La tectonique des plaques terrestres remonte à un «point de bascule» il y a 3,2 milliards d’années. La surface terrestre est aujourd’hui en constante évolution: les plaques tectoniques se déplacent, forment des chaînes de montagnes, déchirent les fonds marins et provoquent des tremblements de terre massifs. Le géophysicien Dave Stegman, de la Scripps Institution of Oceanography de La Jolla, et ses collègues ont utilisé des données d’observation et des modèles informatiques pour élaborer une nouvelle formule expliquant comment la vitesse des plaques terrestres dépend de la taille et des limites des zones de subduction. Il y a environ 200 millions d’années, le continent de la Pangée s’est scindé en deux immenses fragments, le supercontinent Laurasia au nord et le Gondwana au sud.
Une nouvelle étude décrit comment la surface de la Terre se déplace, et les résultats pourraient potentiellement bouleverser la sagesse conventionnelle sur la tectonique des plaques.
Cette nouvelle théorie, si elle est exacte, éclaircit un mystère de longue date sur la façon dont la croûte terrestre se déplace et entre en collision au fil du temps, provoquant volcans et tremblements de terre, et modifiant la surface de la Terre. Cette idée pourrait également expliquer pourquoi certaines plaques rocheuses qui composent la surface externe de la Terre se déplacent plus vite que d’autres.
Les scientifiques pensent depuis longtemps qu’un lent suintement de roche chaude et fondue, situé sous la surface terrestre, dans une région appelée le manteau, met en mouvement les immenses plaques rocheuses qui composent la croûte terrestre. À mesure que le manteau visqueux s’élève, il entraîne les plaques, les rapprochant par endroits et les arrachant par ailleurs.
Cependant, les scientifiques n’ont pas pu expliquer pourquoi certaines parties de la croûte terrestre se déplacent beaucoup plus rapidement que d’autres.
La subduction de la plaque Farallon sous le continent nord-américain, il y a plus de 30 millions d’années, a créé la structure géologique connue sous le nom de Province du Bassin et de la Chaîne, une région de l’ouest des États-Unis qui couvre une grande partie du Nevada, représentée ici par un modèle topographique. Mike Sandiford/Université de Melbourne
Une nouvelle étude suggère que ces plaques tectoniques contrôlent leur propre vitesse davantage que le manteau. Les résultats, détaillés dans le numéro du 16 juillet 2022 de la revue Science, apportent une nouvelle explication aux raisons pour lesquelles certaines plaques sont relativement rapides et d’autres lentes, ce qui aidera les scientifiques à comprendre l’évolution de la surface terrestre vers sa forme actuelle.
«La surface de la Terre est recouverte de plaques tectoniques qui se déplacent les unes par rapport aux autres à une vitesse de quelques centimètres par an», explique Wouter Schelaert, géologue et co-auteur de l’étude à l’Université Monash de Melbourne, en Australie. «Ces plaques se rencontrent dans des fosses sous-marines profondes, appelées limites de plaques, où une plaque est subduite sous une autre dans ce que l’on appelle des zones de subduction. Les vitesses de ces plaques et celles des limites entre elles varient considérablement à travers la Terre.»
Le géophysicien et co-auteur Dave Stegman de la Scripps Institution of Oceanography à La Jolla, en Californie, Schellart et ses collègues ont utilisé des données d’observation et des modèles informatiques pour développer une nouvelle formule qui décrit comment les vitesses des plaques terrestres dépendent de la taille et des bords des zones de subduction.
«Les modèles informatiques montrent que la partie subduite de la plaque tectonique exerce une traction sur la partie de la plaque restée à la surface de la Terre», a expliqué Stegman. «Cette traction entraîne soit un mouvement de plaque, soit un mouvement de limite de plaque, la taille de la zone de subduction déterminant l’ampleur de chaque mouvement.»
Cette découverte explique pourquoi les plaques australienne, Nazca et Pacifique se déplacent quatre fois plus vite que les plaques africaine, eurasienne et Juan de Fuca, plus petites.
