de la derive des continents a la tectonique des plaques

EMSE : Axe Processus Naturels 23/07/13 p. 0
Jill Scott
«Continental Drift»
«Continental Drift» compares
the process of speculation and
excavation in the landscape to
the process of diagnosis and
treatment in human illness. It
focuses on the relationship
between the crust of the earth
and a comparison between the
health of the human body and
that of the planet.
«Continental Drift» was
inspired by the artist's own
experience of breast cancer
and alternative cures.
www.medienkunstnetz.de
E.N.S.M. St Etienne
2010
Block diagram illustrating schematically the ocean-floor spreading hypothesis, and more particularly the
relationship between ocean ridges, island arc-trench Systems and transform faults of ridge-to-ridge and arc-
to-arc types. The arrows indicate the relative motion between adjacent blocks. Adapted from ISACKS,
OLIVER and SYKES (1968), J. geophys. Res., 73, 5857.
DE LA
DERIVE DES CONTINENTS
A LA
TECTONIQUE DES PLAQUES
Aperçu épistémologique de la géologie entre deux paradigmes
Axe Processus Naturels
E.N.S.M. St Etienne

EMSE : Axe Processus Naturels 23/07/13 p. 1
Les XVI° et XVII° siècles : L'ERE des CATASTROPHISTES
L'acquis des anciens, grecs et latins, ayant été oblitéré par le Moyen-âge, il faut attendre le XVI° siècle pour voir
le redémarrage des connaissances dans le domaine des sciences de la Terre. Toutefois, à cette époque, la notion de temps
est imposée par l'Eglise pour qui toutes les explications sont contenues dans la Bible. Le déluge en particulier est considéré
comme un événement "incontournable" de l'histoire de la Terre. J. Ussher (archevêque primat d'Irlande) établit une
chronologie de la planète exclusivement basée sur la Bible. Cette chronologie servit longtemps de modèle, à tel point que
certaines éditions actuelles de la Bible y font encore référence. "La Terre et le ciel ont été créés le dimanche 23 octobre
4004 av JC", Noé est monté en bateau le mardi 7 décembre 2349 av JC. Aucune explication géologique ne saurait dès lors
ignorer cet épisode clef sans risque de passer pour hérétique, tel B. Palissy qui osait prétendre en 1570 que l'eau et la mer
usaient les roches tellement vite qu'il faudrait bien que celles-ci soient remplacées sous peine de voir bientôt disparaître les
continents sous les flots. Ce XVI° siècle est aussi celui des voyages et des découvertes. Certains rapportèrent ainsi
d'Extrême-Orient que la chronologie de plusieurs familles dépassait l'âge du déluge. Grâce à ces grands voyages, les relevés
cartographiques progressèrent énormément. Dès cette période, les géographes constatèrent la similitude des côtes
Atlantiques. Mais s'ils soulignèrent le fait, ils n'en tirèrent cependant pas de conclusions.
En 1620, sir F. Bacon va plus loin et suggère dans son "Novum Organum" que le parallélisme entre les côtes
Atlantique "ne peut être le fruit du hasard".
L'explication en fut donnée un peu plus tard par
F. Placet: "le déluge avait séparé ce qui
autrefois était réuni". D'autres remarques sur le
développement de la vie sur Terre étaient de plus
en plus difficiles à concilier avec les
enseignements de la bible. En 1634, Descartes
admet que la formation de la Terre est un
processus continu mais par prudence il ne publie
pas sa théorie. N. Sténo établit que la
superposition des couches sédimentaires peut
contenir la chronologie des événements
géologiques (fig. 1). En 1669, il met en accord sa
théorie avec le dogme en rendant le déluge
responsable de la sédimentation.
Le XVIII° siècle : L'EMERGENCE
des IDEES CONTINUISTES
Lors de la mesure de la hauteur des Andes (1735), P. Bouguer utilise un fil à plomb pour mesurer les verticales.
