Résistance à l'écrasement

La surface de la Terre est constituée de quelques grandes plaques et de nombreuses plaques plus petites qui s'éloignent ou se rapprochent continuellement les unes des autres à un rythme extrêmement lent. Aux frontières de deux plaques, la plaque océanique la plus lourde s'enfonce sous la plaque continentale la plus légère dans un processus que les expertes et experts appellent la subduction. Cependant, depuis longtemps, ce qu'il advient de la marge de la plaque qui plonge dans le manteau terrestre, appelée dalle de subduction, restait un mystère. une partie des scientifiques suppose que la dalle reste aussi rigide et solide que la plaque elle-même et qu'elle se plie simplement sous l'effet de la gravité et de l'interaction mécanique avec le manteau terrestre.

Marge de la plaque fortement déformée

Cependant, les modèles de l'intérieur de la Terre construits par les scientifiques à l'aide de la tomographie sismique ont révélé des résultats contradictoires: dans l'ouest des États-Unis, par exemple, une équipe de recherche a  observé des anomalies à différentes profondeurs sur ses images tomographiques. Celles-ci indiquaient que les dalles immergées sous les Amériques pouvaient être segmentées. Les scientifiques en ont donc conclu que les dalles du manteau doivent être fortement déformées et ne sont en aucun cas rigides et immobiles.

A l'aide de modèles informatiques, d'autres chercheuses et chercheurs, dont le professeur de l'ETH Zurich Paul Tackley, ont confirmé que les dalles subductées sont effectivement faibles et déformables. Ils et elles ont formulé l'hypothèse de la dichotomie de la subduction qui peut être exprimée en termes simples: les plaques à la surface sont rigides et fortes, soit indéformables, tandis que les dalles dans le manteau sont molles et faibles.

À la recherche d'un mécanisme plausible

«Jusqu'à présent, cependant, la recherche manquait d'un mécanisme plausible pour expliquer comment cette flexion se produit et pourquoi les marges des plaques qui s'enfoncent deviennent molles et faibles», explique Taras Gerya, professeur de géophysique à l'ETH Zurich.

Les observations ont révélé que de nombreuses failles se trouvent sur la surface supérieure d'une plaque qui s'enfonce, là où elle rencontre l'autre plaque. L'eau de mer pénètre dans la plaque par ces failles et est en fait littéralement aspirée par des forces de succion. Cela affaiblit la plaque sur sa face supérieure. Pourtant, cela ne suffit pas à expliquer la segmentation de la dalle - les anomalies observées sur les images tomographiques. Un autre mécanisme doit également être à l'œuvre pour affaiblir suffisamment la face inférieure de la marge pour que la segmentation se produise.

Taras Gerya et ses collègues américains David Bercovici et Thorsten Becker ont donc soupçonné que la compression de la face inférieure de la plaque au point où elle se plie vers le bas écrasait les cristaux d'olivine de la plaque, grands et forts, de la taille d'un millimètre, en les forçant à se recristalliser en agrégats granulaires beaucoup plus faibles, de la taille d'un micromètre - réduisant ainsi la résistance de la plaque et lui permettant de se plier.

La marge des plaques qui s'enfoncent est divisée en segments

À l'aide d'un nouveau modèle informatique bidimensionnel qui intègre cette réduction des grains comme mécanisme central, les trois chercheurs ont ensuite étudié le processus in silico. Leur étude a récemment été publiée dans la revue Nature.

Et en effet, les simulations ont révélé que les plaques qui s'enfoncent se déforment en raison de la réduction massive des grains d'olivine sur leur face inférieure, se divisant en segments individuels au fil du temps. Ces segments sont rigides, mais restent reliés les uns aux autres par de faibles charnières constituées de grains broyés.

Dans les simulations, des fissures parallèles apparaissent aux limites des segments sur la surface supérieure de la plaque. Sous ces fissures se trouvent les zones avec des grains minéraux écrasés.

«Imaginez que vous êtes en train de casser une barre de chocolat», explique Taras Gerya en souriant. Une barre de chocolat, elle aussi, ne peut être divisée en segments que le long des points faibles spécifiés. Les carrés de chocolat sont rigides, mais les pièces qui les relient sont faibles. «C'est pourquoi une plaque qui s'enfonce n'est pas uniformément pliée ou déformée, mais segmentée.»

Et voici comment cela pourrait se passer dans la réalité: La plaque la plus lourde s'enfonce sous la plus légère. Un point faible avec des grains minéraux plus petits dans la plaque qui s'enfonce lui permet de se plier. La contrainte de flexion fait que les minéraux s'effritent en plus d'endroits sur la face inférieure. La faiblesse qui en résulte conduit à une fracture, et un segment se forme. À mesure que la marge de la plaque s'enfonce de plus en plus profondément dans le manteau, d'autres segments se forment au niveau de la courbure. En conséquence, la dalle finit par ressembler à une chaîne avec des maillons rigides et des connecteurs pliables. À une profondeur d'environ 600 kilomètres, la marge de plaque segmentée glisse sur ce que l'on appelle la discontinuité de 670 km dans le manteau terrestre, à partir de laquelle elle se déplace horizontalement.

Les indices de la nature soutiennent la simulation

«Les résultats de nos simulations sont cohérents avec les observations dans la nature», explique Taras Gerya. De nombreuses recherches ont été menées sur la situation naturelle le long de la fosse du Japon, où la plaque du Pacifique s'enfonce sous la plaque d'Okhotsk. Le modèle de failles trouvé ici correspond exactement au modèle produit dans les simulations.

L'équipe de recherche a également étudié en profondeur la structure des vitesses sismiques de la dalle japonaise en subduction en utilisant le modèle de tomographie sismique à haute résolution récemment produit. Elle ont constaté que la vitesse des ondes sismiques émises par les séismes était réduite à certains nœuds à l'intérieur de la dalle. Le modèle avec lequel ces nœuds apparaissent dans la réalité coïncide avec celui des limites de segment des simulations. Et tant dans la nature que dans le modèle informatique, ce sont les zones comportant de très petits cristaux de quelques micromètres de diamètre qui sont responsables de la réduction de la vitesse des ondes sismiques.

Ces minuscules grains de cristal rendent également le matériau de la plaque inférieure moins visqueux; en d'autres termes, il devient plus fluide. L'équipe de recherche de la fosse du Japon ont également pu le démontrer. «Cela signifie que notre modèle est très plausible et fournit un fondement physique solide à l'hypothèse de plaques rigides avec des dalles faibles», déclare Taras Gerya. Mais les recherches sont loin d'être terminées: l'un de ses étudiantes et étudiants de licence, Simon Niggli, a modélisé et décrit pour la première fois des fractures de plaques en trois dimensions. L'équipe de recherche veut ensuite examiner si la segmentation des marges des plaques peut également être à l'origine de forts séismes.