L’étude contribue également à expliquer l’aspect actuel de l’ouest de l’Amérique du Nord. À l’époque où le supercontinent Pangée a commencé à se disloquer, une plaque tectonique appelée plaque Farallon s’est enfoncée dans le manteau terrestre sous la côte ouest de l’Amérique du Nord et du Sud, modifiant lentement le paysage.
supercontinent Pangée
«Cette plaque a ralenti à mesure qu’elle se déplaçait vers l’est, passant d’environ 10 centimètres par an il y a environ 50 millions d’années à seulement 2 centimètres par an aujourd’hui», a déclaré Schellart.
Le mouvement de la plaque a ralenti à mesure que la zone de subduction dans laquelle elle s’enfonçait s’est rétrécie de 14 000 kilomètres de large à seulement 1 400 kilomètres.
«Cela a eu un impact considérable sur la topographie et la structure du continent nord-américain», a déclaré Schellart. «Jusqu’à il y a 50 millions d’années, la côte ouest de l’Amérique du Nord était caractérisée par une immense chaîne de montagnes, semblable aux Andes modernes d’Amérique du Sud, s’étendant du Canada au nord jusqu’au sud du Mexique.»
À mesure que la zone de subduction se rétrécissait, la tension le long de la côte ouest de l’Amérique du Nord diminuait, provoquant l’effondrement de la gigantesque chaîne de montagnes. Ceci créa la province du Bassin et de la Chaîne, une région de 2 millions de kilomètres carrés (772 000 milles carrés) de bassins et de chaînes allongés qui caractérise le paysage moderne de l’ouest de l’Amérique du Nord.
La tectonique des plaques terrestres remonte à un «point de bascule» il y a 3,2 milliards d’années. Des chercheurs analysant d’anciens sédiments en Australie ont découvert des preuves que les couches terrestres ont commencé à se mélanger, signe de la tectonique des plaques, environ 1,3 milliard d’années après la formation de la planète.
Une nouvelle étude vient s’ajouter à un ensemble croissant de preuves indiquant que cette dynamique a débuté il y a 3,2 milliards d’années. Bien que la communauté géoscientifique ne s’accorde pas sur le moment précis où la Terre est devenue plus qu’une simple masse de roches chaudes et indifférenciées, la nouvelle étude suggère que la transition s’est produite environ 1,3 milliard d’années après la formation de la planète.
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En 2020, Zheng Xiang Li, géodynamicien à l’Université Curtin en Australie, et ses collègues ont signalé un changement dans la composition chimique des roches formées dans le manteau il y a environ 3,2 milliards d’années, suggérant qu’un processus de «mélange» avait eu lieu. Ce processus aurait impliqué le déplacement de minéraux de la croûte vers le manteau et le déplacement de roches mantelliques vers la surface – autant d’empreintes de la tectonique des plaques. D’autres chercheurs ont également observé des signes d’un changement au cours de la même période; par exemple, une étude de 2020 publiée dans la revue Science Advances a mis en évidence des traces magnétiques d’un mouvement de plaques à grande échelle il y a 3,2 milliards d’années.
Mais le débat sur le moment et la manière dont ces processus ont commencé fait encore rage. Dans cette nouvelle étude, Lee et Luc Doucet, géochimistes à l’Université Curtin, ainsi que leurs collègues, se sont concentrés sur d’importants gisements de plomb et de zinc en Australie. Les scientifiques ont utilisé les ratios de variations moléculaires de l’uranium, du thorium et du plomb comme une horloge pour mesurer les événements survenus au cours de l’histoire de la Terre.
Des traces de la tectonique des plaques terrestres ont été découvertes dans des sédiments vieux de 3,2 milliards d’années. visdia/Getty Images
Denis Fougerouse, co-auteur de l’étude de l’Université Curtin, a déclaré dans un communiqué que l’âge des sédiments en Australie varie de 3,4 milliards à 285 millions d’années.
La nouvelle analyse a de nouveau indiqué que 3,2 milliards d’années constituaient un tournant, a déclaré Li. Avant cela, la Terre s’était différenciée en une structure en «gâteau à couches» composée d’un noyau, d’un manteau et d’une croûte que nous connaissons aujourd’hui. Cette stratification était due à la gravité, les éléments les plus lourds s’enfonçant dans le noyau et les éléments les plus légers remontant dans la croûte, a expliqué Li.
