Dans cette vue hypothétique en coupe de la croûte et du manteau terrestres lors de la dislocation du supercontinent Rodinia, un panache mantellique initie le processus de décollement du manteau inférieur. Crédit : Lijun Liu
Une nouvelle étude remet en question les croyances de longue date sur les cratons stables de la Terre, en révélant qu’ils ont subi des déformations répétitives sous leur croûte depuis leur formation. Contrairement aux théories précédentes, l’étude a révélé que les quilles du manteau, que l’on croyait flottantes et stables, sont denses et sujettes à d’importants changements au fil du temps, ce qui modifie notre compréhension de l’évolution des continents et du fonctionnement de la tectonique des plaques.
Les régions apparemment stables des plaques continentales de la Terre – les cratons dits stables – ont subi des déformations répétitives sous leur croûte depuis leur formation dans un passé lointain, selon une nouvelle recherche de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign. Cette hypothèse défie des décennies de théorie conventionnelle de la tectonique des plaques et appelle une réponse à la question de savoir pourquoi la plupart des cratons sont restés structurellement stables alors que leurs sous-croûtes ont subi des changements significatifs.
Dans une étude dirigée par Lijun Liu, professeur de géologie à l’Illinois, les chercheurs ont utilisé des données de densité précédemment recueillies sur les couches rigides supérieures de la croûte et du manteau de la Terre – appelées lithosphère – pour examiner la relation entre la topographie de la surface des cratons et l’épaisseur de leur couche de lithosphère sous-jacente.
Les résultats de l’étude sont publiés dans la revue Nature Geosciences.
L’absence de déformation à l’intérieur des cratons depuis leur formation en fait les unités tectoniques les plus durables de la Terre, ayant survécu à des cycles de supercontinents tels que la formation et l’éclatement du supercontinent Pangée, ainsi que du supercontinent Rodina, moins connu et plus ancien, selon l’étude.
« Il est généralement admis que les cratons sont protégés par leurs épaisses racines mantelliques sous-jacentes, ou quilles, qui sont censées être flottantes et solides et donc stables dans le temps », a déclaré Lui.
Plusieurs articles récents du groupe de recherche de Liu remettent directement en question cette idée reçue en montrant que ces quilles de manteau sont en fait très denses.
Lijun Liu, professeur de géologie dans l’Illinois, a dirigé une étude qui remet en question les principales théories actuelles sur l’histoire et la stabilité des continents. Crédit : y L. Brian Stauffer
Dans une étude réalisée en 2022, l’équipe a démontré que la vision traditionnelle des quilles flottantes des cratons implique que la plupart des cratons de la Terre se trouvent à environ 3 kilomètres au-dessus de la surface de la mer, alors qu’en réalité, leur élévation n’est que de quelques centaines de mètres. Pour cela, il faut que le manteau lithosphérique situé sous la croûte soit d’une densité suffisamment élevée pour tirer la surface vers le bas d’environ 2 kilomètres, a expliqué M. Liu.
Dans une autre étude, l’équipe a utilisé des mesures de champ gravitationnel pour localiser la structure de densité des quilles des cratons et a découvert que la partie inférieure de la quille du manteau est très probablement l’endroit où résident les matériaux de haute densité, ce qui implique un profil de densité croissant en profondeur sous les cratons.
Dans ce nouvel article, l’équipe montre que la partie inférieure de la quille du manteau, qui présente une densité élevée, a tendance à se détacher à plusieurs reprises de la lithosphère située au-dessus lorsque les remontées du manteau, appelées panaches, déclenchent la dislocation des supercontinents. Les quilles décollées – ou délaminées – pourraient retourner à la base de la lithosphère après s’être réchauffées à l’intérieur du manteau chaud.
« L’ensemble du processus ressemble à ce qui se passe dans une lampe à lave, où la matière froide près de la surface s’enfonce et la matière chaude près du fond remonte », a déclaré Liu.
Cette histoire de la déformation s’exprime dans certaines des propriétés géophysiques les plus déroutantes observées dans la lithosphère, selon l’étude.
« Par exemple, la déformation verticale répétitive de la moitié inférieure de la quille du manteau permet aux ondes sismiques qui font vibrer la roche verticalement de se déplacer plus rapidement, par rapport à la moitié supérieure de la quille, qui a subi une déformation verticale moins importante », a déclaré Liu.
L’équipe a également déterminé que la délamination du manteau provoquera une élévation de la surface du craton, ce qui entraînera une érosion.
« Cela se traduit par une forte dépendance de l’épaisseur de la croûte par rapport à l’épaisseur de la lithosphère, une observation qui n’avait jamais été faite avant cette étude », a déclaré Liu. « En particulier, il existe deux événements majeurs de soulèvement et d’érosion dans le passé, lorsque les supercontinents Rodinia et Pangea se sont séparés, le premier provoquant ce que l’on appelle la grande discordance – une caractéristique dans les archives rocheuses de la Terre qui ne montre aucune preuve d’un nouveau dépôt, mais seulement une profonde érosion du craton. C’est la raison pour laquelle nous voyons aujourd’hui des morceaux de l’ancienne croûte inférieure exposés à la surface du craton ».
À l’aide de simulations numériques, l’équipe a déclaré que ce style de déformation épisodique des quilles inférieures du craton est la façon dont les croûtes du craton ont survécu à la longue histoire géologique.
« Nous pensons que cette nouvelle hypothèse sur le mode de vie des cratons changera considérablement la vision qu’ont les gens de l’évolution des continents et du fonctionnement de la tectonique des plaques sur Terre », a déclaré M. Liu.
Référence : « Secular craton evolution due to cyclic deformation of underlying dense mantle lithosphere » par Yaoyi Wang, Zebin Cao, Lihang Peng, Lijun Liu, Ling Chen, Craig Lundstrom, Diandian Peng et Xiaotao Yang, 12 juin 2023, Nature Geoscience.
DOI: 10.1038/s41561-023-01203-5
Craig Lundstrom, professeur de géologie à l’Illinois, Yaoyi Wang, Zebin Cao, Lihang Peng et Diandian Peng, étudiants diplômés de l’Illinois, et Ling Chen, professeur à l’Académie chinoise des sciences, ont contribué à cette étude.
La National Science Foundation et la National Natural Science Foundation of China ont soutenu cette recherche.