« Breaking news ! Un nouvel océan est en train de naître! »

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Et pourtant, pas la peine de se précipiter !  Les envoyés spéciaux des chaînes d’info en continu risquent de se fossiliser avant d’avoir les pieds dans l’eau … C’est néanmoins un évènement majeur qui va modeler le monde dans les dizaines centaines millions d’années à venir.

Parce que les océans ne se forment pas si facilement. Il faut qu’une région de croûte terrestre se retrouve en dessous du niveau de la mer, ce qui demande que la terre s’effondre sur elle-même. Ceci n’arrive pas souvent… Et quand bien même, creusez un trou, remplissez-le d’eau, vous obtenez une flaque. Ou une mer intérieure, si vous avez creusé un gros trou. Si la flaque ne s’étend pas, jamais elle ne deviendra un océan ! C’est là qu’un rapide coup d’œil à notre vieille amie la géologie nous aide à comprendre. Schématiquement, notre planète se compose d’un noyau solide, entouré successivement d’une couche de noyau fluide, du manteau qui est recouvert par la croûte terrestre sur laquelle la vie se développe (Figure 2). Le centre de la terre est très chaud (plus de 3000°C), et dégage de la chaleur en permanence du fait de sa radioactivité naturelle. En d’autres termes, le noyau terrestre a emmagasiné une grande quantité d’énergie au moment de la formation de la planète et depuis il se refroidit très lentement. Une conséquence directe de ce dégagement thermique est que le manteau terrestre est chauffé par le bas, et refroidit par le haut (la croûte terrestre, beaucoup plus froide).

La convection thermique, à l’origine de la topographie de la surface de la terre

Que se passe t’il quand un corps est chauffé ainsi, par le bas ? Deux phénomènes entrent en compétition simultanément. D’une part, le corps conduit la chaleur afin d’essayer d’homogénéiser sa température. C’est ce qui se produit quand on chauffe une brique réfractaire, la chaleur traverse la brique et se répartit dans les régions en contact avec la brique. Cette dernière ne se déforme pas, elle transmet simplement la chaleur. D’autre part, le corps chauffé par le bas a tendance à se dilater à proximité de la source de chaleur. C’est ce qui se passe par exemple pour l’air à proximité d’un radiateur. Aussi surprenant que cela puisse paraître, à l’échelle des temps géologiques ce dernier phénomène n’est pas négligeable pour le manteau terrestre ! Chauffé par le centre de la terre, il possède une densité plus faible au voisinage du noyau qu’à proximité de la croûte. C’est alors que la poussée d’Archimède entre en jeu : la région du manteau de plus faible densité a tendance à monter, tout doucement, et celle de plus forte densité à descendre sous l’effet de la différence de poids ressenti par unité de volume. Il se forme ainsi des « courants » de matière dans le manteau avec une circulation de la surface vers la profondeur et inversement, sous forme de circuits (Figure 2, et référence 1). C’est ce qu’on appelle la convection thermique : le manteau est touché par un phénomène analogue que celui de l’eau d’une casserole chauffée par le dessous,  dans laquelle on peut voir des courants ascendants et descendants. Bien sûr, le manteau n’est pas liquide, c’est à première vue difficile de se convaincre qu’un solide subit en son sein des mouvements convectifs. Tout est une question d’échelle : lorsque, par exemple, on regarde un glacier quelques secondes, ou quelques minutes, il semble parfaitement immobile, figé. Pourtant, au cours des mois et des années, il est de notoriété publique que les glaciers « vivent » : ils se contractent, s’étendent, se déforment, se déplacent… Mais revenons au manteau : sa vitesse de convection est bien plus faible que pour l’eau de la casserole, mais cette convection existe et elle est responsable d’un phénomène fondamental à l’échelle de la planète : la tectonique des plaques.

terre-coupe-bigFigure 2 : structure du globe terrestre, montrant la convection thermique dans le manteau, les zones d’accrétion et de subduction. Source : www.geothermie-perspectives.fr/05-geothermie/02-chaleur-ressource.html

