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La face de notre planète est façonnée par les forces qui s'exercent en son sein. Celles-ci poussent les plaques de la croûte terrestre les unes contre les autres, provoquant la formation de montagnes et de volcans le long des zones de collision. Mais pour reconstituer ce qui se passe exactement à l'intérieur de la Terre, nous sommes limités à une observation indirecte, par exemple en réalisant des expériences de pression sur des roches du manteau terrestre ou en analysant les ondes sismiques déclenchées par les tremblements de terre.
Un point faible du modèle
Pourtant, toutes ces observations ne fournissent que des instantanés. Si nous voulons comprendre la dynamique de ce qui s'est passé pendant plusieurs millions d'années, nous avons besoin de modèles informatiques capables de simuler des processus géologiques en mouvement rapide. En introduisant dans ces modèles les données d'observation et les formules physiques susmentionnées, les chercheuses et chercheurs peuvent montrer comment la surface et l'intérieur de la Terre évoluent au fil du temps.
Il y a cependant un défaut: chaque modèle est basé sur des simplifications et est donc sujet à des erreurs. Des facteurs qui ne semblent pas particulièrement importants à première vue peuvent aussi s'avérer jouer un rôle clé, comme le démontre une nouvelle étude du groupe Géologie structurale et tectonique du département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich. Grâce à leurs nouvelles simulations, les chercheurs et chercheuses sont en mesure de montrer qu'un facteur crucial n'a pas été suffisamment pris en compte dans les modèles précédents, même s'il est connu pour avoir un effet potentiel: la taille des grains des roches du manteau. Les dernières simulations montrent maintenant l'importance de l'effet de la taille des grains.
Dislocation ou diffusion?
La taille des grains est importante car elle affecte la façon dont les roches se déforment dans le manteau supérieur. Si la taille des grains est de l'ordre de quelques millimètres, les minéraux des roches se déforment principalement par le déplacement du réseau cristallin des minéraux le long des plans. Cela conduit à ce que l'on appelle le fluage des dislocations, considéré comme le mécanisme le plus important de déformation des roches dans le manteau terrestre.
Si, en revanche, la taille des grains est plus petite, un autre mécanisme devient plus important: le fluage par diffusion. Les roches se déforment alors, non pas par des dislocations dans le réseau cristallin des minéraux, mais par des vacuités atomiques individuelles dans le réseau cristallin migrant à travers la structure cristalline. Selon le mécanisme de déformation qui prévaut, la résistance des roches change en conséquence.
De nombreuses questions sans réponse
«Les roches à grain fin se forment principalement dans les zones de cisaillement et sont beaucoup plus faibles que les roches à grain grossier non déformées», explique Jonas Ruh, assistant principal du groupe de recherche et auteur principal de l'étude. «Mais jusqu'à présent, nous n'étions pas en mesure de représenter ces différences de manière réaliste dans un modèle dynamique.» Certains des modèles précédents ne prenaient en compte que le fluage des dislocations, ce qui est une simplification excessive. D'autres modèles utilisent des tailles de grains constantes pour les roches du manteau supérieur, ce qui ne rend pas non plus justice à ce facteur.
Pour son nouveau modèle, Jonas Ruh a tenu compte des études récentes d'autres groupes ainsi que des expériences de laboratoire de son propre groupe de recherche. «Plus précisément, nous avons intégré un nouveau modèle de croissance pour le principal minéral, l'olivine», explique-t-il. «Et, sur la base de nouvelles recherches, nous savons maintenant aussi qu'il y a beaucoup moins d'énergie mécanique qui entre dans la réduction de la taille des grains que ce que l'on pensait auparavant.» Si ces nouvelles découvertes sont prises en compte, les processus dans le manteau terrestre pourront être modélisés de manière beaucoup plus réaliste.
La contradiction se résout d'elle-même
Jonas Ruh a pu montrer que la réduction de la taille des grains, l'activation du fluage par diffusion et l'affaiblissement consécutif du manteau supérieur réduisent considérablement les forces limites nécessaires au déclenchement du rifting et facilitent la rupture des continents.
Cependant, la nouvelle étude a été motivée par une autre caractéristique, apparemment paradoxale, de la tectonique des plaques: la région supérieure du manteau terrestre doit être relativement solide, car c'est la seule explication pour laquelle les plaques tectoniques qui sont poussées sous une autre plaque ne plongent pas dans les profondeurs avec un angle plus prononcé.
Mais si cette région du manteau est aussi solide que l'exige la géométrie des plaques descendantes, les roches du manteau supérieur devraient être fragiles compte tenu des contraintes importantes qui y dominent. Il s'ensuit qu'il devrait y avoir des tremblements de terre dans cette zone du manteau terrestre, qui libéreraient les contraintes par à-coups. Or, les observations de tels séismes ont été extrêmement rares jusqu'à présent.
Le nouveau modèle résout maintenant le paradoxe: «Les zones de cisaillement ductiles à grain fin relâchent les contraintes élevées au point que les séismes ne peuvent plus se produire», explique Jonas Ruh. «Dans le même temps, la partie supérieure du manteau terrestre reste suffisamment solide pour être compatible avec les géométries de flexion observées des dalles descendantes dans les zones de collision.»