Cycle des roches et tectonique des plaques : principes clés

Cycle des roches

Le cycle des roches regroupe l'ensemble des processus qui modifient et transforment les roches : leur érosion en surface, la formation de sédiments, le transport par les agents d'altération, et l'accumulation dans les bassins sédimentaires. Ensuite, sous l'effet de la température et de la pression dans l'intérieur terrestre, ces sédiments deviennent des roches.

Processus principaux

• Érosion : altération et transport des matériaux en surface.
• Sédimentation : accumulation et compactage des sédiments dans des bassins.
• Diagenèse : transformation des sédiments en roches sédimentaires par compactage, cimentation et recristallisation sous pression et température modérées.
• Métamorphisme : ensemble de changements qui se produisent dans les roches sous des températures et pressions élevées sans fusion, formant des roches métamorphiques.
• Magmatisme : fusion partielle des roches formant du magma, puis cristallisation en roches magmatiques.

Facteurs influençant la transformation

Trois facteurs importants modifient les matériaux dans l'écorce et le manteau :

• La température : elle augmente avec la profondeur, d'environ 3 ºC par 100 m en moyenne (gradient géothermique).
• La pression : la pression due au poids des roches augmente rapidement avec la profondeur.
• Les efforts tectoniques (compression, distension, cisaillement) produits par les mouvements du manteau et des plaques.

Structure interne de la Terre

Les couches principales sont la croûte, le manteau et le noyau, chacune avec des caractéristiques spécifiques :

• Croûte terrestre : fine couche de roche solide. Deux types : croûte continentale (granite) et croûte océanique (basalte et gabbro).
• Manteau : essentiellement péridotite, subdivisé en manteau supérieur et manteau inférieur.
• Noyau : composé d'une partie externe liquide et d'un noyau interne solide principalement métallique (fer et nickel).

On observe des discontinuités sismiques où la vitesse des ondes change en raison d'une variation de composition ou d'état physique :

• Mohorovičić (Moho) : séparation croûte / manteau, à environ 40–50 km (variable).
• Discontinuités au manteau sup./inf. (transition vers ~670 km).
• Gutenberg : séparation manteau / noyau externe à ~2 900 km.
• Lehmann : séparation noyau externe / noyau interne vers ~5 150 km.

Lithosphère et asthénosphère

La lithosphère est la couche rigide formée par la croûte et la partie supérieure du manteau (environ 100 km). Elle est découpée en plaques lithosphériques (plaques continentales et plaques océaniques). Sous la lithosphère se trouve l'asthénosphère, couche plus ductile où la convection mantellique peut se produire et permettre le mouvement des plaques.

Théories du mouvement des continents

Différentes théories ont été proposées pour expliquer le déplacement des masses continentales :

• Hypothèse de Wegener (dérive des continents) : Alfred Wegener proposa que les continents étaient autrefois réunis en un supercontinent (la Pangée) et ont dérivé pour former la configuration actuelle (Laurasia / Gondwana, etc.). Les preuves comprennent la correspondance des côtes (Afrique / Amérique du Sud), des fossiles similaires et des indices paléoclimatiques (tillites).
• Théories contractionnistes : expliquaient montagnes et rides par la contraction et le refroidissement de la Terre (désuètes).
• Théories mobilistes et tectonique des plaques : acceptent le déplacement horizontal des continents et expliquent le mouvement par la convection du manteau et d'autres mécanismes (Hess, Vine & Matthews, etc.).

Courants de convection et isostasie

Les courants de convection dans le manteau, décrits notamment par Holmes, résultent du chauffage par le bas : le fluide chaud devient moins dense et remonte, tandis que le fluide plus froid descend, formant des cellules convectives. Ces mouvements contribuent à l'instabilité lithosphérique, à la dérive des plaques, au volcanisme et à la sismicité. John Barrell a discuté du rôle de l'isostasie pour expliquer l'équilibre vertical des masses crustales.

Preuves de la tectonique des plaques

Des découvertes clés ont permis d'établir la tectonique des plaques :

• La distribution des séismes profondeurs selon un plan incliné (plan de Benioff), mise en évidence par M. Benioff, montre la plongée d'une plaque en subduction sous une autre.
• L'existence de bandes magnétiques symétriques de part et d'autre des dorsales océaniques, et l'inversion du champ magnétique terrestre enregistrée dans les basaltes, expliquées par Vine et Matthews.
• Les données géophysiques, bathymétriques et paléomagnétiques confirmant l'expansion des fonds marins proposée par Hess.

Dorsales et expansion du fond océanique

Selon l'hypothèse d'expansion des fonds océaniques (Hess), les dorsales sont des zones où une nouvelle croûte océanique se forme. Le matériel mantellique remonte au niveau des dorsales, produit du volcanisme fissural et du basalte, et repousse latéralement la croûte, entraînant l'élargissement des océans (ex. Atlantique).

Les dorsales présentent des caractéristiques :

• Fractures transformantes perpendiculaires : segments où la dorsale est décalée et se prolonge par des failles transformantes.
• Zone axiale où le magma remonte et forme une nouvelle croûte ; rift central parfois envahi par la mer.
• Activité hydrothermale et volcanique importante le long des dorsales.

