Si la Terre était couverte de plaques comme une place de pavés, la tectonique des plaques serait un excellent modèle géologique. Mais ce modèle n’est pas parfait… pour le moment.

La beauté intérieure de la Terre se voit à l’extérieur. Ses mille et un visages ou mouvements d’humeur, montagnes et canyons, minerais et océans, tremblements de terre et variations du climat, notre planète les doit aux échanges continus entre la surface (la croûte terrestre, l’atmosphère et les océans) et l’intérieur (le manteau et le noyau). C’est probablement la seule du système solaire dotée d’une telle vie géologique. Pour décrire cette activité incessante, les scientifiques disposent d’un modèle, la tectonique des plaques. Seulement voilà : il n’y a pas vraiment de plaques.

Le modèle de la tectonique des plaques est imparfait parce qu’il n’est pas dynamique”, résume Nicolas Coltice, géophysicien au laboratoire de géologie de Lyon Terre, Planètes, Environnement. “Il utilise un théorème de géométrie. Cela fonctionne pour décrire dans quel état se trouve la surface de la Terre à un moment donné, mais pas ce qu’il se passe sous la surface, ni les échanges entre surface et intérieur.”

 

Des limites diffuses entre intérieur et extérieur de la Terre

Dire qu’il n’y a pas de plaques, c’est dire qu’il n’y a pas toujours de limites nettes entre des régions à la surface de la Terre, d’où les insuffisances du modèle tectonique actuel.

Convection & tectonique des plaques

Nicolas Coltice et son équipe AUGURY espèrent donc contribuer à l’améliorer avec un autre modèle, dynamique celui-là et sur lequel ils sont à l’oeuvre depuis 2013 grâce à un financement ERC (European Council of Research / Consolidator Grant). Un modèle sert avant tout à établir des prévisions. Nicolas Coltice et son équipe attendent du leur qu’il soit capable de “prédire le passé”, c’est-à-dire décrire des épisodes précis de l’histoire de la Terre. Dès que ce nouveau modèle sera suffisamment fiable, il permettra d’aller chercher de nouvelles informations et améliorer notre compréhension de la géologie terrestre. “Nous travaillons à partir de données géologiques et d’un modèle d’écoulement dans le manteau”, explique Nicolas Coltice. “Nous utilisons une méthode d’assimilation de données pour essayer de connecter ce que l’on sait du manteau avec ce qu’on observe en surface.” D’autres chercheurs participent au projet : à l’Institut de géophysique de Zürich, à l’Ecole de géosciences de Sydney et au Centre pour l’évolution et la dynamique terrestres d’Oslo.

La Terre est surtout composée de roches, avec un noyau métallique. Elle est formée de différentes couches : la croûte (surface), le manteau rigide, le manteau, le noyau liquide et enfin le noyau solide au centre. Le manteau représente environ 80% du volume de la Terre.

 

De nouvelles techniques de traitement de données

Pour que le projet aboutisse, l’équipe de Nicolas Coltice doit d’abord trouver le meilleur traitement des données disponibles. Marie Bocher, en thèse dans l’équipe lyonnaise d’AUGURY, explore les techniques d’assimilation de données depuis 2013. L’assimilation de données, à l’interface entre mathématiques et informatique, permet de corriger les prévisions d’un modèle théorique à partir des observations de terrain. Il est utilisé par exemple en météorologie. Consolider suffisamment cette technique pour AUGURY prendra sans doute deux ans sur les cinq que doit durer le projet.

 

© Equipe Augury
© Equipe AUGURY
© Equipe AUGURY
Résultats de calculs de l’équipe AUGURY. Les contours représentent des surfaces de même température : rouge pour le chaud et vert pour le froid. En haut : la plaque froide qui coule sous l’Amérique du Sud – En bas : panaches chauds qui montent depuis la limite entre le noyau et le manteau.

 

Léa Bello, en thèse au laboratoire de géologie depuis 2011, travaille de son côté à affiner ce qu’on appelle l’ “horizon de prévision” : la fiabilité des prévisions dans le temps. Pour donner un ordre d’idée, il est aujourd’hui clairement inférieur à 100 millions d’années. “Ce sont les limites actuelles mais elles doivent pouvoir être dépassées”, espère la jeune chercheure.

 

Déjà un mystère résolu

En collaboration avec ses homologues australiens, l’équipe lyonnaise a pour l’instant levé un mystère lié au démarrage de la tectonique des plaques (revue Nature du 18/09/2014). Les chercheurs ont pu établir ses liens avec la formation des premiers continents, deux thèmes qui n’étaient pas abordés ensemble jusqu’à présent. On pensait que la subduction, processus par lequel une plaque tectonique océanique s’incurve et glisse sous une autre plaque puis s’enfonce dans le manteau terrestre, était impossible à l’époque de la formation des continents il y a 3 milliards d’années (période de l’Archéen). L’équipe a montré au contraire qu’elle avait bien eu lieu, ce qui éclairera sans doute d’un nouveau jour les débuts de la vie sur Terre.

La subduction

Ce nouveau scénario a été élaboré d’après les travaux avec Patrice Rey et Nicolas Flament à Sydney et confirmé par l’étude de roches sur des terrains datant de l’Archéen. « Tout ce qui s’est passé dans les premières centaines de millions d’années a été très important dans la mise en place de notre environnement actuel”, relève Nicolas Coltice.

 

Une étape d’AUGURY bientôt franchie

Bien que décisive pour la discipline, cette avancée ne fait pas progresser significativement le projet AUGURY en lui-même : les chercheurs se concentrent sur les modèles, les données, leur traitement et leur visualisation. Ils intègrent toute sorte d’informations : sismologie, fonds marins, relevés de champs magnétiques… “Pour l’instant, les plaques apparaissent un peu trop “molles” dans nos projections”, indique Nicolas Coltice. “Dès que les modèles seront suffisamment prédictifs, on pourra tenter de reconstruire de nouvelles informations, comme l’évolution des océans.”

L’aller-retour permanent entre données issues de l’observation et prévisions générées par le modèle permet de mettre en perspective non seulement les connaissances mais aussi le travail des uns et des autres. Quand elle a démarré sa thèse, Léa Bello n’avait ainsi pas prévu de travailler sur les horizons de prédiction. Elle a finalement décidé de prendre à bras le corps ce qui s’est avéré être central : “Chacun créé des choses qui vont servir à tous les autres, c’est ça qui est génial dans ce genre de projet !” conclut-elle.

Pour aller plus loin
Le Laboratoire Terre Planètes Environnement de l’Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL/CNRS/ENS) rapproche et intègre des disciplines habituellement compartimentées : évolution, environnement, géophysique, géochimie, cosmochimie. Ses activités ont pour objectif la compréhension de la formation de la Terre et de son évolution, de l’apparition de la vie et de son développement. Ce champ de recherche va de la formation du système solaire jusqu’à l’exobiologie, de l’étude de la formation des chaînes de montagne jusqu’à celle des paléoenvironnements, de la dynamique du manteau et du noyau de la Terre jusqu’à celle des autres planètes. Le terrain, l’expérimentation, l’analyse et le calcul intensif sont mis à profit, ainsi que de fortes interactions avec d’autres disciplines : la physique, la chimie, la biologie, l’astrophysique.

Cléo Schweyer

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