8.2 : Croûte terrestre
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Désignez les principaux types de roches qui constituent la croûte terrestre
- Expliquer la théorie de la tectonique des plaques
- Décrire la différence entre les zones de faille et de subduction
- Décrire la relation entre les zones de faille et la construction de montagnes
- Expliquer les différents types d'activité volcanique qui se produisent sur Terre
Examinons maintenant plus en détail les couches extérieures de notre planète. La croûte terrestre est un endroit dynamique. Les éruptions volcaniques, l'érosion et les mouvements à grande échelle des continents retravaillent constamment la surface de notre planète. Géologiquement, notre planète est la plus active. Bon nombre des processus géologiques décrits dans cette section se sont également produits sur d'autres planètes, mais généralement dans un passé lointain. Certaines lunes des planètes géantes ont également des niveaux d'activité impressionnants. Par exemple, la lune de Jupiter Io possède un nombre remarquable de volcans actifs.
Composition de la croûte
La croûte terrestre est principalement composée de basalte océanique et de granit continental. Ce sont toutes deux des roches ignées, terme utilisé pour désigner toute roche refroidie à l'état fondu. Toutes les roches produites par les volcans sont ignées (Figure\(\PageIndex{1}\)).
Deux autres types de roches nous sont familiers sur Terre, bien qu'il s'avère qu'aucun des deux n'est commun sur d'autres planètes. Les roches sédimentaires sont constituées de fragments de roches ignées ou de coquilles d'organismes vivants déposés par le vent ou l'eau et cimentés ensemble sans fondre. Sur Terre, ces roches comprennent les grès, les schistes et les calcaires courants. Les roches métamorphiques sont produites lorsqu'une température ou une pression élevées altèrent physiquement ou chimiquement la roche ignée ou sédimentaire (le mot métamorphique signifie « forme modifiée »). Les roches métamorphiques sont produites sur Terre parce que l'activité géologique entraîne les roches de surface jusqu'à des profondeurs considérables, puis les ramène à la surface. Sans une telle activité, ces roches modifiées n'existeraient pas à la surface.
Il existe une quatrième catégorie de roches très importante qui peut nous renseigner sur les débuts de l'histoire du système planétaire : les roches primitives, qui ont largement échappé aux modifications chimiques causées par le chauffage. La roche primitive représente le matériau d'origine à partir duquel le système planétaire a été fabriqué. Il ne reste aucune matière primitive sur Terre car la planète entière a été chauffée au début de son histoire. Pour trouver des roches primitives, nous devons rechercher des objets plus petits tels que des comètes, des astéroïdes et de petites lunes planétaires. Nous pouvons parfois voir des roches primitives dans des échantillons qui tombent sur Terre à partir de ces objets plus petits.
Un bloc de quartzite sur Terre est composé de matériaux qui ont traversé ces quatre états. D'abord matériau primitif avant la naissance de la Terre, il a été chauffé au début de la Terre pour former de la roche ignée, transformé chimiquement et redéposé (peut-être de nombreuses fois) pour former de la roche sédimentaire, puis transformé à plusieurs kilomètres sous la surface de la Terre en la pierre métamorphique dure et blanche que nous voyons aujourd'hui.
Tectonique des plaques
La géologie est l'étude de la croûte terrestre et des processus qui ont façonné sa surface au cours de l'histoire. (Bien que géo signifie « lié à la Terre », les astronomes et les planétologues parlent également de la géologie d'autres planètes.) La chaleur qui s'échappe de l'intérieur fournit l'énergie nécessaire à la formation des montagnes, des vallées, des volcans de notre planète et même des continents et des bassins océaniques eux-mêmes. Mais ce n'est qu'au milieu du XXe siècle que les géologues ont réussi à comprendre comment ces reliefs sont créés.
La tectonique des plaques est une théorie qui explique comment des mouvements lents à l'intérieur du manteau terrestre déplacent de grands segments de la croûte, ce qui entraîne une « dérive » progressive des continents ainsi que la formation de montagnes et d'autres caractéristiques géologiques à grande échelle. La tectonique des plaques est un concept aussi fondamental en géologie que l'évolution par sélection naturelle l'est pour la biologie ou que la gravité est pour comprendre les orbites des planètes. D'un point de vue différent, la tectonique des plaques est un mécanisme permettant à la Terre de transporter efficacement la chaleur de l'intérieur, où elle s'est accumulée, vers l'espace. C'est un système de refroidissement pour la planète. Toutes les planètes développent un processus de transfert de chaleur au fur et à mesure de leur évolution ; les mécanismes peuvent différer de ceux de la Terre en raison de leur composition chimique et d'autres contraintes.