Cependant, il y a 3,2 milliards d’années, ces couches ont commencé à se mélanger: la tectonique des plaques a repoussé des couches de la croûte terrestre dans le manteau, et des forces telles que le volcanisme ont ramené des éléments du manteau à la surface.
Les chercheurs ont également constaté que le déclenchement de ce processus était complexe et pas nécessairement uniforme sur toute la planète. Les nouvelles conclusions, publiées dans le numéro d’août d’Earth-Science Reviews, suggèrent que les chercheurs doivent recalibrer le système de datation uranium-thorium-plomb pour saisir ces nuances.
«Si nous ne faisons pas attention à cela, nous pourrions avoir des dizaines de millions ou des centaines de millions d’années d’erreur dans nos estimations d’âge», a déclaré Li.
Les chercheurs utilisent désormais la modélisation informatique pour comprendre comment la tectonique des plaques a probablement débuté il y a 3,2 milliards d’années. Le refroidissement de la planète, passant d’un océan de magma à un environnement plus tempéré et plus solide, pourrait y avoir joué un rôle majeur. «Notre objectif ultime est de documenter l’évolution de la Terre entière, depuis la boule rouge primitive jusqu’à la bille verte que nous connaissons aujourd’hui, en passant par la tectonique des plaques», a déclaré Li.
Il y a 10 000 ans, la fonte des glaciers a accéléré la dérive des continents et l’activité volcanique, un processus qui pourrait se répéter avec la fonte des calottes glaciaires modernes. Il y a environ 10 000 ans, à la fin de la dernière période glaciaire, le mouvement du continent nord-américain et l’élargissement de l’océan Atlantique ont pu s’accélérer temporairement. La fonte des glaciers pourrait avoir joué un rôle clé dans ce processus, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder. Dans cette étude, les géophysiciens ont utilisé des modèles informatiques pour simuler les conditions sur Terre jusqu’à il y a 26 000 ans. Durant cette période, l’immense calotte glaciaire qui recouvrait une grande partie de l’Amérique du Nord jusqu’à l’actuelle Pennsylvanie a commencé à reculer. Avec la fonte de la glace, d’importants volumes d’eau ont pénétré dans les océans, provoquant une élévation du niveau de la mer d’environ 1 cm par an.
scitechdaily.com/Tao Yuan et Shijie Zhong
Les scientifiques ont découvert que cette fonte globale pourrait également avoir des conséquences inattendues, notamment sur la tectonique des plaques, ou sur l’horloge interne qui déchire les continents de la Terre et les rapproche depuis des milliards d’années.
L’équipe calcule que le mouvement de la plaque continentale nord-américaine pourrait s’être accéléré de 25 % avec la fonte des glaces. Il y a environ 12 000 à 6 000 ans, la surface de la dorsale médio-atlantique, située entre les plaques nord-américaine et eurasienne, pourrait avoir augmenté jusqu’à 40%.
Aujourd’hui, la fonte des glaces du Groenland ne suffit pas à avoir un impact significatif sur la dérive des continents à travers le monde. Cependant, elle pourrait avoir un impact majeur sur l’Islande au cours des prochains siècles, surtout si les glaciers commencent à disparaître à un rythme accéléré.
L’Antarctique, cinquième plus grand continent, n’a pas toujours été aussi isolé; il faisait autrefois partie d’un supercontinent plus vaste. Alors, quand est-il devenu un continent à part entière?
Aujourd’hui, l’Antarctique est la plus grande étendue de glace de la planète, couvrant plus de 14 millions de kilomètres carrés. Cachées sous la glace, les roches de l’Antarctique révèlent l’histoire dynamique du continent.
De nombreuses roches affleurant en Antarctique font partie des montagnes transantarctiques, qui culminent à environ 4 500 mètres d’altitude, soit plus que les Rocheuses d’Amérique du Nord. Ce vaste continent est divisé en deux moitiés : orientale et occidentale. D’après les géologues, l’Antarctique oriental est un craton, un ancien bloc continental de la croûte terrestre et du manteau supérieur, composé de roches ignées, sédimentaires et métamorphiques, dont certaines datent de plus de 3 milliards d’années, a expliqué Ives. En revanche, l’Antarctique occidental est relativement jeune, principalement constitué de roches volcaniques forgées dans la Ceinture de feu, tectoniquement active, à l’époque où le supercontinent Gondwana a commencé à se disloquer au Jurassique (il y a 201,3 à 145 millions d’années), selon les dernières découvertes de Live Science.
