De la dérive des continents à la tectonique des plaques

Figure 1 de A. Holmes, « Radioactivity and earth movements », Transactions of the Geological Society of Glasgow, 1929

Fig. 2 : Sub-continental circulation. Upper or sial layer, dotted. Intermediate layer (amphibolite, gabbro, etc) line shaded. Substratum, unshaded.

Fig. 3 : Distension of the continent on each side of A leaving an island or “swell” in the “deal” area above A. Above B and C eclogite formation results from the crystallisation of the material of the intermediate layer, and oceanic deeps are produced. The front part of the sial is thickened and o borderland results. Behind this, one effect of the heat transport from A to B or from A to C is the development in each case of a geosyncline.

Les détracteurs de la dérive des continents, Harold Jeffreys en tête, démontrent que les flux de convection ne possèdent pas l'énergie nécessaire pour diviser un continent. En 1945, Holmes modifie son hypothèse et propose que les dorsales océaniques sont les marques de flux ascendant de convection dans le manteau. Son hypothèse sera réfutée, car les géologues assurent que des mouvements de matière solide sont impossible. L'idée de la convection dans le manteau reste marginale jusque dans les années 1960.

En 1962 Harry Hammond Hess, reprend la théorie de A. Holmes et l'étaye grâce aux découvertes récentes sur la composition des fonds océaniques. En effet, au lendemain de la seconde guerre mondiale, de grands projets d'explorations océanogrphiques ont permis de mettre en évidence de grandes plaines abyssales, coupées en leur centre par une dorsale (ou rift) et qui peut, par endroit, s'enfoncer dans une fosse abyssale. Par ailleurs, les études démontrent que la croûte océanique est plus lourde (d=2,9 g/cm³) que la croûte continentale (d=2,7 g/cm³). Hess propose alors que la croûte océanique est renouvelée continuellement. Elle serait créée au niveau des dorsales océaniques, par remontée du magma en un point de convection, puis avancerait comme un tapis roulant, pour s'enfoncer dans les fosses océaniques et être recyclée. Les continents, trop légers, ne pourraient être recyclés par ce mécanisme et flotteraient en se déplaçant sur le tapis roulant.

Schéma de la structure de la Terre selon Hess en 1962

La théorie de Hess va être une nouvelle bombe dans le monde de la géologie. Elle relancera les débats sur la dérive des continents. Mais une aide inattendue viendra des études géomagnétiques.

Les opposants de la convection:

 « Je n'affirme pas que les roches se comportent d'une manière parfaitement élastique même sous des contraintes faibles ; il apparaît que sous n'importe quelle contrainte, des phénomènes d'élasticité retard et d'hystérésis surviennent. Ce que je dis, c'est que pour plusieurs points, les faits sont contraires à ce que nous pourrions attendre si le fluage visqueux était prédominant. (…) Les théories convectives développées par Vening Meinesz (1933, 1947, 1948) et Griggs (1939) prennent verbalement en compte la notion d'une force [seuil de plasticité] non nulle, mais elles utilisent les mathématiques d'une viscosité finie. (…) Je pense que l'introduction d'une force [seuil de plasticité] non nulle modifierait complètement les solutions. (…) Si la viscosité, au lieu de suivre la loi élasto-visqueuse, suit la loi de Lommitz ou la variation que j'ai proposée, les instabilités thermiques ne peuvent pas survenir. Toute perturbation de l'état hydrostatique serait alors amortie » (Ibid., p. 347).

Les défenseurs de la convection :

J. Goguel : « De toutes les hypothèses qui ont été proposées pour expliquer l'origine des déformations tectoniques et éventuellement des déplacements horizontaux des continents, celle des courants de convection est la seule qui paraît pouvoir être retenue » (J. Goguel, Traité de tectonique, Paris, Masson, 1952, p.360).

Gutenberg écrit lui aussi : « Dans une variété d'hypothèses géotectoniques, l'existence de courants subcrustaux a été supposée. À partir de nos connaissances actuelles, il n'y a pas de raison pour que tels courants ne soient pas possibles dans des parties presque homogènes de la Terre » (B. Gutenberg, Physics of the Earth's Interior, New York - Londres, Academic Press, 1959, p. 206)

 

Le géomagnétisme

C'est en 1906 que Bernard Brunhes découvre que le sens du champ magnétique n'est pas constant dans certaines laves basaltiques. En étudiant les volcans, il constate qu'il y a des inversions du champ magnétique. L'inversion des champs magnétique est alors attribuée à la modification des propriétés magnétiques des atomes métalliques lors du refroidissement de la lave. Les chercheurs considèrent que lors du refroidissement de la lave elle enregistre le champ magnétique terrestre de cette époque. Par conséquent, il y a des inversions régulières du champ magnétique terrestre au cours des âges géologiques.

Représentation schématique des champs magnétiques dans les coulées de lave d'un volcan

La polarité est dites normales, lorsqu'elle est identique au champ magnétique actuel et inverse lorsque la polarité est opposée au champ magnétique actuel. Ce phénomène d'inversion de polarité a d'abord été pensé comme un épiphénomène (phénomène rare) mais les études océanographiques démontrent que le phénomène est global et qu'on retrouve ces bandes d'inversion magnétique parallèlement aux dorsales océaniques. En 1963, Lawrence Morley (1920-) d'un part et Fred Vine (1939-) et Drumond Matthews (1931-1997) d'autre part, expliquent  les raisons de ces inversions de champ magnétique au fond des océans par des coulées de laves successives, ce qui va donner du crédit à l'hypothèse de Hess sur la notion de tapis roulant océanique.

