La mobilité de la lithosphère : la structure interne du globe

1. L'hypothèse de la dérive des continents

En 1912, le météorologue et géophysicien allemand Alfred Wegener propose que les continents actuels formaient autrefois un seul super-continent, la Pangée, entouré d'un océan unique. Ce bloc se serait fragmenté, et ses morceaux auraient dérivé jusqu'à leur position actuelle. Il rassemble quatre types d'arguments :

• Argument morphologique : les contours des continents s'emboîtent, en particulier ceux de l'Afrique et de l'Amérique du Sud. L'ajustement est encore meilleur si l'on utilise le bord du plateau continental plutôt que la ligne de côte.
• Argument paléontologique : on trouve les mêmes fossiles d'êtres vivants terrestres ou d'eau douce sur des continents aujourd'hui séparés par des océans, par exemple le petit reptile Mesosaurus au Brésil et en Afrique australe, ou la plante Glossopteris en Afrique, en Amérique du Sud, en Inde, en Australie et en Antarctique. Ces êtres vivants ne pouvaient pas traverser un océan.
• Argument géologique : des chaînes de montagnes anciennes et des formations rocheuses se prolongent d'un continent à l'autre quand on les rapproche. Ainsi, une partie des vieilles roches du nord-est du Brésil prolonge le craton ouest-africain, le vieux socle qui porte la Guinée.
• Argument paléoclimatique : on trouve des traces d'anciens glaciers, datant d'environ 300 millions d'années, en Afrique, en Inde, en Amérique du Sud et en Australie, aujourd'hui en régions chaudes. Rassemblées autour du pôle Sud de l'époque, ces traces forment une seule grande calotte glaciaire.

Malgré ces arguments, la théorie est rejetée par la plupart des géologues de l'époque : Wegener imaginait des continents « labourant » le fond des océans, ce qui était physiquement impossible, et il ne proposait aucun mécanisme convaincant. La réponse viendra de l'étude de la structure interne du globe et des fonds océaniques, après 1950.

2. Ce qui se déplace : la lithosphère, pas seulement les continents

Tu sais, depuis la leçon sur les structures secondaires, que le globe est formé, du point de vue mécanique :

• d'une lithosphère rigide (croûte + manteau supérieur froid), épaisse d'environ 100 km ;
• d'une asthénosphère ductile, chaude, en très légère fusion partielle, qui peut se déformer lentement ;
• d'une mésosphère plus rigide, jusqu'au noyau.

Ce ne sont donc pas les continents seuls qui se déplacent en « labourant » l'océan, comme le croyait Wegener : c'est toute la lithosphère, continents et fonds océaniques ensemble, découpée en plaques rigides qui glissent sur l'asthénosphère. Un continent est transporté par sa plaque comme un sac de riz sur le plateau d'un camion.

Les limites des plaques sont révélées par la répartition des séismes et des volcans, que tu as étudiée dans le chapitre sur les séismes : ils se concentrent sur des bandes étroites, tandis que l'intérieur des plaques, rigide, se déforme peu.

3. Une preuve que la lithosphère « flotte » : l'isostasie

Les géophysiciens ont constaté que, sous les grandes chaînes de montagnes, la croûte est beaucoup plus épaisse (jusqu'à 70 km) : les montagnes ont une racine profonde, comme un iceberg dont la plus grande partie est cachée sous l'eau.

C'est le principe de l'isostasie : la lithosphère, moins dense, est en équilibre sur l'asthénosphère plus dense et déformable, comme un bois flottant sur l'eau. Plus un relief est haut, plus sa racine s'enfonce. Selon le modèle d'Airy, pour un relief de hauteur h, la racine a une profondeur r telle que :

r × (ρ_m - ρ_c) = h × ρ_c, soit r = h × ρ_cρ_m - ρ_c,

où ρ_c est la masse volumique de la croûte (environ 2,7 g/cm³) et ρ_m celle du manteau (environ 3,3 g/cm³). On obtient r = h × 2,70,6 = 4,5 × h.

L'isostasie montre que le manteau sous la lithosphère peut s'écouler lentement : quand une chaîne de montagnes est érodée, elle perd de la masse et remonte lentement ; quand une énorme calotte de glace fond, le continent qu'elle écrasait se soulève. La Scandinavie, libérée de ses glaces depuis environ 10 000 ans, remonte encore d'environ 1 cm par an. C'est la preuve que l'asthénosphère se comporte comme un matériau ductile, capable de laisser la lithosphère se déplacer verticalement… et horizontalement.

4. Le moteur : la chaleur interne et la convection

Pour déplacer des plaques de milliers de kilomètres de large, il faut une énorme source d'énergie : c'est la chaleur interne du globe (radioactivité et chaleur initiale).

• Dans le manteau, les roches profondes, chauffées par le noyau et par la radioactivité, deviennent moins denses et remontent très lentement ; les roches superficielles, refroidies, deviennent plus denses et redescendent. Ces mouvements lents, de quelques centimètres par an, forment des courants de convection, comme ceux de l'eau qui chauffe dans une marmite sur le feu.
• Dès 1929, le géologue britannique Arthur Holmes propose que ces courants entraînent la lithosphère. On sait aujourd'hui que la plaque elle-même participe activement : la lithosphère froide et dense qui plonge dans le manteau (subduction) tire le reste de la plaque, et le relief des dorsales la pousse.

5. Une mobilité mesurée aujourd'hui

Ce qui n'était qu'une hypothèse au temps de Wegener est aujourd'hui mesuré directement : grâce aux satellites de positionnement, on mesure la position de stations au sol au millimètre près. On constate que les plaques se déplacent de quelques centimètres par an, à peu près la vitesse de pousse des ongles. Par exemple, l'Afrique et l'Amérique du Sud s'éloignent de quelques centimètres chaque année, et l'océan Atlantique s'élargit.

Les leçons suivantes de ce chapitre expliquent comment la lithosphère naît aux dorsales, comment les océans s'ouvrent, comment la lithosphère disparaît dans les zones de subduction, et comment toutes ces idées se réunissent dans la théorie de la tectonique des plaques.