Voyage au centre de la Terre : les dessous de la tectonique des plaques

Jules Verne nous a fait rêver avec ses voyages extraordinaires et la plupart de ces rêves ont été réalisés. Cousteau nous a emmenés au fond des océans, l’homme a marché sur la Lune il y a plus de 50 ans et aujourd’hui nos robots arpentent la surface de Mars alors que nous avons des sondes qui explorent les confins du système solaire.

Pourtant une des promesses de Jules Verne nous est encore refusée : le voyage au centre de la Terre. L’homme ne descend pas à plus de 4 kilomètres sous la surface (dans des mines d’or en Afrique du Sud) et les forages les plus profonds ne dépassent guère 12 kilomètres, une égratignure comparée à la distance qui nous sépare du centre de la Terre qui avoisine 6 400 kilomètres. Ce qui est sous nos pieds reste hors de portée de l’explorateur, mais pas du scientifique !

Le scientifique commence par observer. Notre planète est entourée d’une couche de gaz qui autorise la vie : l’atmosphère, elle est recouverte d’une pellicule d’eau ou cette vie est sans doute apparue : l’hydrosphère, mais le géologue s’intéresse à la Terre solide, faite de roches : la lithosphère. Celle-ci, rigide, semble immuable, pourtant des montagnes se sont formées dans le passé sous l’influence de forces tectoniques.

Les montagnes, parlons-en. Pourquoi le toit de la Terre, l’Everest, ne culmine-t-il qu’à 8 848 mètres alors que Mars peut s’enorgueillir d’Olympus Mons qui s’élève à près de 25 000 mètres ? Pourrait-on imaginer de tels sommets sur la Terre, voire de plus élevés ? C’est le physicien qui est en mesure d’apporter des éléments de réponse à cette question sous l’angle de la mécanique. Une montagne pèse lourd sur la surface d’une planète qui doit supporter sa charge.

La Terre est en surface bien moins dense qu’elle ne l’est en profondeur

Ces forces sont d’autant plus importantes que la planète est grosse et que la gravité y est élevée. Sur Mars, la gravité est le tiers de celle de la Terre : l’énigme de la différence Everest–Olympus Mons commence à s’éclairer. Mais les forces exercées n’expliquent pas tout. Ce qui compte, c’est la résistance mécanique de la croûte terrestre en réponse à cette charge. En 1914-1915, Joseph Barrell, professeur de géologie structurale à Yale, publie une série d’articles consacrés à la rigidité de la croûte terrestre qui ont fait date.

Depuis fort longtemps, l’hypothèse avait été avancée que les excès de masse en surface dus aux montagnes devaient être compensés par un déficit de masse en profondeur. En 1735, l’Académie des Sciences avait dépêché une expédition au Pérou pour déterminer la forme exacte de la Terre, à savoir si elle était sphérique, aplatie aux pôles ou allongée selon l’axe de rotation. Pierre Bouguer, qui faisait partie de l’expédition, avait réalisé des mesures extraordinairement précises de la gravité terrestre (à l’aide d’un simple pendule !). La gravité dépendant de la répartition des masses, il voulait étudier la manière dont celle-ci est affectée au voisinage du Chimborazo (volcan d’Équateur culminant à 6 263 mètres).

Ses résultats étaient sans appel : la Terre est en surface bien moins dense qu’elle ne l’est en profondeur : ce qui nous est accessible en surface ne reflète donc pas l’ensemble du globe. Barrell va plus loin, les propriétés mécaniques de l’intérieur de la Terre doivent également être très différentes. L’équilibre mécanique des reliefs nécessite des déformations en profondeur. La Terre, qui vue de la surface apparaît comme une sphère de roches rigides (la lithosphère) doit donc laisser place en profondeur à une Terre plus « molle », plus déformable qu’il baptise « asthénosphère » (du grec ἀσθένης, asthénes, sans résistance).

Depuis Barrell, notre connaissance du globe a considérablement progressé. Depuis une cinquantaine d’années, la tectonique des plaques s’est imposée comme le cadre conceptuel qui décrit la dynamique de la lithosphère à partir des déplacements relatifs d’un petit nombre (une quinzaine pour les principales) de plaques rigides. Plus encore, on sait aujourd’hui que ces translations de surface sont animées par de vastes mouvements de convection qui brassent le manteau terrestre, enveloppe rocheuse qui s’étend jusqu’au noyau (c’est-à-dire jusqu’à près de 2 900 kilomètres de profondeur).

Ce sont ces lents, très lents, mouvements de convection qui en transportant les roches chaudes des profondeurs vers la surface permettent à notre planète d’évacuer sa chaleur interne. La transition entre la lithosphère et l’asthénosphère proposée par Barrell joue donc un rôle très important puisque c’est cette interface qui assure le couplage mécanique entre les mouvements de convection profonds et les déplacements des plaques en surface. Mais quelle est son origine, sa nature ? Cette question, simple en apparence, n’a toujours pas reçu de réponse qui emporte l’adhésion de la communauté scientifique.