Il est donc conduit à introduire une correction pour tenir compte de la déviation horizontale engendrée par la masse des
montagnes avoisinantes. La déviation qu'il observe est beaucoup plus faible que ce qu'il prévoyait. Presque simultanément
G. Everest obtient le même résultat en Himalaya. P. Bouguer en conclut que les montagnes étaient beaucoup moins denses
qu'on l'imaginait, à moins qu'elles ne fussent creuses. La notion de montagnes creuses fut très mal reçue, mais les
observations de Bouguer et Everest ne trouvèrent pas d'autre explication, et les choses en restèrent là pendant un siècle. En
1749, Buffon commence la publication de son "Histoire Naturelle". Il y note entre autre que "l'on retrouve les mêmes
fossiles en Irlande et en Amérique, et qu'on ne les trouve nulle part ailleurs" et en déduit que ces deux régions avaient dû
être reliées jadis, en 1782, B. Franklin constate de son côté que les fossiles marins existent dans les montagnes. Il en
conclut avec une pré-science étonnante que la croûte de la Terre doit être une coquille flottant sur un fluide interne, "de
sorte que la surface du globe pourrait être brisée et bouleversée par des mouvements du fluide sur lequel elle repose". En
1780 enfin, J. Hutton (thèse publiée par son biographe en 1805) est le premier à oser dire le rôle important du temps infini
à l'échelle géologique, et à concevoir que les phénomènes géologiques ne sont pas cataclysmiques, c'est à dire accidentels
au sens du déluge, mais ressortent au contraire de phénomènes physiques continus. Pour lui la Terre a évolué et continue
d'évoluer par des processus naturels, accumulation, érosion, plissement, de nouveaux continents remplaçant les anciens.
Fig. 1 : Graphiques publiés en 1669 par Sténo et présentés dans l'ordre inverse de celui de
la chronologie ; ils illustraient la conception qu'il avait de l'origine des composants de la
terre : les premières strates (en bas à droite), affouillées par l'eau, s'effondraient (en haut
à droite) en laissant des vides que remplissaient ensuite les sédiments (en bas à gauche).
Une deuxième séquence d'affouillements et d'effondrements, selon Sténo, aboutissait à
la création des falaises, des collines et des vallées.

EMSE : Axe Processus Naturels 23/07/13 p. 2
Fig.2 : Antonio Snider-Pellegrini, un Américain émigré en France, fut l'un des
tout premiers géologues à exposer dans un traité, publié en 1858, l'idée d'une
dérive des continents illustrée par les canes ci-contre. Il prétendait, contrairement
à la thèse soutenue plus tard, que les terres qui bordent l'Atlantique avaient été
brutalement séparées par un cataclysme causé par le déluge de la Bible.
Le XIX° SIECLE : des OBSERVATIONS en AVANCE sur les CONCEPTS
La charnière du XIX° siècle est marquée dès 1805 par W. Humboldt. Il connaît très bien l'Afrique lorsqu'il
aborde l'Amérique Latine, ce qui lui permet de corréler les chaînes de montagnes tronquées par l'Atlantique avec leurs
homologues africaines. En plus de ces identités géographiques, il constate des similitudes géologiques frappantes entre ces
chaînes (brésilienne et congolaise par exemple), et entre les bassins (Amazone et Guinée). Il va plus loin encore et étend ce
principe de puzzle en pièces détachées à l'Amérique du Nord et l'Europe. La conclusion est alors évidente: l'Atlantique n'est
qu'une vallée, remplie par le déluge. Comme J.Hutton, J.B. Lamarck considère que rien n'est impossible au temps. Il lui
vient une curieuse idée pour expliquer à la fois le déplacement des continents et la présence de fossiles marins sur ceux-ci.
En s'appuyant sur les courants marins, il imagine une érosion des continents sur une de leurs façades maritimes et une
sédimentation à l'opposé, ce qui aurait pour effet d'engendrer une migration apparente des continents. La période 1830-
1850 est marquée par le développement des théories continuistes de C. Lyell. Il considérait comme Hutton que tout était le
fruit d'un processus naturel encore à l'œuvre. Il ne croyait pas aux déplacements latéraux des continents de Lamark. Vers
1850, J.D. Dana émit l'hypothèse que la Terre, originellement en fusion, se refroidissait en subissant une contraction à la
manière d'une pomme qui se ride en séchant. Les bourrelets montagneux à la surface du globe correspondaient à ces rides.