Le Gondwana a des racines anciennes: il s’est formé il y a environ 600 millions d’années, à la fin de l’Édiacarien, avant l’existence de la Pangée. Il y a environ 200 millions d’années, la Pangée s’est divisée en deux immenses fragments, avec le supercontinent Laurasia au nord et le Gondwana au sud. Il y a environ 180 millions d’années, le Gondwana, qui comprenait des parties de l’Antarctique, de l’Afrique, de l’Australie, de l’Inde et de l’Amérique du Sud actuels, a commencé à se fragmenter en fragments continentaux que nous connaissons mieux aujourd’hui. Les roches basaltiques découvertes à la limite orientale de l’Antarctique correspondent à celles trouvées en Afrique du Sud, représentant les premiers rifts du Gondwana, selon Discover Antarctica.
Découvrez l’Antarctique
L’Antarctique était plus chaud au Mésozoïque (il y a 252 à 66 millions d’années) qu’aujourd’hui, selon une étude de modélisation de 2006. Au Crétacé (il y a 145 à 66 millions d’années), c’était une forêt tropicale tempérée grouillante de dinosaures et d’autres formes de vie anciennes. De fait, il a servi de passage vers le sud essentiel; pendant des dizaines de millions d’années, l’Amérique du Sud, l’Antarctique et l’Australie sont restées connectées, permettant à la flore et à la faune de se déplacer à travers leurs vastes étendues. Par exemple, des fossiles montrent que les marsupiaux, originaires d’Amérique du Nord il y a au moins 125 millions d’années, se sont déplacés vers le sud jusqu’en Amérique du Sud et vers l’est à travers l’Antarctique avant d’arriver en Australie il y a au moins 55 millions d’années.
Les scientifiques ne savent pas exactement quand l’Antarctique a officiellement été isolé, perdant ses liens terrestres avec l’Australie et l’Amérique du Sud. Cependant, des recherches récentes suggèrent que le passage de Drake entre l’Antarctique et l’Amérique du Sud et la porte de Tasman entre l’Antarctique et l’Australie se sont ouverts juste au moment où l’Éocène a cédé la place à l’Oligocène, il y a environ 34 millions d’années, «en quelques millions d’années», a déclaré Lamanna.
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Après la rupture finale, l’Australie s’est déplacée vers le nord tandis que l’Antarctique a commencé à dériver vers le sud. L’ouverture du passage de Drake et de la porte de Tasmanie entre les continents a permis à l’eau froide de circuler continuellement autour de l’Antarctique, isolant le continent des courants océaniques chauds. À la base de la planète, l’Antarctique a commencé à geler.
L’ouverture du passage de Drake et de la porte de Tasmanie a permis au courant circumpolaire antarctique de se former pleinement. Ce furent les derniers événements de la dislocation du Gondwana.
Aujourd’hui, l’Antarctique joue un rôle essentiel dans le système climatique terrestre. Les immenses calottes glaciaires qui recouvrent le continent réfléchissent la lumière solaire incidente, préservant ainsi sa fraîcheur. À mesure que la planète se réchauffera sous l’effet du changement climatique, ces calottes glaciaires fondront, exposant davantage de roches à l’étude, mais réfléchissant également moins la lumière solaire incidente et perpétuant le réchauffement planétaire.
Les calottes glaciaires terrestres s’étendent également dans les eaux adjacentes, comme l’océan Austral, la mer de Weddell et la mer de Ross, formant des plateformes de glace qui se brisent périodiquement. À mesure que la glace se détache, elle fond, ajoutant de grandes quantités d’eau douce aux océans de la Terre. Aujourd’hui, les scientifiques étudient activement la glace de l’Antarctique et les sédiments des mers et océans adjacents afin de comprendre les fluctuations climatiques passées et d’expliquer comment le changement climatique pourrait affecter la planète entière.
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