tectonique des plaques la tectonique, du grec τέκτων ou tektōn signifiant « bâtisseur », « charpentier », est l'étude des structures géologiques d’échelle >1km, telles les chaînes de montagnes ou les bassins sédimentaires, et des mécanismes qui en sont responsables. fil rouge : formation des chaînes de montagnes

D’après Carozzi in Schneer, Toward a history of geology Au XVIII e siècle : montagnes = simples dépôts sédimentaires sur une surface originellement inégale (vision neptunienne, dominante), puis baisse régulière du niveau marin Buffon -écrit une histoire naturelle. Actualiste. Neptunien. -ce sont les courants qui ont modelé le relief. Dans sa Théorie de la terre (1749), Buffon reprend les idées de De Maillet. -age de la terre=75000 ans De Maillet ( ) Telliamed (1720, 1748) -distinction montagnes « primaires » azoïques/ « secondaires » stratifiées, fossilifères -cette distinction correspond à la structure des Alpes : axe cristallin du socle en hauteur, marges de couverture sédimentaire à plus basse altitude -age de la terre: plusieurs millions d’années

Abraham Gottlob Werner (École des mines de Freiberg) formation de la croûte terrestre par précipitation de sédiment dans un océan primordial couvrant toute la surface de la Terre. Cet océan en se retirant aurait laissé les continents dans un état proche de celui que nous connaissons actuellement. Cette vue n’est pas en conflict avec l’idée biblique de déluge. XVIIIe siècle – role de l’église dans les institutions académiques. Pour les écclesiastiques, la terre a moins de ans…

Johann Scheuchzer versants du lac d’Uri (Suisse), in « Helvetiae Stoicheiographia…. » (1716) Versant ouest du lac d’Uri, Albert Heim, 1891 …dans les Nappes helvétiques, plis couchés bien visibles, soulignés notamment par les calcaires « urgoniens » Johann Scheuchzer ( ) suisse Livre publié en pionnier de la tectonique alpine -comprend la notion de plissement -imagine les parties « manquantes » des plis -connu mais mal compris de ses contemporains : la structure des alpes commencera à être comprise dans les années 1860… Deux remarquables précurseurs de la Tectonique alpine

Horace Benedict de Saussure ( ), suisse Voyages dans les Alpes ( ) -pionnier de l’alpinisme -cherche à comprendre la structure des Alpes et leur genèse -il observe des plis couchés dans le Jura et les Alpes -il acquière une vue d’ensemble de la structure des Alpes -au début, De Saussure est neptuniste : les plis se forment pour lui pendant le dépôt au fond des mers, puisque les couches doivent être molles -puis, en , il change d’avis : les couches ont été formées à l’horizontale, puis elles ont été relevées, bouleversées, sous l’action d’un « feu intérieur » (découverte du conglomérat vertical, Permo-carbonifère, redressé, de Vallorcine -il décrit des plis en C, des plis en S dans les Alpes : 100 ans avant, c’est un vrai précurseur de la tetonique De Saussure

Hutton: Theory of the Earth; or, an investigation of the laws observable in the composition, dissolution, and restoration of land upon the globe (1785) James Hutton : importance des roches ignées – force tectonique cycle sous-jacent au paysage actuel temps géologique

Siccar’s point

Roche magmatique, Hutton’s section, Salisbury crags (Arthur’s seat)

Roche magmatique (Arthur’s seat)

mur d’Adrien (122AD), aujourd’hui

Hutton and the “plutonists” : summary igneous, metamorphic (and sedimentary) rocks

Elie de Beaumont ( ) : le modèle « contractionniste » ou « fixiste » Ingénieur des Mines, Professeur à l’école des Mines -propose un modèle « contractionniste » dans lequel la Terre, encore chaude en profondeur, se refroidit lentement (on ne connait pas alors la radioactivité naturelle des roches, productrice de chaleur) =la surface (croûte) se détend, s’effondre et se « ride » de manière radiale=image (faussement employée) de la pomme qui se dessèche et se ride.