Les océans représentaient dans sa théorie des zones de contraction plus récente et donc plus profondes, les continents étant
alors figés. Les fortes contraintes engendrées aux limites océan-continent seraient responsables des montagnes jeunes
(Andes par ex). Cette théorie aura la vie dure. Pourtant dès 1858, dans "La Création et ses mystères dévoilés", Snider-
Pelegrini s'oppose à la théorie de la contraction de Dana. Il est d'accord avec lui pour une Terre en fusion au début de son
histoire, mais il réfute la contraction: pour Snider-Pelegrini, si les continents s'emboîtent, c'est qu'à une période ils n'ont
formé qu'une seule masse; ensuite ils se sont déplacés. A l'appui de sa théorie, il avait même retracé des cartes du globe
(fig. 2). Il est regrettable que ce trait de génie ait été discrédité par l'explication (enfin démodée) qu'il donnait du
déplacement ultérieur des continents, le déluge, mais aussi par l'influence grandissante des théories de Lyell et de Dana. En
1855, G. Airy réinterprète les observations de Bouguer et Everest. Il suggère d'une part que, compte tenu de leur hauteur,
les montagnes représentent un excédent de poids important et qu'elles doivent donc avoir des racines importantes, et il
suggère d'autre part qu'étant constituées de granite (matériel de densité faible), les montagnes flottaient comme des icebergs
sur la couche basaltique plus dense du manteau. "On peut supposer que la croûte flotte en équilibre". L’isostasie était née
avant l'heure. Cette notion de soulèvement progressif fut reprise vers 1870 par J.W. Powell pour expliquer le tracé sinueux
du Colorado malgré son enfoncement dans le Grand
Canyon. Le nom d' "isostasie" ainsi que la formalisation du
concept d'équilibre de la croûte en terme de gravité datent
de 1899 et sont dus à C. Dutton. En 1879, G.H. Darwin (ne
pas confondre avec Charles Darwin auteur de "De
l'origine des espèces par voie de sélection naturelle" 1859)
publia l'hypothèse selon laquelle la lune aurait été arrachée
à la Terre en des temps très reculés de l'histoire de la Terre.
L'océan pacifique en serait la cicatrice. Pour O. Fisher, qui
considère en 1881 dans "Physics of the Earth's crust" que
l'intérieur de la Terre pourrait être relativement fluide et
animé de courants de convection ascendants sous les océans
et descendants sous les continents, l'arrachement de la lune
aurait provoqué un déplacement latéral et une
fragmentation de la croûte granitique refroidie. Cette
théorie aussi restera un serpent de mer dont la gorge ne sera
tranchée que durant les années 1960: le dragage et le
carottage du fond océanique pacifique révéla qu'il n'y avait
pas de roches plus vieilles que 200 Ma environ, alors que
l'analyse des échantillons prélevés sur la lune en 1969
montra que celle-ci était née en effet il y a près de 4 Ga.
La charnière XIX° XX° SIECLE, ELASTICITE - RIGIDITE du MANTEAU
A la charnière du XX° siècle, la géophysique se développe rapidement. De 1841 à 1844, Milne avait montré
qu'un ébranlement se propage par des ondes sphériques. En 1897, Oldham distingue deux types d'ondes: les ondes "P" ou
primaires, et les ondes "S" ou secondes, qui se révélèrent être de cisaillement. Le fait qu'elles soient transmises sauf dans le
noyau imposa l'idée d'une croûte rigide et d'un noyau liquide (Oldham en 1906). Les grandes discontinuités de la Terre sont
mises en évidence par A. Mohorovicic entre croûte et manteau en 1909 et par B. Gutenberg entre manteau et noyau. Les
géologues Américains et Anglais considèrent alors que puisque le manteau et la croûte transmettent les ondes de
cisaillement, ils doivent être très rigides. Au contraire les géophysiciens Allemands adoptent généralement des conceptions
mobilistes voisines de celles de Fisher, mais leurs idées sont peu répandues (barrière linguistique). Elles sont cependant

EMSE : Axe Processus Naturels 23/07/13 p. 3
.Atmosphère
Hydrosphère
Biosphère
Croûte
Manteau
Noyau
eau de mer
eau douce
supérieur
inférieur
externe
interne
%
ppm
ppm
continentale
océanique
(lherzolites)
(chondrites)
N 72.3
O 25.4
A 13.0
H 10.6
O 86.5
H 52.5
O 39.0
O 41.2
Si 28.0
Al 14.3
O 43.7
Si 22.0
O 44.70
Mg 24.70
Si 21.10
O 43.70
Si 22.50
Mg 18.80
Fe 80-85
Fe 80
Ni 20
Cl 1.89
Na 1.06
Cl- 18980
Na+ 10556
C 6.50
Fe 4.70
Ca 3.90
K 2.30
Na 2.20
Mg 1.90
Fe 8.40
Mg 7.60
Al 7.50
Ca 7.10
Na 1.60
Ti 1.40
Fe 5.60
Al 1.90
Ca 1.40
Fe 9.80
Ca 1.70
Al 1.60
Ni 5
Mg 0.13
SO42- 2649
Mg2+ 1300
N 0.50
Ca 0.38
K 0.22
Si 0.12
Mg 0.10
Ti 0.40
C 0.30
H 0.20
K 0.33
Mn 0.15
Na 0.15
Ti 0.12
Na 0.84
Cr 0.41
Mn 0.33
P 0.14
K 0.11
S,Co,Si.
