains comme mécanisme central, les trois chercheurs ont étudié le processus in silico. L'étude correspondante vient d'être publiée dans la revue spécialisée Nature.

Et effectivement : les simulations ont montré que les plaques plongeantes se déforment en raison de la réduction massive des grains d'olivine sur leur face inférieure et se divisent en segments individuels avec le temps. Ces segments sont rigides, mais restent reliés les uns aux autres par des charnières faibles constituées de grains broyés. Sur la face supérieure de la plaque, des fissures parallèles apparaissent dans les simulations aux limites des segments. En dessous se trouvent les zones de grains minéraux broyés (voir graphique).

"On peut s'imaginer que c'est comme si on cassait une tablette de chocolat", explique Gerya. Une tablette de chocolat ne peut elle aussi être divisée en segments que le long des points faibles prédéfinis. Les tablettes de chocolat sont rigides, les pièces de jonction entre elles sont faibles. "C'est pourquoi même une plaque plongeant dans le manteau terrestre n'est pas uniformément courbée ou déformée, mais segmentée".

Voici comment cela pourrait se passer en réalité : La plaque la plus lourde s'enfonce sous la plaque la plus légère. Un point faible avec des grains de minéraux plus petits à l'intérieur de la plaque plongeante permet à celle-ci de se plier. Sous l'effet de la pression de flexion, les minéraux s'effritent à d'autres endroits de la face inférieure. Le point faible qui en résulte entra?ne une rupture, un segment se forme. Le bord de la plaque s'enfon?ant toujours plus profondément dans le manteau, d'autres segments se forment au niveau de la courbure. Ainsi, le bord de la plaque ressemble finalement à une cha?ne avec des maillons rigides et des raccords flexibles. A environ 600 kilomètres de profondeur, le bord segmenté de la plaque glisse sur ce que l'on appelle une discontinuité de 670 kilomètres dans le manteau terrestre et se déplace horizontalement.

Les indices de la nature soutiennent la simulation

"Les résultats de nos simulations sont en accord avec les observations faites dans la nature", explique Gerya. La situation naturelle le long de la fosse japonaise, où la plaque pacifique plonge sous la plaque d'Okhotsk, est particulièrement bien étudiée. C'est là que l'on trouve exactement le modèle de failles que les simulations ont mis en évidence.

D'autres chercheurs ont également étudié la vitesse des ondes sismiques le long du rebord de la plaque japonaise en train de plonger. Pour ce faire, ils ont utilisé un modèle à haute résolution récemment mis au point et basé sur la tomographie sismique de cette zone. Les chercheurs ont constaté que la vitesse des ondes sismiques est réduite à certains points nodaux de la plaque plongeante. La configuration de ces n?uds dans la réalité correspond à celle des limites de segments dans les simulations. Les responsables de la vitesse réduite des ondes sismiques sont des zones où les cristaux sont très petits, de l'ordre du micromètre, aussi bien dans la nature que dans le modèle informatique.

Ces minuscules grains de cristal rendent en outre le matériau de la face inférieure de la plaque moins visqueux, c'est-à-dire qu'il devient plus fluide. Les chercheurs ont également pu le démontrer dans la fosse japonaise. "Notre modèle est donc très plausible et fournit un arrière-plan physique solide à l'hypothèse d'une plaque rigide avec un faible bord plongeant", souligne le professeur Gerya de l'ETH. Le travail ne s'arrête pas là : L'un de ses étudiants de bachelor, Simon Niggli, a modélisé et décrit pour la première fois les ruptures de plaques en trois dimensions. Les chercheurs veulent en outre étudier si la segmentation des bords de plaques peut également être responsable de forts séismes.