La croûte terrestre et le manteau supérieur (jusqu'à une profondeur d'environ 60 kilomètres) sont divisés en une douzaine de plaques tectoniques qui s'emboîtent comme les pièces d'un puzzle (Figure\(\PageIndex{2}\)). Dans certains endroits, comme dans l'océan Atlantique, les plaques s'éloignent ; dans d'autres, comme au large de la côte ouest de l'Amérique du Sud, elles se rapprochent de force. La puissance nécessaire pour déplacer les plaques est fournie par la convection lente du manteau, un processus par lequel la chaleur s'échappe de l'intérieur par le biais du flux ascendant de matériaux plus chauds et de l'enfoncement lent du matériau plus froid. (La convection, au cours de laquelle l'énergie est transportée d'une région chaude, telle que l'intérieur de la Terre, vers une région plus froide, telle que la partie supérieure du manteau, est un processus que nous rencontrons souvent en astronomie, aussi bien dans les étoiles que dans les planètes. Il est également important de faire bouillir de l'eau pour le café tout en étudiant pour les examens d'astronomie.)
L'US Geological Survey fournit une carte des récents tremblements de terre et indique les limites des plaques tectoniques et les endroits où se produisent les tremblements de terre par rapport à ces limites. Vous pouvez regarder les États-Unis de plus près ou effectuer un zoom arrière pour obtenir une vue globale.
Au fur et à mesure que les plaques se déplacent lentement, elles se heurtent et provoquent des changements spectaculaires dans la croûte terrestre au fil du temps. Quatre types fondamentaux d'interactions entre les plaques crustales sont possibles à leurs limites : (1) elles peuvent se séparer, (2) une plaque peut s'enfouir sous une autre, (3) elles peuvent glisser l'une à côté de l'autre ou (4) elles peuvent se coincer. Chacune de ces activités est importante pour déterminer la géologie de la Terre.
Alfred Wegner : suivre la dérive de la tectonique des plaques
En étudiant des cartes ou des globes de la Terre, de nombreux étudiants remarquent que les côtes de l'Amérique du Nord et du Sud, avec seulement des ajustements mineurs, pourraient s'adapter assez bien aux côtes de l'Europe et de l'Afrique. Il semble que ces grandes masses continentales auraient pu autrefois être réunies et ensuite être déchirées d'une manière ou d'une autre. La même idée était venue à l'esprit d'autres personnes (dont Francis Bacon dès 1620), mais ce n'est qu'au XXe siècle qu'une telle proposition a pu être plus qu'une spéculation. Le scientifique qui a plaidé en faveur de la dérive des continents en 1920 était un météorologue et astronome allemand du nom d'Alfred Wegener (Figure).
Né à Berlin en 1880, Wegener a été fasciné dès son plus jeune âge par le Groenland, la plus grande île du monde, qu'il rêvait d'explorer. Il a étudié aux universités de Heidelberg, Innsbruck et Berlin, où il a obtenu un doctorat en astronomie en réexaminant les tables astronomiques du XIIIe siècle. Mais ses intérêts se tournaient de plus en plus vers la Terre, en particulier sa météo. Il a réalisé des expériences à l'aide de cerfs-volants et de ballons, devenant si aboutis que lui et son frère ont établi un record du monde en 1906 en volant 52 heures en montgolfière.
Wegener a conçu la dérive des continents pour la première fois en 1910 alors qu'il examinait une carte du monde dans un atlas, mais il lui a fallu deux ans pour rassembler suffisamment de données pour proposer l'idée au public. Il a publié les résultats sous forme de livre en 1915. Le témoignage de Wegener allait bien au-delà de la congruence des formes des continents. Il a suggéré que les similitudes entre les fossiles trouvés uniquement en Amérique du Sud et en Afrique indiquaient que ces deux continents se rejoignaient en même temps. Il a également montré que les ressemblances entre les espèces animales vivantes sur différents continents pouvaient être expliquées au mieux en supposant que les continents étaient autrefois connectés dans un supercontinent qu'il a appelé Pangée (d'après des éléments grecs signifiant « toutes les terres »).
La suggestion de Wegener a suscité une réaction hostile de la part de la plupart des scientifiques. Bien qu'il ait rassemblé une liste impressionnante d'arguments à l'appui de son hypothèse, il lui manquait un mécanisme. Personne n'a pu expliquer comment des continents solides pouvaient dériver sur des milliers de kilomètres. Quelques scientifiques ont été suffisamment impressionnés par les travaux de Wegener pour continuer à rechercher des preuves supplémentaires, mais beaucoup ont trouvé la notion de continents en mouvement trop révolutionnaire pour être prise au sérieux. Pour mieux comprendre le mécanisme (tectonique des plaques), il faudrait des décennies de progrès supplémentaires en géologie, en océanographie et en géophysique.
