La plupart des gens savent que les océans couvrent environ 70 % de la surface de la Terre. Moins de gens réalisent que la croûte sous les océans et les continents est fondamentalement différente. La raison de cette différence reste un mystère que les scientifiques tentent toujours de résoudre.
La croûte océanique est généralement composée de roches de couleur sombre appelées basalte et gabbro. Elle est plus mince et plus dense que la croûte continentale, qui est constituée de roches de couleur claire appelées andésite et granite. La faible densité de la croûte continentale fait qu’elle « flotte » au-dessus du manteau visqueux, formant ainsi des terres arides. À l’inverse, la croûte océanique dense ne « flotte » pas aussi haut, formant des bassins océaniques plus bas. En se refroidissant, la croûte océanique devient plus dense et finit par s’enfoncer à nouveau dans le manteau sous son propre poids après environ 200 millions d’années.
La croûte continentale de la Terre, en revanche, a jusqu’à 4 milliards d’années, et on pense qu’elle est le produit de processus de recyclage géologique bien plus compliqués que ceux qui créent la croûte océanique. Si nous parvenons à décoder et à lire l’histoire relativement simple de la formation de la croûte océanique, nous pourrons peut-être un jour déchiffrer l’enregistrement plus complexe de la façon dont les continents se sont développés.
Sonoriser la structure des fonds marins
Parce que la plupart de la croûte océanique est cachée à la vue sous plusieurs kilomètres d’eau, nos recherches doivent être menées « à distance », souvent en utilisant des techniques acoustiques. Le son – provenant d’un tremblement de terre, d’une explosion ou d’une source relativement bénigne appelée canon à air – se propage dans différentes roches à des vitesses différentes. Les géophysiciens en déduisent la structure géologique de base des roches sous-jacentes en mesurant le temps que met le son à voyager d’une source à plusieurs récepteurs différents, ou de plusieurs sources à un seul récepteur.
Dans les océans, cette technique a donné une image simple d’une croûte basaltique et stratifiée d’environ 7 kilomètres d’épaisseur, sous le manteau. Les échantillons de roche obtenus par dragage, opérations submersibles et forages confirment que le sommet de la croûte océanique, là où il n’est pas masqué par des sédiments, est composé de lave basaltique provenant du manteau.
À l’aube de la théorie moderne de la tectonique des plaques dans les années 1960, les géologues et les géophysiciens ont réalisé que l’ensemble de la croûte océanique a été créé à partir de lave basaltique le long de chaînes linéaires de volcans de fond marin connues sous le nom de dorsales médio-océaniques, ou dorsales d’étalement. L’étalement du plancher océanique éloigne la croûte océanique plus ancienne des dorsales pendant des dizaines de millions d’années, jusqu’à ce qu’elle se refroidisse, devienne plus dense et « retombe » dans le manteau dans des zones connues sous le nom de zones de subduction.
Des indices du plancher océanique dans le désert
En quelques endroits sur Terre, des blocs de croûte océanique, appelés « ophiolites », ont été projetés, relativement intacts, sur les continents lors de collisions entre plaques tectoniques. Le basculement et l’érosion qui s’ensuit permettent aux scientifiques de parcourir une section qui s’étendait autrefois sur 25 kilomètres à l’intérieur de la Terre. La plus grande et la mieux exposée d’entre elles, l’ophiolite d’Oman, près du golfe Persique, comprend une dizaine de blocs qui, ensemble, couvrent à peu près la même superficie que le Massachusetts.
La grande étendue de ces ophiolites, autrefois profondément enfouies sous le plancher océanique mais aujourd’hui exposées, offre une vue complète de la géométrie interne des plaques océaniques qui n’est égalée par aucune technique d’échantillonnage ou d’imagerie en mer. Comme des tessons de pot recouverts de hiéroglyphes, les ophiolites ouvrent une fenêtre sur un monde ancien, en grande partie disparu, et offrent une voie rare pour une investigation systématique.