Formation des plaques tectoniques : les rifts

Sous l’effet de la circulation de matière dans le manteau, par effet de friction la croûte terrestre est donc soumise en permanence à des forces (voir Figure 2, flèches). Ces forces sont à l’origine de fractures de la croûte, celles là même qui ont causé la séparation du continent unique originel, la Pangée, en plaques, mais elles sont aussi à l’origine du mouvement relatif  des plaques les unes par rapport aux autres. Lorsque les forces issues de la convection étirent la croûte terrestre, celle-ci a tendance à s’affiner, et sous cette influence et celle du magma (dont les remontées suivent les flux convectifs) des parties de la surface de la croûte s’effondrent … Bien qu’il existe encore des débats parmi la communauté scientifique sur les caractéristiques exactes de ce phénomène, on comprend qu’en étirant et en affinant le bas de la croûte celui-ci soutient moins bien la partie supérieure, qui s’effondre sous l’effet de son propre poids. Il se forme alors une grande vallée appelée « rift », entourée de failles, proche du magma actif et donc riche en activité volcanique, et qui s’élargit au fur et à mesure que le manteau en dessous est étiré par les forces convectives. C’est ce qu’on appelle l’accrétion, les zones d’accrétion sont donc des zones de création de nouvelle croûte terrestre, essentiellement formée de lave basaltique (voir référence 2).

L’apport de matière magmatique à la surface de la croûte par les éruptions volcaniques permet de compenser en partie son affinement lié à l’extension du rift. Localement donc, la surface de la terre s’étend. Mais pourtant, la terre ne grandit pas, sa surface reste bien constante, non ? Oui. Parce que pour compenser ces régions où de la croûte est créée, il existe des régions, dites de subduction, où les plaques en extension se « rencontrent », et où la plaque la plus fine (et la plus dense) passe sous la plus épaisse et la moins dense (voir Figure 2). La disparition dans le manteau de la plaque la plus fine et la plus dense compense donc la création de plaque dans les zones d’accrétion : ouf ! Mais alors, pourquoi est-ce qu’on ne voit rien, nous, les non-géologues ? Ce serait effectivement spectaculaire, une falaise au pied de laquelle on voit un bout de la terre passer sous un autre ! On ne voit rien parce que tout se passe sous l’eau. Les rifts sont des dorsales océaniques, les zones de subduction forment les grandes fosses océaniques … Et si tout se passe sous l’eau, c’est parce que sous l’influence des forces convectives du manteau l’épaisseur de la croûte peut diminuer de 30km à 10km, et il existe donc des différences d’altitude énormes entre la surface de la croûte au niveau des zones d’accrétion et ailleurs. Ces immenses vallées ont été, au fil des temps, remplies d’eau, et forment aujourd’hui les océans ! Et le système est stable : la « vieille » (et peu dense) croûte continentale, qui n’est pas recyclée par subduction/accrétion et qui par conséquent est âgée de 4,2 milliards d’année par endroits, ne se mélange pas à la « jeune » (< 220 millions d’années) et dense croûte océanique, qui continue de passer sous les continents et donc de se recycler, et qui reste donc jeune et dense. L’activité tectonique continue ainsi depuis longtemps, sous l’eau.

Le grand Rift Est-Africain, futur océan et modèle d’étude de la formation des plaques

Sous l’eau ?  Pas partout. Par chance, il existe quelques (rares) endroits sur terre où l’on peut observer les rifts sans plonger à plusieurs kilomètres de profondeur. En Islande par exemple, où la production de matière par le volcanisme a suffisamment compensé l’écartement des plaques Nord-Américaine et Eurasienne (visible au niveau de la faille de Laki), qui ailleurs a produit l’océan Atlantique. Il existe également des endroits où de « jeunes » rifts sont en train de donner naissance aux océans du futur !

Et ces jeunes rifts sont, pour les géologues, des laboratoires à ciel ouvert où ils peuvent étudier la dynamique des plaques tectoniques. Le plus spectaculaire s’étend sur plus de 2000km de la mer rouge au sud de l’Afrique, traversant l’Ethiopie, l’Ouganda, le Kenya la Tanzanie et le Malawi. Je n’avais jamais remarqué à quel point les grands lacs Africains pouvaient être aussi bien alignés … Le long de cette « vallée du grand Rift Est-Africain », la plaque Nubienne (portant l’essentiel du continent Africain) s’écarte d’une nouvelle plaque, la plaque Somalienne (à l’est) à la vitesse de plusieurs cm/an, et de la plaque Arabique au nord (Figure 3). L’observation de ce rift en développement nous a appris que le grand Rift Est-Africain  n’est pas une simple ligne droite mais un ensemble complexe de failles, de fissures et de rifts, qui forment entre autres deux branches, à l’ouest le long des grands lacs et à l’est au milieu du Kenya (Figure 3). Plusieurs autres sous-structures, plus petites, sont associées à ces branches principales un peu comme, sur un arbre, les petites branches émergent des plus grosses (plus de détails dans la référence 3).