Wegener a été déçu de l'accueil réservé à sa suggestion, mais il a poursuivi ses recherches et, en 1924, il a été nommé professeur spécial de météorologie et de géophysique créé spécialement pour lui à l'université de Graz (où il a toutefois été ostracisé par la plupart des professeurs de géologie). Quatre ans plus tard, lors de sa quatrième expédition dans son bien-aimé Groenland, il a fêté son cinquantième anniversaire avec des collègues, puis est parti à pied vers un autre camp sur l'île. Il ne s'en est jamais sorti ; il a été retrouvé quelques jours plus tard, apparemment mort d'une crise cardiaque.
Les critiques de la science citent souvent la résistance à l'hypothèse de la dérive des continents comme un exemple de la manière erronée dont les scientifiques envisagent les nouvelles idées. (De nombreuses personnes qui ont avancé des théories cinglées affirment qu'elles sont ridiculisées injustement, tout comme Wegener l'a été.) Mais nous pensons qu'il existe un éclairage plus positif pour aborder l'histoire de la suggestion de Wegener. Les scientifiques de son époque ont maintenu une attitude sceptique parce qu'ils avaient besoin de plus de preuves et d'un mécanisme clair qui correspondrait à ce qu'ils comprenaient de la nature. Une fois que les preuves et le mécanisme étaient clairs, l'hypothèse de Wegener est rapidement devenue la pièce maîtresse de notre vision d'une Terre dynamique.
Découvrez comment la dérive des continents a modifié l'apparence de la croûte de notre planète.
Zones de rift et de subduction
Les plaques s'éloignent les unes des autres le long de zones de rift, telles que la crête médio-atlantique, sous l'effet des courants ascendants dans le manteau (Figure\(\PageIndex{4}\)). Quelques zones de rift se trouvent sur terre. Le plus connu est le rift centrafricain, une région où le continent africain se décompose lentement. La plupart des zones de rift se trouvent toutefois dans les océans. La roche en fusion s'élève d'en bas pour remplir l'espace entre les plaques en retrait ; cette roche est de la lave basaltique, le type de roche ignée qui forme la plupart des bassins océaniques.
À partir de la connaissance de la façon dont le fond marin s'étend, nous pouvons calculer l'âge moyen de la croûte océanique. Environ 60 000 kilomètres de failles actives ont été identifiés, avec des taux de séparation moyens d'environ 5 centimètres par an. La nouvelle zone ajoutée à la Terre chaque année est d'environ 2 kilomètres carrés, ce qui est suffisant pour renouveler la totalité de la croûte océanique en un peu plus de 100 millions d'années. Il s'agit d'un intervalle de temps géologique très court, inférieur à 3 % de l'âge de la Terre. Les bassins océaniques actuels s'avèrent donc être parmi les plus jeunes de notre planète.
Au fur et à mesure qu'une nouvelle croûte est ajoutée à la Terre, l'ancienne croûte doit aller quelque part. Lorsque deux plaques se rejoignent, une plaque est souvent forcée sous l'autre dans ce que l'on appelle une zone de subduction (Figure\(\PageIndex{4}\)). En général, les masses continentales épaisses ne peuvent pas être subductées, mais les plaques océaniques plus minces peuvent être assez facilement poussées vers le bas dans le manteau supérieur. Une zone de subduction est souvent marquée par une tranchée océanique ; la profonde tranchée japonaise le long de la côte asiatique est un bel exemple de ce type de caractéristique. La plaque subductée est poussée vers le bas dans des régions de pression et de température élevées, pour finalement fondre à plusieurs centaines de kilomètres sous la surface. Son matériau est recyclé en un courant de convection descendant, équilibrant finalement le flux de matière qui remonte le long des zones de rift. La quantité de croûte détruite dans les zones de subduction est approximativement égale à la quantité formée dans les zones de rift.
Tout au long de la zone de subduction, des tremblements de terre et des volcans marquent l'agonie de la plaque. Certains des tremblements de terre les plus destructeurs de l'histoire se sont produits le long de zones de subduction, notamment le tremblement de terre et l'incendie de Yokohama en 1923 qui ont fait 100 000 morts, le tremblement de terre et le tsunami de Sumatra en 2004 qui ont fait plus de 200 000 morts, et le tremblement de terre de Tohoku en 2011 qui a provoqué la fusion de trois réacteurs nucléaires au Japon.
