La subduction et la résorption de la croûte océanique

1. Définition et types de subduction

La subduction est le plongement d'une plaque lithosphérique océanique sous une autre plaque, dans le manteau. La plaque qui plonge est la plaque plongeante (ou plaque subduite) ; l'autre est la plaque chevauchante.

On distingue deux grands types :

• la subduction océan-continent : une lithosphère océanique plonge sous un continent. Exemple : la plaque de Nazca plonge sous l'Amérique du Sud, ce qui a formé la cordillère des Andes ;
• la subduction océan-océan : une lithosphère océanique plonge sous une autre lithosphère océanique. Il se forme alors un arc insulaire, chapelet d'îles volcaniques. Exemples : les Mariannes, les Petites Antilles ; le Japon est un arc plus complexe, lié à ce type de subduction.

2. Les marqueurs d'une zone de subduction

a) La fosse océanique. À l'endroit où la plaque commence à plonger, le fond de l'océan forme une dépression longue et étroite, très profonde : la fosse. La fosse des Mariannes, dans le Pacifique, dépasse 10 000 m de profondeur (près de 11 000 m), le point le plus profond des océans. Les sédiments raclés à la surface de la plaque plongeante s'accumulent contre la plaque chevauchante et forment un prisme d'accrétion.

b) Le plan de Wadati-Benioff. Les foyers des séismes se répartissent sur un plan incliné qui s'enfonce sous la plaque chevauchante, du côté de la fosse vers l'intérieur. Ils sont superficiels près de la fosse, puis de plus en plus profonds, jusqu'à environ 700 km. Ce plan porte le nom des sismologues Wadati et Benioff. Les séismes se produisent dans la plaque plongeante, qui reste froide et rigide plus longtemps que le manteau qui l'entoure : ce plan dessine donc la plaque qui s'enfonce.

c) Les anomalies thermiques. Le flux géothermique est faible au niveau de la fosse (la plaque froide descend et « refroidit » la région) et fort au niveau de l'arc volcanique (arrivée de magma chaud).

d) Le magmatisme. Environ 100 km au-dessus du plan de Wadati-Benioff, parallèlement à la fosse, se trouve une chaîne de volcans : c'est l'arc volcanique. Leur lave est visqueuse et riche en eau et en gaz, d'où des éruptions explosives (nuées ardentes, colonnes de cendres), comme au mont Saint Helens (États-Unis) en 1980 ou au Pinatubo (Philippines) en 1991. Les roches volcaniques typiques sont les andésites et les rhyolites. Une partie du magma cristallise en profondeur et forme des roches plutoniques comme les granodiorites.

3. Pourquoi la lithosphère océanique plonge-t-elle ?

Nous avons vu que la lithosphère océanique, en vieillissant, se refroidit, s'épaissit et devient plus dense. Au bout de quelques dizaines de millions d'années, sa densité moyenne dépasse celle de l'asthénosphère : elle est en déséquilibre. Dès qu'une zone de faiblesse lui permet de commencer à plonger, elle s'enfonce sous son propre poids.

De plus, en profondeur, les roches de la plaque plongeante se transforment en minéraux encore plus denses (voir le paragraphe 4). La partie déjà enfoncée tire donc le reste de la plaque vers le bas, comme une nappe qui glisse d'une table quand une grande partie pend déjà dans le vide. C'est la traction de la plaque plongeante, considérée comme l'un des principaux moteurs du mouvement des plaques.

La lithosphère continentale, elle, est trop légère (croûte de densité 2,7 environ) : elle ne peut pas subduire durablement.

4. Les transformations de la plaque plongeante : le métamorphisme

En descendant, la croûte océanique est soumise à une pression qui augmente vite alors que sa température augmente lentement (la plaque est froide et se réchauffe peu à peu). Ses minéraux deviennent instables et se transforment à l'état solide : c'est le métamorphisme, ici de haute pression et basse température.

L'essentiel à comprendre : la roche s'hydrate près de la dorsale (hydrothermalisme) puis se déshydrate en descendant. L'éclogite est une roche très dense, ce qui accentue l'enfoncement de la plaque.

5. D'où vient le magma des zones de subduction ?

Ce n'est pas la plaque plongeante qui fond : elle est trop froide. Le magma naît dans le manteau de la plaque chevauchante, juste au-dessus de la plaque plongeante (le « coin de manteau »).

Voici le mécanisme :

1. Vers 100 km de profondeur, la déshydratation des minéraux de la plaque plongeante libère de l'eau.
2. Cette eau monte dans la péridotite du manteau situé au-dessus.
3. Une péridotite hydratée fond à une température plus basse qu'une péridotite sèche : son solidus est abaissé.
4. La péridotite hydratée franchit donc son solidus et fond partiellement. Le magma obtenu, riche en eau, monte, se transforme en traversant la croûte et donne les volcans andésitiques et les plutons de granodiorite.

La subduction fabrique donc de la croûte continentale : les magmas qui cristallisent sous l'arc volcanique épaississent la plaque chevauchante.

6. La résorption de la croûte océanique

La lithosphère plongeante s'enfonce dans le manteau, se réchauffe peu à peu et finit par s'y mélanger : on dit qu'elle est résorbée. La Terre ne grossit pas : ce qui est fabriqué aux dorsales est, globalement, détruit dans les zones de subduction. Dorsales et zones de subduction fonctionnent ensemble comme les deux bouts d'un tapis roulant. C'est ce qui explique qu'aucun fond océanique n'ait plus de 180 millions d'années environ.

7. Calculer l'inclinaison du plan de Wadati-Benioff