0.10-0.15
C 0.013
S 0.08
Ca 0.04
K 0.03
Br 0.06
Ca2+ 400
K+ 380
CO3- 140
HC03- 58.4
Mg2+ 41.0
SO42- 11.4
Ca2+ 15.0
Si02 13.1
S 0.070
Al 0.055
P 0.052
Cl 0.050
Fe 0.038
Mn 0.021
Na 0.019
Mn 0.07
K 0.08
Mn 0.07
Ti 0.08
Ne 0.0012
C 0.003
Br- 65
H2BrO3 26
Cl- 7.8
Na+ 6.3
NO3- 1.0
Kr 0.0003
Sr2+ 8
Fe 0.7
He 0.00006
Xe 0.00004
Total
34476
Total 120.0
Fig.5 : Composition chimique des différentes enveloppes du globe Terrestre : Elles correspondent à des valeurs moyennes et sont exprimées en % pondéraux
(d'après Brown et Musset. Krauskopf. Reeves). Pour les "eaux". on a indiqué aussi des valeurs en parties par million (ppm) des principaux ions dissouts
importantes dans la mesure où A. Wegener, allemand lui aussi, en était
forcément imprégné lorsqu'il conçut sa théorie de la dérive des continents. On
considère que le ralentissement des ondes S dans la zone à faible vitesse (Low
Velocity Zone, fig. 3) est dû au fait que les roches sont proches de leur point de
fusion ou contiennent une faible proportion (1% maximum) de liquide
magmatique. Vers 1840, C. F. Gauss avait analysé la distribution du champ
magnétique terrestre, et donné une description complète de celui-ci, en direction
(déclinaison) et en inclinaison. La première observation de l'aimantation de
roches est due à A. Delesse en 1849. Vers 1900, les travaux de P. Curie sur le
magnétisme des minéraux (point de curie) vont permettre d'utiliser le
magnétisme rémanent des roches. En 1906, B. Brunhes découvrit que certaines
roches étaient aimantées à l'inverse du champ actuel. Il en déduisit que le champ
magnétique avait pu subir une inversion dans un lointain passé. L'absence de matériel de mesure précis et sensible fit que,
malgré tout l'intérêt de ces découvertes, l'étude du magnétisme terrestre ne devait prendre son véritable essor qu'après 1950,
lorsque S. Chapman et J. Bartels eurent démontré que l'on pouvait ramener le champ magnétique terrestre à un dipôle
placé en son centre, et que les irrégularités superposées (appelées effets régionaux) étaient dues aux composantes
multipolaires du champ. En ce début de siècle, les découvertes paléontologiques et biologiques se sont accumulées,
imposant l'idée de liaisons (isthmes temporaires par exemple) entre les continents actuels: Flore à Glossoptéris (fougère de
270 Ma) vivant au Brésil et en Afrique du Sud; aire de répartition du Mésosaurus (reptile terrestre) couvrant le Brésil,
l'Afrique équatoriale actuelle et Madagascar; l'existence d'espèces animales actuelles communes à Madagascar et à l'Inde.
Entre 1885 et 1909, E. Suess qui était un fervent partisan des thèses de Dana publia "Le Visage de la Terre". Opposé aux
idées de C. Dutton, il considérait que la croûte, originellement uniforme et
répartie en deux super continents qu'il appela Gondwana et Atlantis, s'était
partiellement effondrée dans le manteau sous l'effet de la contraction.
Cette nouvelle hypothèse permettait de rendre compte des découvertes
paléontologiques précédentes sans faire appel à des passerelles aujourd'hui
disparues. Lors de ces épisodes de contraction, la bordure des continents
aurait subi une poussée tangentielle, et il en résulterait la constitution de
chaînes de montagnes arquées. Suess avait en effet remarqué que les
chaînes bordières présentent leur bordure convexe vers l'océan (fig. 4).
L'histoire retiendra aussi et surtout de Suess qu'il distingua 3 couches dans
la structure interne de la Terre, le noyau interne, le manteau intermédiaire,
et la croûte externe, terminologie toujours en vigueur. Parallèlement aux
travaux de Suess, le paléontologue M. Neumayr avait reconstruit en 1887
la topographie des terres à 190 Ma en s'appuyant sur les répartitions
connues de fossiles dans le monde. Il avait tracé trois super continents.
Fig. 4 : d’après E.Suess, les chaînes bordières présentent leur
bordure convexe vers l'océan, en voici une illustration moderne.