Zones de faille et construction de montagnes
Sur une grande partie de leur longueur, les plaques crustales glissent parallèlement les unes aux autres. Ces limites de plaques sont marquées par des fissures ou des défauts. Le long des zones de failles actives, le mouvement d'une plaque par rapport à l'autre est de plusieurs centimètres par an, soit à peu près le même que la vitesse de propagation le long des failles.
L'une des failles les plus connues est la faille de San Andreas en Californie, située à la limite entre la plaque du Pacifique et la plaque de l'Amérique du Nord (Figure\(\PageIndex{5}\)). Cette faille s'étend du golfe de Californie à l'océan Pacifique au nord-ouest de San Francisco. La plaque du Pacifique, à l'ouest, se déplace vers le nord, emportant avec elle Los Angeles, San Diego et certaines parties de la côte sud de la Californie. Dans plusieurs millions d'années, Los Angeles pourrait être une île au large de San Francisco.
Malheureusement pour nous, le mouvement le long des zones de faille ne se fait pas sans heurts. Le mouvement rampant des plaques l'une contre l'autre crée des contraintes dans la croûte qui sont libérées lors de glissements soudains et violents qui génèrent des tremblements de terre. Comme le mouvement moyen des plaques est constant, plus l'intervalle entre les séismes est long, plus la contrainte est importante et plus l'énergie libérée lorsque la surface se déplace finalement.
Par exemple, la partie de la faille de San Andreas située près de la ville de Parkfield, dans le centre de la Californie, a glissé tous les 25 ans environ au cours du siècle dernier, se déplaçant en moyenne d'environ 1 mètre à chaque fois. En revanche, l'intervalle moyen entre les principaux tremblements de terre dans la région de Los Angeles est d'environ 150 ans et le mouvement moyen est d'environ 7 mètres. La dernière fois que la faille de San Andreas a glissé dans cette zone remonte à 1857 ; la tension n'a cessé de monter depuis, et elle devrait bientôt être relâchée. Des instruments sensibles placés dans le bassin de Los Angeles montrent que le bassin se déforme et se réduit en taille à mesure que ces pressions énormes s'accumulent sous la surface.
Exemple\(\PageIndex{1}\) : zones de failles et mouvement des plaques
Après avoir cartographié les limites entre les plaques tectoniques de la croûte terrestre et mesuré la vitesse annuelle à laquelle les plaques se déplacent (environ 5 cm/an), nous avons pu estimer beaucoup de choses sur la vitesse à laquelle la géologie de la Terre change. À titre d'exemple, supposons que le prochain glissement le long de la faille de San Andreas, dans le sud de la Californie, ait lieu en 2017 et qu'il soulage complètement la tension accumulée dans cette région. Quel est le niveau de glissement requis pour que cela se produise ?
Solution
La vitesse de déplacement de la plaque du Pacifique par rapport à celle de l'Amérique du Nord est de 5 cm/an, soit 500 cm (ou 5 m) par siècle. Le dernier tremblement de terre du sud de la Californie remonte à 1857. La période entre 1857 et 2017 est de 160 ans, soit 1,6 siècle, de sorte que le glissement nécessaire pour soulager complètement la souche serait de 5 m/siècle × 1,6 siècle = 8,0 m.
Exercice\(\PageIndex{1}\)
Si le prochain tremblement de terre majeur dans le sud de la Californie se produit en 2047 et ne soulage que la moitié de la tension accumulée, quel sera l'ampleur du glissement ?
- Réponse
-
La différence de temps entre 1857 et 2047 est de 190 ans, soit 1,9 siècle. Comme seule la moitié de la souche est libérée, cela équivaut à la moitié de la vitesse de mouvement annuelle. Le glissement total s'élève à 0,5 × 5 m/siècle × 1,9 siècle = 4,75 m.
Lorsque deux masses continentales se déplacent sur une trajectoire de collision, elles se bousculent sous une forte pression. La Terre se déforme et se plie, entraînant de la roche profondément sous la surface et soulevant d'autres plis jusqu'à des hauteurs de plusieurs kilomètres. C'est ainsi que de nombreuses chaînes de montagnes de la Terre, mais pas toutes, se sont formées. Les Alpes, par exemple, sont le résultat de la collision entre la plaque africaine et la plaque eurasienne. Comme nous le verrons, cependant, des processus très différents ont produit les montagnes sur d'autres planètes.
Une fois qu'une chaîne de montagnes est formée par la poussée ascendante de la croûte, ses roches sont soumises à l'érosion par l'eau et la glace. Les sommets pointus et les bords dentelés n'ont rien à voir avec les forces qui façonnent les montagnes au départ. Ils sont plutôt le résultat de processus qui détruisent les montagnes. Ice est un sculpteur de roches particulièrement efficace (Figure\(\PageIndex{6}\)). Dans un monde sans glace en mouvement ni eau courante (comme la Lune ou Mercure), les montagnes restent lisses et ternes.
