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Depuis la fin des années 1970, plus personne ne doute sérieusement que la théorie de la tectonique des plaques est le cadre unificateur de la géologie. Et pourtant, la dérive des continents faisait encore l'objet de remises en cause de la part de certains géologuesgéologues à la fin des années 1960, et même au début des années 1970. En France, l'un des premiers volcanologuesvolcanologues à la prendre au sérieux, des années avant sa démonstration par les géophysiciens anglo-saxons, a été Haroun Tazieff.
On doit la formulation moderne de la théorie de la dérive des continents de Wegener à des géophysiciens théoriciens comme Xavier Le Pichon, Jason Morgan et Dan McKenzie. Cette théorie est finalement devenue la théorie de l'expansion des fonds océaniques et de la tectonique des plaques. Selon elle, les frontières des plaques sont les lieux où se trouvent les volcans et où se produisent les tremblements de Terretremblements de Terre. Comment comprendre alors qu'il existe des volcans actifs au beau milieu de certaines plaques, comme celle du Pacifique ?
La géophysicienne et mathématicienne Barbara Romanowicz, professeur au Collège de France, nous parle des points chauds. © Collège de France, YouTube
Des diapirs de roches chaudes ?
La réponse de Jason Morgan à cette question a été de postuler en 1971 qu'en plus des courants de convectionconvection brassant le manteaumanteau et provoquant les déplacements des plaques, il devait exister des panaches faisant remonter de la partie inférieure du manteau des roches particulièrement chaudes et fluide. Supposés fixes, ce qui ne va pas sans poser quelques problèmes, ces points chauds permettaient, par exemple, d'expliquer pourquoi les îles volcaniques d'Hawaï se retrouvent alignées et sont le siège d'épanchements magmatiques importants comme ceux du Mauna Loa en 1984.
En effet, des panaches s'élevant tels des diapirs à intervalles réguliers d'une même zone juste au-dessus de l'interface noyau-manteau, atteignant à diverses périodes le sommet de la plaque pacifique en mouvementmouvement, semblent une explication naturelle à l'alignement des îles Hawaï.
Le géophysicien William Jason Morgan, grand théoricien de la théorie de la tectonique des plaques. © The Japan Prize foundation
Toutefois, certains géophysiciens, comme Don Anderson, émettaient des doutes sur l'existence des points chauds depuis des années, comme on peut le voir sur ce site.
En fait, l'un des problèmes principaux que l'on rencontre avec la théorie des points chauds, bien qu'elle soit capable d'expliquer l'occurrence de plusieurs volcans comme celui de l'île de la Réunion, c'est celui du lieu de naissance de ces panaches. Proviennent-ils vraiment de la base du manteau inférieur, comme le pensait Morgan, ou plutôt du manteau supérieur ? L'autre question débattue est celle de la forme de ces panaches. Peut-on vraiment les décrire comme des diapirs ou sont-ils l'équivalent de simples colonnes de fumée ? Ces questions sont importantes car de leurs réponses dépend une large part de la connaissance et de la compréhension de la nature de la machine thermique qui anime les plaques et le volcanismevolcanisme.
La tomographie sismique de l'intérieur de la Terre
Il existe un moyen de faire la lumièrelumière sur ce problème : la sismologiesismologie. Comme l'a montré notamment la danoise Inge Lehman, les ondes sismiquesondes sismiques permettent de voir en quelque sorte à l'intérieur de la Terre. Mais, pour obtenir des images de bonne qualité, il faut une quantité importante de données enregistrées par les sismomètressismomètres et mettre à profit de puissantes méthodes mathématiques à l'aide des supercalculateurssupercalculateurs. Deux chercheurs du Berkeley Seismological Laboratory viennent de faire état du bilan de leurs travaux en utilisant cette approche, plus précisément en faisant l'équivalent d'une tomographietomographie de l'intérieur de la Terre avec des ondes sismiques au lieu des rayons Xrayons X que l'on utilise pour la même technique en médecine. L'article publié dans Nature repose sur les enregistrements de signaux sismiques générés par 273 séismes de forte magnitudemagnitude de moment au cours des 20 dernières années.
La sismologie possède des applications en géosciences. © Chaîne IPGP, YouTube
Avec son collègue Scott French, la géophysicienne française Barbara Romanowicz, professeur au Collège de France, pense effectivement avoir montré que Jason Morgan avait raison. Des sortes de diapirs se forment bien à partir de l'interface noyau-manteau, à 2.900 kilomètres de profondeur. Mais, déjà larges à leur base, ils s'étalent sur une surface particulièrement grande après avoir traversé une partie du manteau.
Ainsi, en dessous de 1.000 kilomètres, les panaches sont larges de 600 à 1.000 kilomètres soit jusqu'à 5 fois plus que ce que l'on pensait. Surtout, les sommets des panaches se divisent comme un fleuve dans son deltadelta, de sorte que certains volcans causés par ces panaches ne se trouvent pas vraiment à la verticale de leur base. On observe aussi maintenant que ces panaches prennent naissances dans deux grandes poches de roches chaudes (une sous la plaque africaine et l'autre sous la plaque Pacifique) d'environ 5.000 kilomètres de diamètre chacune, à la base du manteau.
Un extrait des simulations numériques nourries par les données de la tomographie sismique qui révèlent les panaches mantelliques. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En cliquant ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © UC Berkeley Campus Life, YouTube
Cependant, la tomographie n'a pas encore permis de trouver de points chauds sous certains volcans. Ainsi, curieusement, aucun point chaud n'a été détecté sous le supervolcansupervolcan du parc de Yellowstone, peut-être parce que les panaches qui s'y trouvent sont encore trop fins pour être révélés par la résolutionrésolution des images 3D aujourd'hui atteinte.
Selon Barbara Romanowicz, on doit aussi conclure de ce travail que la taille des panaches ne peut pas résulter uniquement de leurs plus hautes températures par rapport au manteau ; les panaches ne seraient alors larges que de 100 à 200 kilomètres. Une hypothèse avancée fait intervenir une différence de composition chimique résultant d'un mélange de roches reflétant l'état de la Terre primitive - et que l'on trouverait dans les deux grandes poches au-dessus du noyau - avec celles du manteau prises dans les mouvements de convection qui tendent à homogénéiser ses couches supérieures. Les données de la géochimie montrent d'ailleurs depuis longtemps des différences de composition aussi bien chimiques qu'isotopiques entre les laveslaves des points chauds et celles des volcans que l'on trouve ailleurs, par exemple à l'aplomb des zones de subductionzones de subduction.