Eduard Suess (Suisse, ) : L'étude des chaînes de montagnes permet à Suess d'affirmer l'existence de mouvements verticaux mais aussi de mouvements horizontaux importants. Dès 1875, il reconnaît que la chaîne alpine est déversé sur un « avant-pays » et il postule qu'elle a pour cause une poussée venue du Sud ou du Sud-Est et qu'elle résulte de déplacements tangentiels importants. Le moteur des mouvements superficiels reste la contraction thermique (comme pour Elie de Beaumont) mais n'empêche pas des mouvements latéraux importants.

Marcel Bertrand ( ) Professeur à l’Ecole des Mines de Paris -étudie le Jura, la Provence et les Alpes -fonde le concept de nappe de charriage (1884, 1887) : grands chevauchements latéraux de terrains (10-100km) sur un socle-d’abord remarqué par la juxtaposition anormale de terrains plus anciens sur des terrains plus récents: Bassin houiller franco-belge –carbonifère recouvert par du Silurien et du Dévonien; Le Beausset, Provence-Trias sur du Crétacé

Alfred Wegener ( ) météorologue allemand Enseignant-chercheur à l‘université (Marburg) Alfred Wegener présente son idée de la dérive des continents en janvier 1912, puis il la développe progressivement jusqu'à sa mort, en 1930,au cours d'éditions successives de son livre Die Enstehung der Kontinente und Ozeane (1915, 1920, 1922, 1929), en français : La genèse des continents et des océans. Il n'est pas le premier à supposer une translation continentale : Owen (1857), Snider- Pellegrini (1858), Fisher (1882), Pickering (1907), Baker (1912) et surtout Taylor (1910) ont émis avant lui des idées mobilistes mais le titre de « père de la dérive » lui revient indiscutablement car il est le premier à étayer son hypothèse par un nombre considérable de « preuves » émanant de sources très diverses pour en faire une théorie scientifique cohérente. Dans la préface de son ouvrage, Wegener insiste sur la nécessité de développer une vision globale de la planète, incluant l'ensemble des sciences de la Terre. Cette approche généraliste, qui va l'amener à aller puiser des arguments dans de multiples disciplines, très éloignées de sa spécialité, n'est pas courante à son époque (ni forcément à la nôtre!). Elle est remarquable et constitue un des aspects les plus novateurs de sa démarche.

Alfred Wegener ( ) météorologue allemand Enseignant-chercheur à l‘université (Marburg) Die Entstehung der Kontinente und Ozeane (La genèse des continents et des océans) présente sa théorie de la translation des continents en 1912 concordance des côtes (ex. Afrique/Amérique du Sud) (déjà remarqué au XVI siècle) importance des mouvements tangentiels : les Alpes ont été réduites du 1/4 ou du 1/8 par une série de chevauchements (raccourcissement de 600 à 1500 km) analogie des structures tectoniques (ex. chaînes primaires de part et d‘autre de l’Atlantique, Bertrand/Suess : Gondwana) faunes/flores fossiles identiques (ex. en Afrique et Amérique du Sud, flore à Glossoptéris) la théorie de Wegener rend compte de la distribution des climats déduites des observations sédimentologiques et paléontologiques(paléoclimatologie) découverte de la radioactivité, élimine l’idée du refroidissement de la Terre, et donc sape la base de la théorie contractionniste La théorie de l’isostasie (1855, 1892), s’oppose aussi aux effondrements continentaux : elle admet que des continents plus légers flottent sur une couche plus dense que l’on retrouve au fond des océans

concordance des côtes (ex. Afrique/Amérique du Sud) (déjà remarqué au XVI siècle)

topographie

Si, comme l'expliquent habituellement les géologues, les hauteurs sont dues à des soulèvements et les profondeurs à des affaissements, à partir d'un niveau initial commun, il serait alors naturel d'admettre que les fréquences soient d'autant plus petites que l'on s'éloigne du niveau initial. La loi des fréquences devrait être celle d'une courbe de Gauss avec un seul maximum. « Nous en concluons, dit Wegener, qu'il doit y avoir eu deux niveaux initiaux de départ et nous sommes conduits, inévitablement, à admettre que les continents et les sols sous-océaniques constituent deux couches distinctes de l'écorce terrestre qui se comportent – en grossissant un peu notre image – comme des icebergs tabulaires et l'eau qui les baigne » topographie