Subduction et destruction de la lithosphère

Dans les zones de subduction, la lithosphère océanique se plie et plonge dans le manteau. La plaque plongeante peut entraîner :

• Formation de tranchées profondes et accumulation de sédiments dans la tranchée.
• Prisme d'accrétion si les sédiments sont comprimés et adhèrent à la plaque chevauchante.
• Forte sismicité le long du plan de subduction et magmatisme lié à la fusion partielle de la plaque plongeante.
• Formation d'arcs volcaniques insulaires ou continentaux selon la nature de la plaque chevauchante.

La subduction est ainsi une zone de destruction de lithosphère océanique et de recyclage dans le manteau.

Terminologie

On parle de plaque supérieure (overriding plate) et de plaque plongeante (subducting plate). La plaque plongeante peut être océanique ou continentale, mais c'est généralement la lithosphère océanique qui plonge sous une autre plaque.

Collision et orogenèse

Lorsque deux plaques continentales entrent en collision, la subduction cède le pas à la collision continentale : la convergence s'atténue et la lithosphère continentale s'épaissit. Les processus associés comprennent :

• Accumulation et déformation des sédiments au niveau de la zone de suture.
• Formation d'un orogène par empilement, plis et chevauchements (nappes) ; iso-stasie et soulèvement crustal.
• Compression, magmatisme et métamorphisme intenses.
• Production de failles majeures, fractures et forte sismicité.

Les orogènes de collision donnent naissance aux grandes chaînes de montagne (ex. Alpes, Himalaya) composées de croûte continentale épaissie et de roches métamorphiques et granitiques.

Arcs insulaires et orogenèse thermique

Un arc insulaire se forme lorsque la subduction d'une plaque océanique produit une série d'îles volcaniques (archipel volcanique insulaire). Un orogène thermique désigne un relief issu du volcanisme et de l'épaississement crustal (ex. Andes).

Orogènes intraplaques et rifts

Les orogènes peuvent aussi se former à l'intérieur des plaques (intraplaque) lorsque des bassins sédimentaires, rifts anciens ou zones affaiblies sont comprimés et relevés. Les panaches thermiques et points chauds sont également des agents de déformation interne.

Panaches thermiques et points chauds

Les panaches thermiques sont des colonnes de matériau chaud provenant du manteau profond qui montent vers la surface et génèrent un volcanisme intense (points chauds). Ils peuvent produire :

• Archipels volcaniques (ex. îles Hawaii).
• Volcanisme lié aux dorsales ou à des plateaux volcaniques.
• Renflements lithosphériques et, parfois, volcanisme continental majeur.

Les panaches montent lentement (quelques centimètres par an) et, en atteignant la surface, peuvent créer des points chauds actifs. Le refroidissement convectif et la conduction thermique dans la lithosphère influencent l'efficacité du magmatisme et la morphologie des édifices volcaniques.

Déformation des roches : mécanismes

La déformation des roches peut être :

• Élastique : réversible, responsable du passage des ondes sismiques.
• Plastique : déformation permanente sans rupture, typique à haute température/pression.
• Fragile : rupture ou faille lorsque la contrainte dépasse la résistance du matériau.

La rupture fragile se produit par fracturation et génère des séismes. Une roche soumise à une contrainte soutenue peut se rompre lorsqu'elle devient trop fragile.

Plis : éléments géométriques

Un pli est une déformation incurvée des couches. Ses éléments :

• Charnière : partie de plus forte courbure.
• Voûtes : parties de part et d'autre de la charnière.
• Noyau : partie centrale du pli.
• Plan axial : plan imaginaire passant par les charnières.

Types de plis : anticlinaux (couches les plus anciennes au centre) et synclinaux (couches les plus récentes au centre).

Failles et fracturation

Les failles sont des plans de fracture avec déplacement des blocs. Elles sont classées selon le mouvement relatif des blocs :

• Faille normale (extension) : le bloc supérieur s'abaisse par rapport au bloc inférieur.
• Faille inverse / chevauchante (compression) : le bloc supérieur se déplace vers le haut.
• Faille décrochante / transformante (cisaillement horizontal) : mouvement latéral des blocs.

Les nappes de chevauchement correspondent à de grands mouvements parasites où des allochtones (terres déplacées) ont été transportés sur des kilomètres à des dizaines de kilomètres le long de plans de chevauchement, souvent liés à une forte activité tectonique et sismique.

Joints et disjonctions

Les joints et les diaclases sont des failles de faible déplacement, typiques de la déformation cassante. Les fissures de retrait apparaissent dans les argiles et boues lors du séchage ; la gélifracion (gel-dégel) et l'effet de l'eau dans les fissures provoquent l'altération mécanique. La colonne de disjonction se produit lors du refroidissement de coulées basaltiques (colonnes basaltiques).

Conclusion

Les processus décrits — érosion, sédimentation, diagenèse, métamorphisme, magmatisme, convection mantellique, formation et destruction de lithosphère — forment un système dynamique global : le cycle des roches est intimement lié à la tectonique des plaques, au volcanisme et à la sismotectonique. Les découvertes géologiques et géophysiques du XXe siècle (Hess, Vine & Matthews, Benioff, etc.) ont permis de consolider la théorie moderne de la tectonique des plaques et d'expliquer la plupart des observations relatives à la structure et à l'évolution de la Terre.