Fig. 3 : Ondes P et S dans la Terre.

EMSE : Axe Processus Naturels 23/07/13 p. 4
Fig. 6 : Reconstitution par Wegener des diverses positions des
continents, du Carbonifère jusqu'au Quaternaire. D'après
Wegener,fig- 4- 1929-
1912 la DERIVE des CONTINENTS de A. WEGENER
Le début du XX° siècle avait été marqué par une foison de théories sans fondement visant à expliquer l'ensemble
des observations. Cependant, les connaissances du globe progressaient, en particulier dans le domaine de la chimie. Les
premiers pas de la chimie des roches sont dus à l'anglais De la Bêche et à E. de Beaumont au milieu du XIX°. Le plus
gros travail de recensement et d'analyse statistique, effectué entre 1889 et 1924, est dû à F. W. Clarke et à Washington. On
appelle Clarke d'un élément son niveau de concentration dans la nature. A l'époque, on distingue déjà la croûte continentale
sialique légère ou SIAL (acronyme de silicium et aluminium), de la croûte océanique censée représenter le manteau ou
SIMA (de silicium et magnésium). Si ces termes ont à peu près
disparu aujourd'hui, le tableau des compositions moyennes des
enveloppes terrestres de la fig. 5 montre que la distinction était bien
fondée. En 1908, F. Taylor publia une communication très
importante. Pour lui, les chaînes de montagnes telles que les Andes,
les Rocheuses, les Alpes ou l'Himalaya étaient nées de formidables
pressions exercées latéralement et pendant une longue période de
temps. Il envisageait deux proto-continents situés aux pôles qui
auraient subit "une puissante progression rampante" vers
l'équateur, causée par "un irrésistible fluage". Les chaînes tertiaires
seraient nées de leur collision. L'hypothèse de Taylor passa
inaperçue, partiellement en raison de la faiblesse de son analyse des
faits.
La théorie de A. Wegener, très proche mais beaucoup
plus étayée, allait avoir un tout autre retentissement. Météorologue
glaciologue, astronome de formation et explorateur (spécialiste du
climat du Groenland), A. Wegener était un homme éclectique (nous
dirions aujourd'hui pluridisciplinaire) passionné de climatologie,
d'hydrographie, de volcanisme etc... Ses lectures géologiques
l'amenèrent vers 1910 à réfléchir sur les théories en vigueur.
Comme nombre de ses contemporains, il n'admettait pas la théorie
sans fondement des isthmes pour expliquer les associations
faunistiques actuelles ou fossiles. Il avait noté aussi les
incohérences entre la théorie de la contraction de Dana et
l'observation. Il en est ainsi de la distribution des chaînes de
montagnes dans le monde qui, au lieu d'être régulièrement réparties
comme l'impliquerait une contraction homogène constituent
d'étroites bandes curvilignes. Les datations par radioactivité,
quoique pas encore très précises (P. et M. Curie prix Nobel en 1903
puis Marie en 1911) qui révèlent des âges de formation très variés
mais groupés autour d'épisodes séparés par de longues périodes
tranquilles, sont en contradiction avec la contraction qui aurait dû
entraîner une formation simultanée ou à tout le moins continue des
chaînes de montagnes. A. Wegener allait fédérer les connaissances
des paléontologues sur la répartition des fossiles, des géophysiciens
sur l'isostasie, des géologues sur la nature de la croûte continentale
et océanique, et des géographes sur la morphologie des continents
en une hypothèse globale, "La formation des traits caractéristiques
principaux de la croûte de la Terre" est présentée en janvier 1912
devant l'association géologique de Francfort. Les idées de Wegener
furent très mal reçues, en particulier à cause du caractère
pluridisciplinaire de l'auteur. W. Koppen, directeur de
l'observatoire de Hambourg écrivait alors: "S'attaquer à des sujets
qui sortent des limites tracées à une science par la tradition expose
tout naturellement l'intrus à se voir considérer avec méfiance". En
1915 puis en 1920,1922 et 1929, il publia "La Genèse des
continents et des océans" ouvrage dans lequel il avait rassemblé
tous ses arguments pour expliquer que les continents, d'abord
rassemblés en une seule masse nommée "Pangaea", avaient dérivé
ensuite vers leur position actuelle (fig. 6). En 1930, A. Wegener
décède au cours d'une expédition au Groenland.
Les premiers arguments de A. Wegener étaient d'ordre
géophysique. Il étudiait la topographie Statistique de la Terre, qui
met en évidence deux altitudes dominantes, l'une autour de -5000m