D’après Marcel Bertrand, BSGF, 1887 analogie des structures tectoniques (ex. chaînes primaires de part et d’autre de l’Atlantique)

À la fin du Carbonifère et au début du Permien, tous les continents de l'hémisphère Sud (et le Deccan), aujourd'hui très éloignés les uns des autres, étaient recouverts par des glaces, alors qu'aucun des continents situés actuellement dans l'hémisphère Nord (à part le Deccan) n'en possédait. La figure à droite (par Wegener) indique la position la plus convenable pour le pôle Sud et montre que certaines régions glaciaires devaient alors être situées à moins de 10° de latitude. Les traces glaciaires ne peuvent ainsi se comprendre que si les continents du Gondwana ont été autrefois réunis. Paléoclimat Wegener remarque que si on regroupe les continents en mettant le pôle Sud au centre des terrains montrant des traces de glaciation au carbonifère supérieur, alors la grande ceinture de Carbonifère productif (qui indique un climat pluvieux et chaud) qui parcourt l'Amérique du nord, l'Europe, l'Asie mineur et le Chine occupe sur notre reconstitution un grand cercle, notamment celui dont le pôle est au centre de la glaciation.

faunes/flores (fossiles) identiques In 1864 the zoologist Philip Sclater wrote an article on The Mammals of Madagascar, in the Quarterly Journal of Science. Using a classification he referred to as lemurs but which included related primate groups, and puzzled by the presence of their fossils in both Madagascar and India but not in Africa or the Middle East, Sclater proposed that Madagascar and India had once been part of a larger, now “lost”, continent. The anomalies of the Mammal fauna of Madagascar can best be explained by supposing that... a large continent occupied parts of the Atlantic and Indian Oceans... that this continent was broken up into islands, of which some have become amalgamated with... Africa, some... with what is now Asia; and that in Madagascar and the Mascarene Islands we have existing relics of this great continent, for which... I should propose the name Lemuria!

le moteur de la dérive des continents : force repulsive des poles (force de Eötvös)

le moteur de la dérive des continents : dérive vers l’Ouest Les forces de marée exercées par la Lune et le Soleil, qui n'agissent pas seulement sur les océans mais également sur la Terre solide et provoquent des marées terrestres (de 30 à 40 cm d'amplitude), observées depuis la fin du XIX e siècle. Elles sont également responsables du mouvement de précession, qui est un mouvement lent de l'axe de rotation dans l'espace. Certains auteurs affirment que ces forces, en agissant différemment sur la croûte et les profondeurs de la Terre, pourraient induire une dérive vers l'Ouest des continents. Cette action est cependant très peu probable, du fait des couplages qui existent entre les différentes couches de l'intérieur de la Terre, par frottement, pression et gravitation.

le moteur de la dérive des continents : anomalies de densité, convection 1)les mesures de pesanteur montrent que des parties considérables de la Terre s'écartent de l'état hydrostatique. Selon Wegener, ces écarts peuvent donner lieu à des mouvements fluides dans le sima (manteau) et par ce moyen à des translations continentales. Un pareil état ne peut pas subsister à la longue : le manteau aura tendance à diffluer pour rétablir l'état d'équilibre de l'ellipsoïde de révolution. Étant donné la faible différence de densité, un courant peut à peine se produire; mais il est possible que la forme elliptique de l'équateur et les anomalies de densité du sima, de même que le courant qui en résulte aient été plus marqués jadis. 2)Plusieurs auteurs, comme Schwinner et surtout Kirsch, ont utilisé récemment dans leurs études la notion de courants de convection dans le sima. Ce dernier auteur part de l'idée émise par Joly que sous les socles continentaux, grâce à la teneur plus grande en radium de ceux-ci, le sima se réchauffe, tandis que dans les domaines océaniques il se refroidit. Une circulation de sima sous la croûte en résulte : le sima monte sous les continents jusqu'à leur limite inférieure, puis difflue sous eux vers les régions océaniques, pour descendre, une fois arrivé là, à une grande profondeur d'où, enfin, le cycle recommence.