On sait que la frontière entre la lithosphère et l’asthénosphère passe dans le manteau supérieur, donc elle ne correspond pas à un changement de nature des roches. On s’accorde également à penser qu’elle est associée à une température caractéristique voisine de 1000 °C. Il faut donc comprendre comment les roches du manteau supérieur voient leurs propriétés mécaniques s’effondrer brusquement à cette température. Les roches sont constituées de minéraux qui sont des cristaux. Ces cristaux sont soudés entre eux pour former la roche.

Et si la réponse était dans l’olivine ?

Dans le manteau supérieur, un minéral est particulièrement important : l’olivine, un silicate de magnésium et de fer, de couleur verte (olive). D’une part l’olivine est le constituant le plus abondant dans le manteau, on observe de plus que sa déformation contrôle celle du manteau supérieur.

C’est à ce minéral que notre équipe s’intéresse particulièrement dans le cadre d’un programme de recherche financé par le Conseil européen de la recherche (European Research Council, ERC) nommé TimeMan.

TimeMan s’attaque à un autre défi majeur : comment les êtres éphémères que nous sommes peuvent-ils comprendre à l’échelle d’une vie (professionnelle) humaine des mécanismes qui agissent infiniment lentement sur des centaines de millions d’années. Le pari de ce projet est que la solution à des grandes questions de la géologie qui concernent des objets de plusieurs centaines de kilomètres et des échelles de temps de centaines de millions d’années peut se trouver dans des mécanismes qui opèrent à l’échelle microscopique dans les minéraux.

Nous observons, nous analysons, nous modélisons donc les mécanismes de déformation de l’olivine avec la plus grande attention. L’étude décrite dans cet article paru dans la revue Nature est basée sur l’observation méticuleuse d’agrégats d’olivine déformés à haute température et haute pression, en laboratoire, par nos collègues des universités de Montpellier et de Bayreuth en Allemagne qui montraient un changement marqué de propriétés mécaniques… au voisinage de 1 000 °C !

Nos observations sont basées sur la microscopie électronique en transmission, une technologie sophistiquée qui permet d’étudier la structure et la chimie de la matière quasiment jusque l’échelle atomique, et dont le laboratoire de Lille et celui de nos collègues d’Anvers et de Louvain-la-Neuve sont spécialistes.

Quelle ne fut pas notre surprise de constater que la déformation de ces échantillons était fortement localisée à la frontière qui soude les cristaux entre eux. Fascinante analogie avec la tectonique des plaques qui localise les déformations aux frontières de plaques alors que plus de neuf ordres de grandeur séparent les dimensions de ces deux phénomènes. En y regardant de plus près, à l’échelle atomique, on constate que ces parois entre grains sont constituées d’une fine (10 000 à 100 000 fois moins épaisse qu’un cheveu humain) couche qui a perdu la régularité de sa structure cristalline, c’est un verre dont l’arrangement atomique est désordonné.

Or cette couche de verre n’était pas présente dans les échantillons avant déformation. D’ailleurs l’olivine est connue pour ne se vitrifier que très difficilement. Ici, c’est sous l’influence des contraintes qui se concentrent sur ces parois que la structure cristalline s’est effondrée. Cette observation éclaire d’un jour complètement nouveau le comportement de la roche. En effet les propriétés mécaniques d’un verre sont complètement différentes de celles d’un cristal. Les souffleurs de verre savent depuis longtemps que le verre, ce solide dur et fragile par excellence, devient soudainement mou, pâteux, et même s’écoule lorsqu’une température caractéristique est atteinte. Or pour le verre d’olivine, cette température caractéristique, appelée température de transition vitreuse, est proche de… 1 000 °C.

Avons-nous la clé de la limite entre la lithosphère et l’asthénosphère dans cette fine couche de verre entre les grains d’olivine ? L’avenir le dira et la science doit inciter à rester prudent et modeste. Il est clair cependant que cette découverte justifie de pousser plus avant nos investigations sur les propriétés mécaniques de ce verre d’olivine si particulier.

Au-delà de cette découverte particulière, ce travail esquisse les contours d’une nouvelle science que l’on pourrait appeler nanogéodynamique. Basée sur la conviction que les propriétés intimes de la matière, due à sa structure atomique, s’expriment à des échelles infiniment plus grandes, cette approche mobilise les ressources de la minéralogie, et plus généralement de la science des matériaux, de la physique, de la chimie pour apporter des réponses aux grandes questions des sciences de la Terre. Qui aurait imaginé qu’un microscope électronique soit notre vaisseau pour explorer l’intérieur de la Terre ?