La lithosphère et la tectonique des plaques : cours de 1re

Tu connais déjà la structure du globe terrestre : une croûte, un manteau, un noyau. Dans ce cours, on s'intéresse à la partie externe de cette structure et à une question simple en apparence : la surface de la Terre est-elle fixe ? Les mesures actuelles répondent que non. La lithosphère terrestre est découpée en plaques animées de mouvements.¹

Ce découpage explique des phénomènes que tu as sans doute déjà rencontrés : les séismes, les volcans, les chaînes de montagnes, les fosses océaniques. La théorie qui les relie s'appelle la tectonique des plaques. Des géologues et des géophysiciens du monde entier l'ont construite vers la fin des années 1960, une fois établi que les fonds océaniques s'élargissent.⁶

Le mot « rigide » est la clé. Une roche rigide ne s'écoule pas : elle a tendance à se casser plutôt qu'à se déformer lentement. C'est pourquoi la lithosphère peut se fracturer en grands morceaux.⁶ Elle forme l'enveloppe superficielle du globe.³

La lithosphère rigide repose donc sur une asthénosphère déformable. Cette superposition rend le mouvement des plaques possible : un ensemble rigide peut se déplacer sur une couche plus déformable.⁶

Les coupures suivent des failles, des dorsales, des rifts et des fosses de subduction.⁵ Imagine un plat de céramique fêlé : chaque morceau garde sa forme, et les fêlures représentent les limites de plaques.

Pourquoi parler de « plaque » ? Le terme vient d'un modèle mécanique à deux dimensions, à la surface d'une sphère, proposé par Xavier Le Pichon. Dans ce modèle, la surface terrestre est un assemblage de plaques rigides qui bougent les unes par rapport aux autres sans se déformer, sauf sur leurs bords.⁵

On a recensé quinze grandes plaques, auxquelles s'ajoutent environ cinquante petites plaques.⁶ Dans son modèle quantitatif de 1968, Le Pichon en distinguait déjà six principales.⁶ Le nombre dépend donc de l'échelle d'observation : plus on précise, plus on distingue de petites plaques.

Une plaque qui ne porte qu'un seul type de lithosphère est rare : c'est le cas de la plaque de Nazca ou de la plaque philippine. Le plus souvent, la plaque est mixte, comme la plaque sud-américaine ou la plaque eurasiatique.⁵

Quelques ordres de grandeur. Là où elles portent un continent, les plaques mesurent environ cent kilomètres d'épaisseur, avec de fortes variations selon l'histoire de la région.⁵ La plaque pacifique est la plus étendue ; c'est aussi la plus rapide, à environ 8 cm/an, vitesse mesurée par rapport aux points chauds.⁵

Selon la façon dont les plaques bougent l'une par rapport à l'autre, on distingue des frontières convergentes, divergentes ou transformantes.⁶ Les plaques interagissent de trois façons principales : elles s'écartent, se rapprochent ou coulissent.⁶ Regardons chacune.⁶

Dire que les plaques bougent ne suffit pas : le programme demande de quantifier ce mouvement en précisant sa direction, son sens et sa vitesse.² On s'appuie pour cela sur des mesures GPS et des mesures laser.¹

Pour repérer les plaques elles-mêmes, on utilise notamment des données sismiques.¹ Comme les séismes se concentrent sur les limites, leur répartition dessine le contour des plaques.

La mobilité des plaques lithosphériques vient de phénomènes de convection.¹ Par la convection, le manteau transporte de la chaleur et la Terre évacue ainsi sa chaleur interne vers la surface.⁶ La tectonique des plaques est donc liée à la dissipation de l'énergie thermique du globe.²

Une image pour comprendre : une casserole d'eau chauffée. L'eau chaude monte, l'eau plus froide descend, et un mouvement d'ensemble s'installe. Dans le manteau, tout est solide, mais très lentement déformable ; le principe de transport de chaleur par déplacement de matière reste le même.

On admet aujourd'hui que les plaques sont entraînées par les mouvements du manteau asthénosphérique placé sous elles.⁶ Pourtant, l'origine exacte de la force qui les met en mouvement fait débat : les géologues voyaient longtemps dans le couplage mécanique entre asthénosphère et lithosphère le moteur principal, mais son importance est désormais discutée.⁶

La tectonique des plaques est une théorie récente, énoncée en 1967.⁴ Elle s'inspire de la théorie plus ancienne de la dérive des continents, due à Wegener et datée de 1912, dont les arguments ont convaincu de nombreux géologues jusqu'après la seconde guerre mondiale.⁴

Le tournant est la découverte de l'expansion des fonds océaniques, qui pousse la communauté scientifique internationale à élaborer la théorie à la fin des années 1960.⁶ Le modèle de Le Pichon, qui décrit la surface de la Terre comme un ensemble de plaques rigides, en est le fondement.⁵

Cette théorie s'est imposée parce qu'elle relie des phénomènes jusque-là séparés : elle a éclairé l'origine des séismes, des différentes formes de volcanisme, de la déformation des roches et de la naissance des chaînes de montagnes.⁴

Pour situer tout cela dans le temps long : notre planète a pris forme voici environ 4,54 milliards d'années, mais son enveloppe rigide n'a commencé à se fragmenter en plaques que vers 4 milliards d'années.⁵