le moteur de la dérive des continents : question ouverte Les forces agissantes connues (la force d'Eötvös, les forces hypothétiques de marées et de précession) sont faibles, trop faibles. Mais d'autres pistes sont évoquées. L'idée des anomalies de masse révélées par les anomalies du géoïde et celle des courants de convection sont prometteuses et contiennent, en germe, une explication possible (étonnamment, Wegener ne fait d'ailleurs pas le lien entre les deux). Mais elles sont encore balbutiantes et il faudra attendre de nombreuses années avant qu'elles puissent recevoir l'assentiment de la communauté des chercheurs. Wegener conclut : « Ce qui précède montre au lecteur que l'étude de la question des forces comme cause des déplacements continentaux, passés et présents, est, sauf en ce qui concerne la poussée vers l'équateur, à ses tous premiers commencements. Une chose est pourtant certaine : ce sont les mêmes forces qui produisent les grandes chaînes plissées et les déplacements des continents. Les translations continentales, la disjonction et la poussée en masse, les tremblements de terre, le volcanisme, les alternances de transgressions et les migrations polaires forment, sans doute, un seul complexe grandiose, comme nous le voyons déjà au fait qu'ils ont les mêmes époques de paroxysme dans l'histoire du globe. Mais, en ce qui concerne la discrimination entre causes et effets, on ne peut pas encore se prononcer »

En 1921, Bull (géologue anglais) avance : « Il est suggéré ici que le plissement des chaînes de montagnes a pu être produit par la friction exercée par les mouvements de l'asthénosphère, et que ces mouvements peuvent être convectifs et résulter d'un chauffage inégal par les éléments radioactifs » (A.J. Bull, A hypothesis of mountain building, Geol. Mag., 58, , 1921, p. 364). Holmes (Durham-Edinburgh) poursuit les réflexions de Bull et défend l'idée selon laquelle les mouvements de convection peuvent être le moteur de la dérive des continents de Wegener : « On peut conclure qu'il y a maintenant des preuves convaincantes de l'existence d'une dérive continentale à une échelle du même ordre que celle défendue par Wegener. » (A. Holmes, Radioactivity and Continental drift, Geological Magazine, 65, 1928, p. 237).

Holmes est persuadé que la génération interne de chaleur par les désintégrations radioactives nécessite un processus de « décharge ». Il affirme : « Nous pouvons alors conclure que : a) si la croûte terrestre compense la perte de chaleur par conduction vers la surface et b) si le sous-sol n'a que 1/700e de la capacité de génération de chaleur par rapport à celle du basalte de plateau ; alors c) le sous-sol ne peut pas avoir suffisamment refroidi pour permettre la cristallisation et doit encore se trouver à l'étape de la circulation par convection et d) pour éviter le chauffage permanent, il faut un processus tel que la dérive des continents pour rendre possible l'émission de chaleur » Les idées de Holmes ne sont pas suivies. Jeffreys affirme en 1931 : « je n'ai trouvé aucun test qui pourrait appuyer [la théorie de Holmes] ou la contredire. Autant que je peux voir, elle ne contient rien de fondamentalement impossible, mais l'association de conditions devant être réunies pour qu'elle puisse fonctionner appartient plutôt au domaine de l'extraordinaire » (Harold Jeffreys, in H. Frankel, Arthur Holmes and continental drift, The British Journal for the History of Science, 11, 38, , 1978, p.146).

Chaim Pekeris (U.S.) propose en 1935 une étude quantitative de la convection pour déterminer la géométrie des courants de convection à partir d'une distribution de la température donnée a priori. Les hétérogénéités latérales de température qui génèrent les mouvements sont superficielles et proviennent de la différence d'exposition du sol aux radiations solaires et de la différence de composition en éléments radioactifs. En supposant une géométrie très simpliste (deux continents polaires et un océan équatorial), Pekeris montre que la convection (le flux visqueux) s'organise en cellules avec des courants montants sous les continents et des courants descendants sous les océans. Le système de courant qui s'établit est indépendant du temps.

