La Terre est formée d’un noyau métallique entouré d’un manteau silicaté et d’une croûte très fine. La croûte est la partie superficielle du manteau sont rigides. Ils constituent la lithosphère, qui est divisée en plaques. Celle-ci est posée sur l’asthénosphère, dont les roches sont ductiles. Les zones plus profondes du manteau, zone de transition entre 410 et 660 km et manteau inférieur jusqu’à 2900 km, sont également déformables. C’est cela, ainsi que la chaleur interne de la Terre, qui explique la tectonique des plaques.
Il faut insister sur le fait que la partie déformable du manteau n’est pas magmatique. Ce sont bien des roches que l’on y trouve, et non pas du magma. Elles se déforment donc très lentement, en général de quelques centimètres par an. Si une roche monte de la base du manteau à la vitesse de 4 cm/an, elle mettra 72,5 millions d’années à atteindre la croûte. C’est plus que la durée du Cénozoïque ou ère tertiaire, commencée il y a 65 millions d’années. Il faut donc beaucoup accélérer le « film » pour voir les flux de matière du manteau.
L’outil principal pour l’étude du manteau est la tomographie sismique. Elle permet de voir qu’à la base du manteau, au contact avec le noyau, se trouvent deux zones à faibles vitesses des ondes S. Cela signifie que la température y est plus élevée qu’ailleurs. Ces zones sont situées sous le Pacifique central et l’Afrique. On peut supposer que leur présence entraîne un flux ascendant de roches, ou upwelling en anglais. Voici donc la situation, exprimée par un schéma simplifié :
Sous le Pacifique, les roches chaudes sont en fait déviées vers l’Amérique du Sud. Elles arrivent juste sous la dorsale Est-Pacifique, où la plaque Pacifique et la plaque de Nazca s’écartent. L’intervalle est comblé par l’arrivée de ces roches chaudes, qui fondent près de la surface et créent un important volcanisme. Cette dorsale est la plus active de la Planète, au contraire de la dorsale Atlantique, qui est « lente ». La plaque de Nazca s’enfonce sous l’Amérique du Sud alors qu’elle est encore chaude. C’est une subduction. À l’ouest, la plaque Pacifique s’enfonce sous celles de l’Eurasie, des Philippines, de l’Australie et de la Nouvelle-Zélande, après avoir eu le temps de se refroidir. Le basalte et le gabbro dont la croûte océanique est constituée sont métamorphisés en éclogite, une roche plus dense que celles du manteau, si bien que la plaque coule littéralement, entraînée par son propre poids. Elle poursuit sa descente jusqu’à la base du manteau, en y créant une zone froide. C’est ce « naufrage » qui tire, à la surface de la Terre, la plaque vers le nord-ouest. Il exerce les forces de traction dont il est question ci-dessous.
Voici maintenant trois figures qui montrent de manière détaillée les mouvements et les forces agissant sur les plaques, ainsi que les flux à l’intérieur du manteau :
Le premier planisphère indique les vitesses des plaques. La flèche en bas à gauche correspond à une vitesse de 8 cm/an. On voit que les plaques les plus rapides sont celles de l’Inde, de l’Australie, du Pacifique et de Nazca. L’Amérique du Sud bouge très peu. Les deux zones à faible vitesse des ondes S, appelés « structures thermochimiques » dans l’article sur la tomographie sismique. Les zones à vitesse élevée, qui sont des zones froides de la base du manteau inférieur, sont en bleu. Elles correspondent aux endroits où les plaques lithosphériques plongent.
Le deuxième planisphère indique les forces qui agissent sur les plaques. En rouge, c’est la traction basale. Elle provient des mouvements de l’asthénosphère : en bougeant, celle-ci entraîne les plaques qui sont posées sur elle. Comme ce sont des forces réparties sur des surfaces, elles sont exprimées en newtons par mètre carré, c’est-à-dire en pascals – dans le cas présent, en millions de pascals, MPa. C’est l’unité légale de pression. Les flèches bleues indiquent les forces de traction. Comme elles s’exercent sur les lignes de subduction, elles sont exprimées en newtons par mètre. Les plaques qui constituent le plancher du Pacifique sont ainsi tirées sur tout le pourtour de cet océan. Les plaques indiennes et australiennes sont fortement tirées vers l’Ouest et le Nord : elles s’enfoncent sous la Malaisie et l’Indonésie. Il n’est pas utile de commenter les + et les ‒ qui sont inscrits sur ces figures.
La Terre a été coupée selon un plan qui n’est pas celui de l’équateur. L’intersection avec la surface de la Terre est indiquée par une ligne avec quatre repères A, B, C, D sur les deux planisphères. Elle monte jusqu’en Chine et descend sous le Brésil. Les flux de roches à l’intérieur du manteau sont indiqués par des flèches vertes. Les vitesses des plaques lithosphériques sont indiquées par des flèches noires. Le point B est situé sous la dorsale Est-Pacifique. C’est une zone très chaude où arrivent des roches provenant de l’édifice thermochimique situé sous le Pacifique central. En se dirigeant vers le point A, on va vers le nord-ouest. La plaque Pacifique se déplace rapidement dans cette direction, alors que les roches du manteau sous-jacent vont plutôt dans l’autre sens. Ce qui tire la plaque pacifique, ce n’est pas ce flux de roches, mais sa propre subduction.
Quand on va de A à D, on passe sur l’Asie. C’est une zone plutôt froide, avec un faible mouvement descendant du manteau. Le point C est situé sur la dorsale médio-atlantique, qui est une zone de faible écartement des plaques. On y voit toutefois une zone superficielle de chaleur. L’arc de cercle allant de C à D passe sur l’Afrique. Dessous, se trouve un édifice thermochimique. Il est plutôt situé sous l’Atlantique Sud et l’ouest de l’Afrique. Le flux ascendant du manteau est décalé vers l’Est et il arrive sous le territoire des Afars, d’où partent le Grand Rift africain, le golfe d’Aden et la Mer Rouge. C’est une zone de fracture de la croûte continentale due à un point chaud, avec un volcanisme abondant. La figure montre une forte anomalie de chaleur à cet endroit.
Le but des trois chercheurs était de démontrer que ces flux de roches du manteau n’ont pas beaucoup varié depuis 250 millions d’années, c’est-à-dire durant le Mésozoïque et le Cénozoïque, les ères des dinosaures et des mammifères. Ils ne donnent pas une description complète de la dynamique du manteau mais il permet d’en saisir quelques caractéristiques. Ils expliquent quelques phénomènes bien connus, comme le Grand Rift à l’Est de l’Afrique, par des mouvements profonds du manteau.
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Clinton Conrad, Bernhard Steinberger & Trond Torsvik, Stability of active mantle upwelling revealed by net characteristics of plate tectonics, Nature, 26 June 2013.
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