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Figure 3 : représentation de la vallée du grand Rift Est-Africain, montrant les différentes sous-structures du rift (en pointillés) et les principaux volcans (triangles rouges). Source: wikipedia.

Mais comment les rifts se forment-ils ? Comment s’enchaînent les différents évènements qui mènent à leur formation, la montée du magma, l’ouverture de failles et les effondrements de la partie supérieure de la croûte ?

Bien que le mécanisme exact de formation soit encore débattu, un modèle populaire dans la communauté suppose que deux gigantesques poches de magma, ayant la forme de champignons et situées l’une sous la région de l’Afar en Ethiopie et l’autre au centre du Kenya, seraient à l’origine de la formation du grand Rift Est-Africain. Ces poches de magma, en remontant, auraient poussé, étiré et craquelé la croûte terrestre en provoquant une élévation, encore visible aujourd’hui au niveau des hauts plateaux éthiopien et kenyan. Cette hypothèse repose parmi d’autres considérations sur la répartition « symétrique » de trois formations de type rift (la mer rouge, le golfe d’Aden, et l’axe de la vallée du grand rift, Figure 3), qui se rejoignent en un seul point (l’Afar) qui serait le sommet du dôme de magma.

Selon certains géologues, l’étirement associé à la formation d’un rift est précédé d’une série d’éruptions volcaniques qui, à défaut d’émaner de volcans bien définis, isolés, rejettent des coulées de lave basaltique depuis des failles dans la terre qui couvrent de très larges régions, à la manière de coulées de boues lors d’inondations… Ces coulées peuvent recouvrir le sol de plusieurs centaines de mètres d’épaisseur, contribuant à l’extension locale de la croûte. Lorsque cette dernière continue à s’étirer, sous le poids de ces couches de basaltes la région du rift peut se retrouver sous le niveau de la mer, et former ainsi un bassin océanique. Récemment, des éruptions de basalte et la formation de crevasses actives ont été observées sur le rift Ethiopien, et semblent confirmer la théorie précédente. C’est ce qui fait, sur le plan géologique, l’intérêt de cette région qui permet d’observer « en direct » la formation d’un futur océan sur la terre ferme.

Les montées de magma font-elles craquer la croûte terrestre ?

De nombreuses études sont en cours pour déterminer le scénario de formation du grand Rift Est-Africain, et semblent confirmer la présence de larges poches de magma dans la région, prêtes à subvenir aux besoins en matière d’une extension du rift et d’une séparation des plaques. Ainsi, fin 2009 une équipe des Universités de Miami, El Paso et Rochester à publié des résultats obtenus grâce à un Radar à synthèse d’ouverture (InSAR, de l’anglais Interferometric synthetic aperture radar, référence 4). En utilisant la figure d’interférence produite par 2 ondes radar émises par un satellite (d’orbite donnée et donc à une altitude fixe dans le « ciel ») et réfléchies par la surface de la terre, les chercheurs peuvent générer des cartes de déformation de la surface de la terre,  et donc visualiser l’élévation ou l’abaissement de différents points sur de longues durées (plusieurs mois). Au Kenya, sur la période 1997 – 2000, les volcans Suswa et Menengal par exemple se sont abaissés de 2 à 5 cm alors que le volcan Longonot s’élevait de 9 cm entre 2004 et 2006, et le volcan Paka de 21 cm en seulement 9 mois sur la période 2006-2007. Ces 4 volcans, les seuls actifs dans la zone étudiée, sont tous situés dans un rayon de 100km autour de Nairobi, et font vraisemblablement partie du même système volcanique. En effet, chaque montée d’activité a été précédée par une élévation du volcan actif et par un abaissement transitoire d’un autre volcan, comme si une montée de magma à un endroit se traduisait, via la plomberie interne de la croûte, par une redescente à un autre endroit. Ces mesures confirment la présence d’une bulle de magma suffisamment proche de la surface du Kenya pour provoquer de telles élévations des volcans sur de courtes durées. Plus récemment, une équipe coordonnée par K. A. Whaler à l’Université d’Edimbourg a utilisé une méthode magnétotellurique pour sonder le sous-sol de l’Afar en Ethiopie (référence 5). La méthode est basée sur l’existence de courants dits « telluriques » qui parcourent les roches du sous sol, naturellement conductrices, en réponse aux différents champ magnétiques auxquels la terre est soumis en permanence (rayons solaires, champ magnétique terrestre, orages … ). Ces courants produisent en retour un champ magnétique mesurable en surface, dont les caractéristiques dépendent de la composition du sous-sol. Cette méthode a permis aux chercheurs de déterminer la présence d’une large poche de magma de 30km de large, 35 km de profondeur pour plus de 500 km3  de matière partiellement fondue, sous l’Afar en Ethiopie. Cette poche représente une réserve de lave qui pourrait durer plus de 50000 ans et ainsi accompagner l’extension du grand Rift Est-Africain. Ces résultats indiquent que la montée de magma est, au pire contemporaine, au mieux antérieure à l’extension d’un rift, mais a priori pas postérieure comme le voudrait un modèle dans lequel l’extension du rift repose sur le seul amincissement de la croûte.

