La dynamique de la lithosphère : la tectonique des plaques
Cours · SVT (première), chapitre 5 · première, spécialité sciences de la vie et de la Terre · le début du chapitre, la suite sur Adloun
Le chapitre précédent a établi que le globe terrestre est stratifié et que sa couche superficielle rigide, la lithosphère, repose sur un manteau ductile, l'asthénosphère. Cette architecture n'est pas figée : les continents se déplacent, les océans s'ouvrent puis se referment, les montagnes se soulèvent, les séismes et les volcans se concentrent en de longues ceintures. Toutes ces observations, longtemps décrites séparément, trouvent au XXe siècle une explication unique et fédératrice : la théorie de la tectonique des plaques.
Cette théorie est née d'une intuition audacieuse — la dérive des continents d'Alfred Wegener — d'abord rejetée faute de moteur crédible, puis triomphalement confirmée dans les années 1960 par l'exploration des fonds océaniques. Nous retracerons d'abord cette histoire des idées, puis nous décrirons les plaques et leurs frontières, avant d'examiner les preuves décisives de l'expansion océanique et le moteur profond qui anime l'ensemble : la convection du manteau.
5.1 Une histoire des idées : la dérive des continents
5.1.1 L'intuition de Wegener (1912)
En 1912, le météorologue et géophysicien allemand Alfred Wegener propose une hypothèse révolutionnaire : les continents actuels proviennent de la fragmentation d'un supercontinent unique, la Pangée, qui aurait commencé à se disloquer il y a environ (au Mésozoïque). Les continents se seraient depuis éloignés les uns des autres, tels des radeaux « dérivant » à la surface du globe.
La dérive des continents est l'hypothèse, formulée par Wegener, selon laquelle les masses continentales se déplacent horizontalement au cours des temps géologiques. Elle constitue l'ancêtre direct de la théorie moderne de la tectonique des plaques.
5.1.2 Les arguments de Wegener
Wegener rassemble un faisceau d'arguments convergents, empruntés à plusieurs disciplines :
- Le tracé des côtes : la côte orientale de l'Amérique du Sud (renflement du Brésil) s'emboîte remarquablement dans la côte occidentale de l'Afrique (golfe de Guinée), comme deux pièces d'un même puzzle. L'emboîtement est encore meilleur si l'on considère la limite du plateau continental (isobathe ) plutôt que le trait de côte actuel.
- La continuité géologique : des chaînes de montagnes anciennes et des formations rocheuses de même âge et de même nature se prolongent d'un continent à l'autre lorsqu'on les rapproche (ex. les Appalaches d'Amérique du Nord se raccordent aux reliefs calédoniens d'Écosse et de Scandinavie).
- Les fossiles : des fossiles d'espèces identiques, incapables de traverser un océan, se retrouvent sur des continents aujourd'hui séparés. Ainsi le reptile Mesosaurus (petit reptile d'eau douce) est présent au Brésil et en Afrique du Sud ; la fougère Glossopteris est commune à l'Amérique du Sud, l'Afrique, l'Inde, l'Australie et l'Antarctique.
- Les paléoclimats : des traces d'anciennes glaciations (moraines, roches striées, tillites) datant d'environ se retrouvent en Amérique du Sud, en Afrique, en Inde et en Australie — régions aujourd'hui tropicales ou tempérées. Rassemblées autour d'un pôle Sud unique, ces traces dessinent une calotte glaciaire cohérente.
5.1.3 Le rejet, puis la confirmation
Malgré la force de ces arguments, l'hypothèse de Wegener est massivement rejetée par la communauté scientifique de son époque. La raison est essentielle : Wegener ne dispose d'aucun moteur physique crédible. Il imagine que les continents « labourent » les fonds océaniques, ce que les lois de la mécanique interdisent (les roches continentales ne peuvent traverser les roches océaniques plus rigides).
Il faut attendre les années 1950-1970 pour que l'exploration des fonds océaniques (bathymétrie, magnétisme, sismologie, forages) fournisse à la fois les preuves du mouvement et son moteur. L'hypothèse de la dérive se transforme alors en la théorie de la tectonique des plaques, l'un des plus grands succès unificateurs des sciences de la Terre.
Propriété : La démarche scientifique en action
L'histoire de la dérive des continents illustre le fonctionnement de la science : une hypothèse, même étayée par de nombreux indices, n'est acceptée que lorsqu'un mécanisme explicatif et des preuves reproductibles viennent la soutenir. C'est la découverte de l'expansion océanique qui a fait basculer la théorie.
5.2 Les plaques lithosphériques
5.2.1 Une lithosphère découpée en plaques rigides
La lithosphère (croûte + manteau supérieur rigide, jusqu'à environ de profondeur) n'est pas continue : elle est fragmentée en une douzaine de plaques rigides, appelées plaques lithosphériques ou plaques tectoniques. Ces plaques se déplacent les unes par rapport aux autres, en glissant sur l'asthénosphère, couche du manteau supérieur moins rigide (ductile) qui autorise leur mouvement.
Une plaque lithosphérique est un fragment rigide de la lithosphère, animé d'un mouvement d'ensemble à la surface du globe. On en distingue une douzaine de grande taille (Pacifique, Nord-Américaine, Eurasienne, Africaine, Antarctique, etc.). Une plaque peut porter de la lithosphère océanique, de la lithosphère continentale, ou les deux.
5.2.2 Des frontières révélées par la sismicité et le volcanisme
Comment délimiter les plaques ? Leurs frontières sont soulignées par la répartition des phénomènes géologiques actifs :
- les séismes ne sont pas dispersés au hasard : leurs foyers (épicentres) se concentrent en d'étroites bandes continues qui ceinturent le globe ;
- le volcanisme actif se répartit selon les mêmes lignes (dorsales océaniques, « ceinture de feu » du Pacifique).
À l'inverse, l'intérieur des plaques est sismiquement et volcaniquement stable. Ce contraste confirme la rigidité des plaques : elles se déforment surtout sur leurs bords, là où elles interagissent avec leurs voisines. La cartographie mondiale des séismes et des volcans permet ainsi de tracer les frontières des plaques : ce sont des lignes, non des surfaces, et une plaque se comporte comme un bloc rigide entre deux frontières.
Il existe cependant une exception notable : le volcanisme de point chaud (ex. Hawaï, La Réunion), qui se manifeste au milieu d'une plaque, à l'aplomb d'un panache de matière chaude issu du manteau profond. Le déplacement de la plaque au-dessus de ce point fixe engendre un alignement de volcans d'âges croissants, dont l'étude fournit une nouvelle preuve — et une nouvelle mesure — du mouvement des plaques.
Les plaques se déplacent à des vitesses de l'ordre de quelques centimètres par an, comparables à la vitesse de croissance des ongles. Les valeurs mesurées s'échelonnent d'environ (dorsale lente de l'Atlantique) à plus de (dorsale rapide du Pacifique Est). Ces vitesses, aujourd'hui mesurées directement par géodésie spatiale (GPS), confirment l'ordre de grandeur déduit des données géologiques.
5.3 Les frontières de plaques et leurs mouvements
Le mouvement relatif de deux plaques voisines définit la nature de leur frontière. On distingue trois grands types de frontières.
5.3.1 Les frontières de divergence : les dorsales océaniques
Au niveau d'une dorsale océanique, immense chaîne volcanique sous-marine (plus de de long cumulé), deux plaques s'écartent l'une de l'autre. Le manteau asthénosphérique, décomprimé par cette divergence, fond partiellement ; le magma remonte, se met en place et se refroidit, créant en permanence de la lithosphère océanique neuve. C'est l'accrétion.