Griggs (Harvard-MIT-UCLA) cherche à élucider l'influence des courants de convection sur la croûte grâce à une série d'expériences sur des modèles réduits (figure suivante). Il utilise des matériaux qui, aux dimensions des expériences, reproduisent les propriétés des matériaux terrestres (lois de similitude d'échelle). Les courants de convection sont provoqués à l'aide d'un processus dynamique (rotation de tambours horizontaux). Lorsque deux tambours sont mis en mouvement en sens inverse l'un de l'autre, il se forme entre eux un épaississement. “analog” modeling of mantle convection

Une carte précise et exhaustive de la répartition des séismes est établie par Beno Gutenberg (allemand, emigré aux USA, ) et Charles Francis Richter (US, ) en 1954

Harry Hess (U.S.; Princeton), officier de marine, étudie la bathimétrie des fondales océaniques avec un sonar. Il observe des seamounts a sommet tronquet du pacifique. Il pense que les sommets en avaient ete rabotés par les vagues, et qu’ils étaient tres anciens, datant du precambrien. Il est surpris lorsqu'apres la guerre on remonte de fossils du sommet de ces seamounts: ils dataient du Cretacé. Faits : âge de la croûte océanique – théorie de la convection – bathimétrie/dorsales – sismicité. Hess (1962) intègre cet ensemble disparat de faits dans une unique hypothèse: les dorsales seraient la partie superieure des branches ascendantes (chaudes) de cellules de convection intérieures au manteau. La croûte océanique est crée aux dorsales. Le fond oceanique est entrainé à partir des dorsales (tapis roulant). Les fonds océaniques sont en perpetuel renouvement, donc jeunes.

Vine and Matthews (1963): magnetic lineations Wine et Matthews integrate: (1)the recent observation of ocean-bottom “magnetic lineations” (left) (2)the inversions of the Earth’s mangetic field, discovered 60 years before They infer (right) that the oceanic crust (i) is generated at mid-ocean ridges, (ii) is magnetized as it cools and solidifies, (iii) moves away from the ridge, maintaining its magnetization. The sign of the magnetization depends on the sign of the Earth’s magnetic field at the time when rock solidfies, so it records the field’s inversions.

Magnetic lineations observed at ridges are consistent with the chronology of Earth’s magnetic field inversion Vine & Wilson (1966) On peut relier l’étude de Vine & Matthews (1963) à l'échelle chronologique des inversions du champ magnétique terrestre, qui vient d'être établie. En associant chaque linéation magnétique aux inversions correspondantes et en supposant que le taux d'ouverture de chaque océan est constant, Vine et Wilson vérifient que la largeur de chaque linéation est bien proportionnelle à la durée entre les deux inversions. L'association des linéations aux inversions correspondantes permet également de dater la croûte océanique. Cette datation sera confirmée en 1968 par les forages dans le sol marin. Vine et Wilson notent encore qu'en déterminant la distance entre deux linéations symétriques par rapport à la dorsale, on peut calculer le taux d'ouverture des océans.

Wilson (1965): transform faults les mouvements de la croute terrestre se concentrent autour de trois types de structures caracterisees par une intense activite sismique et volcanique: (i) chaines montaigneuses, (ii) dorsales, (iii) failles majeures à grand déplacements horizontales (failles transformantes). Wilson (1965) proposa d'interpreter ces "ceintures mobiles" comme formant un reseau continu qui diviserait la surface de la terre en plusieurs vastes "plaques" rigides. A leur terminaisons, les ceintures mobiles de type (i), (ii), (iii) pourraient se transformer en n'importe lequel de deux autres types. Ces terminaisons sont appellees par Wilson "failles transformantes". (il ne faut pas les confondre avec les failles transverses). Ainsi, la faille de San Andreas apparait comme une faille transformante reliant l'axe de la EPR (remontee dorsale Est-Pacifique) dans le Golfe de Californie a la dorsale Juan de Fuca, au sud-ouest de Vancouver.

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