Volcans
Les volcans marquent les endroits où la lave remonte à la surface. Les dorsales médio-océaniques, qui sont de longues chaînes de montagnes sous-marines formées par de la lave s'élevant du manteau terrestre aux limites des plaques, en sont un exemple. Un deuxième type majeur d'activité volcanique est associé aux zones de subduction, et des volcans apparaissent parfois également dans les régions où les plaques continentales entrent en collision. Dans chaque cas, l'activité volcanique nous permet d'échantillonner une partie de la matière provenant des profondeurs de notre planète.
D'autres activités volcaniques se produisent au-dessus des « points chauds » du manteau, c'est-à-dire des zones éloignées des limites des plaques où la chaleur remonte néanmoins de l'intérieur de la Terre. L'un des points chauds les plus connus se trouve sous l'île d'Hawaï, où il fournit actuellement la chaleur nécessaire au maintien de trois volcans actifs, deux sur terre et un sous l'océan. Le point névralgique d'Hawaï est actif depuis au moins 100 millions d'années. Au fur et à mesure que les plaques de la Terre se sont déplacées pendant cette période, le point chaud a généré une chaîne d'îles volcaniques de 3 500 kilomètres de long. Les plus hauts volcans hawaïens font partie des plus grandes montagnes individuelles de la planète, avec plus de 100 kilomètres de diamètre et s'élevant à 9 kilomètres au-dessus du fond de l'océan. L'une des montagnes volcaniques hawaïennes, le Mauna Kea, aujourd'hui endormi, est devenu l'un des meilleurs sites d'astronomie au monde.
Le Service géologique américain fournit une carte interactive de la célèbre « ceinture de feu », qui est la chaîne de volcans qui entoure l'océan Pacifique, et montre le « point chaud » hawaïen qui s'y trouve.
Toutes les éruptions volcaniques ne produisent pas de montagnes. Si la lave s'écoule rapidement à partir de longues fissures, elle peut s'étendre pour former des plaines de lave. Les plus grandes éruptions terrestres connues, telles que celles qui ont produit les basaltes de la rivière Snake dans le nord-ouest des États-Unis ou les plaines du Deccan en Inde, sont de ce type. Des plaines de lave similaires se trouvent sur la Lune et sur les autres planètes terrestres.
Concepts clés et résumé
Les roches terrestres peuvent être classées comme ignées, sédimentaires ou métamorphiques. Un quatrième type, les roches primitives, ne se trouve pas sur Terre. La géologie de notre planète est dominée par la tectonique des plaques, dans laquelle les plaques crustales se déplacent lentement en réponse à la convection du manteau. L'expression superficielle de la tectonique des plaques comprend la dérive des continents, le recyclage du fond de l'océan, la construction de montagnes, les zones de rift, les zones de subduction, les failles, les tremblements de terre et les éruptions volcaniques de lave provenant de l'intérieur.
Lexique
- convection
- mouvement provoqué au sein d'un gaz ou d'un liquide par la tendance d'un matériau plus chaud, donc moins dense, à monter et d'un matériau plus froid et plus dense à couler sous l'influence de la gravité, ce qui entraîne par conséquent un transfert de chaleur
- défaut
- en géologie, une fissure ou une rupture de la croûte d'une planète le long de laquelle un glissement ou un mouvement peuvent se produire, accompagnée d'une activité sismique
- roche ignée
- roche produite par refroidissement à partir d'un état fondu
- roche métamorphique
- roche produite par altération physique et chimique (sans fusion) sous haute température et pression
- tectonique des plaques
- le mouvement des segments ou des plaques de la couche externe d'une planète au-dessus du manteau sous-jacent
- roche primitive
- roche qui n'a pas subi de forte chaleur ou de pression et qui reste donc représentative des matériaux condensés d'origine provenant de la nébuleuse solaire
- zone de faille
- en géologie, un endroit où la croûte est déchirée par des forces internes généralement associées à l'injection de nouveaux matériaux provenant du manteau et à la lente séparation des plaques tectoniques
- roche sédimentaire
- roche formée par le dépôt et la cimentation de grains fins de matière, tels que des morceaux de roche ignée ou des coquilles d'êtres vivants
- subduction
- le mouvement latéral et descendant du bord d'une plaque de la croûte terrestre dans le manteau situé sous une autre plaque
- volcan
- un endroit où la matière du manteau d'une planète entre en éruption à sa surface