À la fin des années 1960 et au début des années 1970, les géologues et les géophysiciens ont observé des similitudes entre la structure en couches de la croûte océanique, interprétée à partir des vitesses du son, et la stratification des ophiolites. Une fine couche supérieure de la croûte océanique (avec de faibles vitesses du son) correspond à une couche de sédiments et de coulées de lave dans les ophiolites. Une couche plus profonde (avec des vitesses du son plus rapides) correspond à une couche ophiolitique de « gabbro », qui s’est formée lorsque le basalte fondu s’est solidifié sous la surface de la Terre. Dans la croûte océanique comme dans les ophiolites, la couche de gabbro repose sur le manteau, qui s’étend sur des milliers de kilomètres jusqu’au noyau de la Terre.
Une caractéristique frappante des ophiolites bien exposées est une couche continue de « digues en feuillets », qui se trouve entre la lave et le gabbro. Il s’agit de formations rocheuses tabulaires, d’environ un mètre de large, créées par des explosions périodiques de roche en fusion. Les dykes se tiennent côte à côte, comme des soldats en formation, chaque dyke étant adjacent aux dykes voisins, ou parfois s’appuyant ou faisant intrusion dans ceux-ci.
Ce schéma structurel récurrent se produit parce que toute la croûte océanique est nouvellement créée au niveau des dorsales médio-océaniques d’étalement, sur une sorte de tapis roulant continu : Chaque dyke, dans une vue simple, se forme directement au centre d’une dorsale. Il s’étend ensuite à partir du centre de la dorsale, tandis qu’un autre dyke se forme derrière lui, dans un processus continu qui crée la couche continue observée dans les ophiolites. Rien de tel ne se produit dans la croûte continentale, où de nouveaux dykes s’immiscent plus aléatoirement dans des roches plus anciennes.
Suivre le courant
Durant les années 1970 et 1980, géophysiciens et géologues se sont efforcés de comprendre comment la lave basaltique se forme sous les crêtes d’étalement. Ils ont émis l’hypothèse que, comme les plaques océaniques s’écartent à la surface, de nouveaux matériaux doivent s’élever pour combler le vide. Au fur et à mesure que le matériau s’élève, la pression qui contribue à le maintenir solide diminue. Cela permet aux roches chaudes du manteau de fondre partiellement et de produire un liquide basaltique. Ce que l’on appelle la « fonte » est moins dense que les solides environnants, et s’élève donc de façon flottante vers la surface pour former la croûte.
Cependant, cette théorie soulève autant de questions qu’elle n’apporte de réponses. Grâce aux compositions des laves, nous savons qu’à partir d’un énorme volume de roche mantellique, seules de petites quantités de roche fondent partiellement pour créer la croûte océanique. La fonte se forme dans des pores de l’ordre du micron le long des limites d’innombrables grains de cristal dans une région du manteau de 100 à 200 kilomètres de large et de 100 kilomètres de profondeur. Cependant, à partir de cette vaste région, la fonte se concentre en quelque sorte dans une zone de seulement 5 kilomètres de large au niveau de la crête d’expansion. Comment la lave est-elle canalisée depuis les minuscules pores d’une vaste région de fusion vers une région étroite où elle forme une nouvelle croûte océanique surmontée de coulées de lave massives ?
Mes collègues qui ont exploré ce mystère, en travaillant selon diverses combinaisons, sont Greg Hirth, Nobu Shimizu et Jack Whitehead de la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), Marc Spiegelman de l’Observatoire de la Terre Lamont-Doherty, les géologues français Adolphe Nicolas et Françoise Boudier, Vincent Salters, étudiant diplômé du Massachusetts Institute of Technology, et les étudiants du programme conjoint MIT/WHOI Einat Aharonov, Mike Braun, Ken Koga et Jun Kornaga. Nos recherches ont été financées par la National Science Foundation des États-Unis, le programme Interdisciplinary and Independent Study Award de l’OMSI et la chaire Adams de l’OMSI.
Nous avons montré que la fonte se déplace dans le manteau dans des canaux poreux, semblables aux canaux remplis de gravier qui offrent des voies perméables à travers un sol riche en argile. La fonte qui s’élève à travers le manteau chaud peut dissoudre partiellement les minéraux qui les entourent et élargir progressivement les pores le long des frontières entre les grains de cristaux individuels. Cela crée à son tour une voie favorable par laquelle davantage de fonte peut s’écouler – dans une boucle de rétroaction positive qui crée spontanément des canaux qui concentrent l’écoulement.
Les petits canaux formés de cette façon coalescent pour former des canaux plus grands, dans un réseau analogue au système de drainage d’une rivière. Le nombre et la taille des canaux d’écoulement de la fonte que nous observons dans la section du manteau des ophiolites soutiennent ces théories.