Plus de précisions quant à la composition magmatique du sous-sol de la vallée du grand rift sont attendues avec les premiers résultats du programme SAFARI (de l’anglais Seismic Arrays for African Rift Initiation, référence 6) courant 2014. Les chercheurs participant à ce programme ont installé 50 stations sismiques espacées de 28 à 80km les unes des autres, sur 4 pays (Botswana, Malawi, Mozambique et Zambie). Leur but ? Déterminer comment les tremblements de terre qui secouent la région se propagent dans le sous-sol de la partie sud du grand Rift. Leur dispositif permet en effet de visualiser à différents endroits la signature de chaque séisme, et ainsi de déterminer les conditions de la propagation de ces ondes de vibrations, transmises par le sol. « L’une des techniques utilisée pour visualiser la Terre sous les stations SAFARI, appelée tomographie sismique, est très similaire aux techniques d’imagerie par rayons X utilisées dans les hôpitaux », déclare Stephen Gao, sismologue à l’Université des Sciences et Technologies du Missouri. « La seule différence est que notre source de ‘rayons’ comprend les tremblements de terre et les différentes explosions provoquées par l’homme, et que les récepteurs sont les stations sismiques du programme SAFARI ».

L’analyse de la propagation des séismes, qui se fait à des vitesses différentes selon la température du sous sol et le type de roche, leur permettra donc de cartographier le sous-sol de la partie sud de la vallée du grand Rift, et de localiser exactement les poches de magma éventuellement présentes. Un premier résultat encourageant a été obtenu il y a quelques mois : un séisme de magnitude 5.6 sur l’échelle de Richter en provenance de l’océan Indien a montré une propagation plus lente que prévu, indiquant une température plus importante que la normale, possiblement due à une montée de magma.

Comprendre l’évolution du grand Rift Est-Africain va au delà de la simple curiosité de quelques géologues. En effet, cette région du monde porte très vraisemblablement les racines de l’Humanité, comme en témoignent les nombreux (vieux, très vieux) fossiles d’hominidés qui y ont été trouvés. Certains chercheurs pensent que l’évolution du rift a joué un rôle très important dans le développement de l’espèce humaine (voir les articles Rocking the Cradle of Humanity par Beth Christensen et Mark Maslin, et Tectonic Hypotheses of Human Evolution par M. Royhan Gani et Nahid DS Gani pour plus d’informations sur cette idée).

Références et autres lectures:

1 Physique de la convection thermique

2 Quelques éléments de tectonique des plaques

3 La recherche actuelle sur le grand Rift Est-Africain

4 Compte rendu sur l’utilisation d’images satellites pour détecter les montées/descentes des volcans

5 Article exposant la découverte d’une grande poche de magma sous l’Afar

Article sur le projet SAFARI, dont est issu l’image de couverture

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