Représentation des inversions magnétique au cours du temps le long d'une dorsale océanique, selon Morley, Vine et Matthews

Ces arguments soutiennent le fait que le fond de l'océan est mobile et qu'il se déplace. Il y a donc possibilité de déplacement de matière rigide. La théorie de la dérive des continents reprends du crédits 33 ans après avoir été réfutée par des arguments scientifiques, qui sont dépassés par les nouvelles données. Toutefois la théorie ne reçoit un accueil favorable. Mais en 1966, Fred Vine et Tuzo Wilson (1908-1993) enfoncent le clou en démontrant que l'explication de Morley et de Vine et Matthews n'est pas seulement qualitative (une suite d'observations) mais également quantitative (elle peut être mesurée et un modèle mathématique peut prédire les événements). En effet, les anomalies magnétiques des fonds océaniques sont superposables à l'échelle des temps géologiques des anomalies magnétiques qui viennent d'être publiées. En 1968 des forages océaniques confirmeront ces données en démontrant que plus on s'éloigne de la dorsale, plus on trouve des fossiles anciens dans les sédiments des couches juste au-dessus du basalte. A partir de toutes ces données Vine et Wilson arrivent à calculer le taux d'ouverture des océans.

Discontinuité, faille transformante, et théorie

Les opposants à la théorie font remarquer que les linéations magnétiques ne sont pas continues. Il existe le long de la dorsale des décalages dans les linéations magnétiques. En 1965, Tuzo Wilson remarque que ces décalages se retrouvent tout le long de l'axe de la dorsale. Il va introduire le concept de faille transformante. Les failles transformantes, sont des décalages de l'axe de la dorsale. Elles présentent toujours une partie active (entre les segments de dorsales ou de fosses, où les deux morceaux de croûte de part et d'autre de la faille se déplacent en sens opposé) et une partie passive (où les deux morceaux de croûte se déplacent dans le même sens mais en présentant un décalage horizontal). En 1966, Lynn Sykes démontrent que les parties actives des failles transformantes correspondent à des cisaillements.

Ces contributions permettent d'établir la pérennité du modèle du tapis roulant océanique (sea floor spreading, en anglais) et relance le débat sur la théorie de la dérive des continents. Car, si les fonds océaniques sont mobiles qu'en est-il des continents? Flottent-ils vraiment sur la croûte océanique?

Il semble que la dérive des continents ne soient pas juste, mais il y a quand même probablement un déplacement des continents, puisque les fonds océaniques peuvent s'écarter. La réponse sera définitivement apportée par la sismologie.

 

Sismologie, subduction et notion de plaques

En 1935, Wadachi (ou Wadati, selon les traductions du japonais) observe que les séismes qui ont lieu le long de la fosse océanique du japon, suivent un plan incliné. En clair, les séismes les plus éloignés de la limite visible de la faille sont les plus profond. En 1949, H Benioff généralise les observations de Wadachi. 

Dispersion des séismes sous la fosse du japon, mettant en évidence le plan Wadachi - Benioff

Ces observations soulèvent un problème majeur. Les séismes les plus profond sont enregistrés dans le manteau. Or étant donné la profondeur, la température et la pression la roche devrait être non cassante. Donc il ne devrait pas pouvoir y avoir de séismes. Cette incohérence ne sera résolue qu'en 1967 par Jack Oliver  et Bryan Isacks (voir plus bas).

En 1954, Beno Gutenberg (1889-1960) et Charles Francis Richter (1900-1985), constatent que les séismes ne sont pas uniquement répartis selon de bandes étroites, mais qu'on ne les retrouve que dans des régions précises comme, les chaînes de montagnes, les dorsales, les failles transformantes et aux fosses. Les séismes découpent des grandes zones à la surface du globe.

 Jack Oliver  et Bryan Isack, grâce à l'étude de la propagation des ondes, proposeront que ce phénomène est dût à la plongée de la lithosphère dans le manteau (ces régions seront appelées par la suite les zones de subduction).

Figure 13 de l'article de Oliver et Isacks. Section hypothétique à travers les Fidji, Tonga et Rarotonga basée sur les données de cet article (étude de la transmission des ondes Q dans le sous-sol).

 

En 1967, Jason Morgan rassemble toutes les données présentent à son époque et propose pour la première fois que la terre est composée de plusieurs blocs rigides qui peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres. La même année, Dan Mc Kenzie et Robert Parker développe la même analyse mais parle de plaques. En 1968, Xavier Le Pichon, divise, pour la première fois, la surface du globe en 6 "grandes" plaques lithosphériques dont il détermine les frontières à partir de l'activité sismique et volcanique (activité tectonique). En se basant sur les études de Vine et Morley, il calcule la position du pôle nord magnétique et de ses mouvements relatifs depuis 120 millions d'années. Il montre ainsi que les mouvements des fonds océaniques, déterminés à partir des linéations magnétiques, peuvent se modéliser en termes géométriques simples. Par la suite, ces mêmes procédés permettent par simple « fermeture » des océans de reconstruire les positions successives des continents depuis 200 millions d'années, date où comme l'avait suppose Wegener, ils formaient un unique supercontinent nommé Pangée qui s'est ensuite disloqué.

 

La théorie de la tectonique des plaques est donc née d'un long débat scientifique. Les études suivantes confirmeront l'existence de diverses plaques tectoniques et de leurs mouvements (voir chapitre suivant).