Lentilles de fonte et sursauts périodiques
De nouvelles questions se sont posées. Si la fonte s’écoule dans le manteau dans des pores à l’échelle du micron le long des limites des grains de cristal, où s’accumule-t-elle pour former des coulées de lave massives au niveau des crêtes d’étalement ? Et, si l’écoulement poreux est un processus continu et progressif, quelle est la cause des éclatements périodiques de roche en fusion qui créent de nouvelles digues ?
Une fois encore, l’ophiolite d’Oman a fourni des indices. Incorporés dans les roches mantelliques les moins profondes, Nicolas et Boudier ont trouvé de petites formations de gabbro, appelées sills. Les analyses chimiques de ces filons indiquent qu’ils ont cristallisé à partir de la même masse fondue que celle qui a formé les gabbros, les dikes et les coulées de lave dans la croûte. En outre, le gabbro, les dykes et les coulées de lave présentaient tous un motif identique et distinctif de bandes alternées de minéraux sombres et clairs.
Il nous a semblé que toute la couche de gabbro de la croûte ophiolitique d’Oman, du manteau supérieur à la surface, pouvait s’être formée lorsque le matériau fondu s’accumulait périodiquement dans des bassins relativement petits qui se cristallisaient ensuite en « lentilles de fusion » solides. Au fil du temps, une myriade de ces lentilles de fusion s’accumulent – encastrées les unes dans les autres et empilées les unes sur les autres ou côte à côte – pour produire le tissu rocheux et rubané du gabbro.
Les pores obstrués accumulent la pression
Pourquoi les lentilles de fusion apparaîtraient-elles d’abord dans le manteau supérieur, immédiatement sous la base de la croûte ? Nous proposons que de telles lentilles se forment là où la fonte, s’approchant du plancher océanique, commence à se refroidir. La fonte qui remonte à travers le manteau chaud peut dissoudre les minéraux qui l’entourent pour créer des espaces de pores, mais la fonte qui se refroidit commence à se cristalliser et à obstruer les pores.
Deux scénarios sont possibles : Lorsque l’approvisionnement en matière fondue provenant du bas est faible, les conduits deviennent plus étroits. La fonte est forcée vers l’extérieur autour des barrières imperméables, migrant via un écoulement poreux diffus le long des limites des grains cristallins dans toute la roche environnante.
Mais lorsque l’approvisionnement en fonte est important, comme c’est le cas immédiatement sous une crête d’étalement, la fonte flottante s’accumule sous les barrières imperméables et crée une pression excessive. Finalement, la fonte éclate à travers les barrières et crée une fracture remplie de fonte qui fait intrusion dans la croûte sus-jacente. Si la fracture se propageait assez haut dans la croûte, elle formerait un dyke en feuillets, et si elle atteignait encore plus haut, elle se déverserait sur le plancher océanique et alimenterait une coulée de lave.
Dans ce cycle d’accumulation et de libération, les minéraux cristallisent et fondent alternativement dans des conditions de pression plus ou moins élevée. À une pression relativement élevée, il se forme beaucoup moins de minéraux de couleur claire (plagioclase), par rapport aux minéraux de couleur plus sombre. À plus basse pression, la proportion de plagioclase est plus importante. Ainsi, les changements périodiques de pression entraînent les bandes claires et sombres observées dans les gabbros ophiolitiques.
Paths of most resistance
En travaillant à partir de preuves géologiques dans les ophiolites, ainsi que de la théorie physique et chimique, nous émettons l’hypothèse qu’il existe deux façons distinctes de transporter la fonte qui forme la croûte océanique. Dans la région de fusion du manteau, la fonte peut dissoudre les minéraux et créer un espace poreux supplémentaire. En conséquence, des conduits continus à forte porosité forment un réseau de drainage coalescent qui concentre le transport de la fonte vers la crête d’étalement.
À des niveaux peu profonds sous la crête, la fonte refroidie commence à se cristalliser, obstruant l’espace poreux le long des limites des grains cristallins. En conséquence, l’écoulement devient diffus, la fonte s’accumule sous des barrières imperméables. La pression augmente jusqu’à ce que la fonte éclate périodiquement à travers les barrières sus-jacentes, et les fractures remplies de fonte sont injectées dans les roches sus-jacentes pour alimenter les digues et les coulées de lave. Ensemble, ces processus forment un système hautement organisé qui produit systématiquement une nouvelle croûte océanique avec une structure régulière le long des dorsales d’étalement.
Dans nos recherches en cours, nous testons plus rigoureusement les théories sur la façon dont les conduits poreux se forment dans le manteau. Nous cherchons à comprendre plus en détail comment les lentilles de fusion se forment sous les crêtes d’étalement. Et nous voulons comprendre les facteurs qui déterminent pourquoi et quand les événements d’endiguement et d’éruption se produisent.
Exploration d’un modèle universel d’écoulement des fluides
Il existe des parallèles intrigants entre les mécanismes qui conduisent à la création des fonds marins et à l’érosion à la surface de la Terre.
Pensez à l’eau qui s’écoule sur une surface sableuse. Lorsque la pente est suffisamment raide (mais pas trop), l’eau commence à déplacer les grains de sable vers le bas et à former des canaux. Au fur et à mesure que les canaux se développent, l’eau s’écoule plus rapidement, ce qui entraîne une érosion plus vigoureuse du sable sur le bord d’attaque du flux. Un processus analogue se produit sous le plancher océanique, car la fonte ascendante et chaude dissout les minéraux des roches pour former des canaux poreux.
Lorsque la pente diminue en aval dans un système d’érosion, l’eau commence à déposer les grains de sable qui étaient transportés en suspension. Les grains déposés commencent à construire des barrières qui bloquent l’écoulement et le forcent à diverger loin du canal principal. L’eau s’accumule derrière ces barrières pour former des lacs temporaires. Ces lacs débordent périodiquement l’ancien chenal et créent de nouvelles voies transitoires, qui sont à leur tour obstruées et abandonnées. Un delta ou un éventail alluvial se forme.
Des processus analogues se produisent sous le plancher océanique lorsque la fonte montante se refroidit, précipite des cristaux qui bloquent les espaces interstitiels, fait diverger et accumuler l’écoulement, et éclate périodiquement à travers des barrières imperméables pour former des digues et des fractures.
Optimiser l’écoulement des fluides
Que se cache-t-il derrière ces apparentes similitudes fondamentales entre le transport des fluides pendant l’érosion à la surface de la Terre et le transport de la fonte dans le manteau ?
Basiquement, là où l’énergie est disponible pour que le fluide crée de nouvelles voies – par érosion physique ou dissolution chimique – les réseaux de drainage évoluent d’un écoulement diffus relativement inefficace et lent à un écoulement plus rapide, ciblé et régulier dans des canaux bien définis. Là où l’énergie est perdue – par une diminution de l’angle de pente dans l’érosion ou une diminution de la température de la fonte – le réseau de drainage devient inefficace et désorganisé, avec des changements rapides de débit et d’emplacement.
Les scientifiques qui travaillent sur l’évolution des systèmes de drainage des rivières proposent que l’érosion tende à produire un réseau de drainage « optimal » qui maximise la vitesse d’écoulement et minimise la perte d’énergie par friction. C’est une idée intrigante, qui offre la vision d’une théorie systématique et « thermodynamique » de la morphologie du drainage. (C’est également une théorie controversée, car les drainages fluviaux héritent d’une grande partie de leur structure compliquée de l’histoire géologique antérieure d’un bassin versant.)
Il est difficile d’utiliser les ophiolites pour explorer une théorie thémodynamique de la morphologie du drainage pour les mécanismes de transport de la fonte du manteau – car les ophiolites constituent un système « gelé ». J’ai donc commencé à chercher ailleurs un système actif de transport de fluides qui a développé des canaux au sein d’un schéma d’écoulement initialement diffus.
Enfin, j’ai réalisé que des canaux d’érosion se forment deux fois par jour lorsque la marée descend sur les plages de tout Cape Cod. Prudemment, Dan Rothman, un géophysicien du MIT, et moi-même nous renseignons sur l’érosion des plages et faisons des observations sur la formation des chenaux. Nous espérons déterminer si le réseau de chenaux en évolution se rapproche progressivement d’une géométrie « optimale » qui permet à l’eau de s’écouler sur la surface de la plage avec une perte minimale d’énergie de friction.