Quand la Terre part à la dérive - Ne vous alarmez pas c'est pas pour demain

Et si la Terre basculait... Difficile de l'imaginer. Pourtant, il semble bien que ce soit son sort lorsque que la répartition des masses denses ou moins denses se déplacent dans le manteau terrestre au cours des temps géologiques. Mais comment est-ce possible ? Pour tester les hypothèses en cours, une équipe de l'Institut de physique du globe de Paris (INSU-CNRS, Paris Diderot) a modélisé les mouvements des zones de subduction et remontées de matières chaudes dans le manteau pour reconstituer la "grande dérive du pôle de rotation" observée pour les derniers 120 millions d'années. Cette étude parue récemment dans la revue "Earth and Planetary Science Letters" apporte ainsi des précisions sur la dynamique interne de la planète.

Sur cette figure, on voit notre planète Terre basculer en conservant son axe de rotation figuré en jaune fixe dans un repère céleste. Notons qu'il s'agit bien d'un mouvement entre la planète et son axe de rotation qu'il ne faut pas confondre avec la variation de l'obliquité (inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport au plan de l'écliptique) qui implique une réorientation de l'axe de rotation dans un repère lié aux étoiles. © IPGP (INSU-CNRS/Paris Diderot) La tectonique des plaques est maintenant bien connue, mais ne suffit pas à décrire de façon complète le mouvement des plaques par rapport à l'axe de rotation de la Terre. En effet, à celle ci se superpose un mouvement d'ensemble des plaques et du manteau terrestre, connu sous le nom de « grande dérive du pôle de rotation ».

Il a été montré que la dérive du pôle de rotation d'une planète peut être produite par des changements dans la distribution des masses dans son manteau ou à sa surface (1). De telles dérives expliqueraient certaines observations paléomagnétiques ou variations climatiques. On dispose, en l'occurrence, du trajet de cette dérive pour les 200 derniers millions d'années obtenu en combinant le mouvement des plaques, déterminé par le paléomagnétisme, et le positionnement de l'ensemble des points chauds (Besse et Courtillot, 2002). Dans l'étude rapportée ici, les auteurs ont cherché à retrouver les causes de cette dérive du pôle de rotation de la Terre, estimée pour les 120 derniers millions d'années.

Le rôle de la convection du manteau

Dans le manteau terrestre, de larges mouvements de masses sont induits par la convection : ainsi, des plaques présentant une densité supérieure à celle du manteau environnant plongent, peut être jusqu'à la limite noyau-manteau, tandis que du matériel peu dense remonte sur de larges zones du manteau profond. Par ailleurs, ces anomalies déforment les interfaces terrestres et donc déplacent d'autres masses. Par ces déplacements de masse la convection a de larges effets sur le pôle de rotation. Ceux-ci ne sont pas prévisibles simplement. En effet, comme la Terre a un comportement visco-élastique, l'effet de surface d'une anomalie de masse dans le manteau dépend largement de sa position par rapport au centre de la Terre. Une même anomalie, selon sa position dans le manteau, fera basculer la planète dans un sens ou un autre pour aller se positionner au pôle ou à l'équateur.

Les auteurs ont cherché à déterminer précisément les origines de la dérive récente du pôle de rotation de la Terre depuis 120 millions d'années, et à calculer son mouvement à l'échelle des temps géologiques. Ils ont pour cela utilisé des modèles simples pour figurer au cours du temps d'une part les plaques en subduction, d'autre part les remontées du manteau.

La modélisation

Les plaques sont modélisées à partir de la position en surface des zones de subduction. On suppose qu'elles plongent verticalement à la vitesse de déplacement qu'elles ont en surface depuis 200 millions d'années (Ma) (2) jusqu'à ce quelles atteignent le manteau inférieur. Elles s'épaississent alors en se pliant à cause d'un saut de viscosité et leur vitesse diminue (Ricard et al 1993).

Image de tomographie sismique à la limite noyau - manteau (2800km de profondeur) : dans les zones rouges, les ondes sismiques se déplacent lentement, le matériel est moins dense ; les zones bleues correspondent aux anomalies de vitesse rapide et à du matériel plus dense. Les étoiles marquent les traces de volcanisme d'origine profonde sur les derniers 200 Myr (noir : activité récente (< 10 Ma) ; rouge : Tertiaire ; vert : Crétacé ; bleu : Jurassique). © IPGP (INSU-CNRS/Paris Diderot) Par ailleurs, la tomographie sismique fait apparaître, sous l'Afrique et la Polynésie, dans le manteau profond, deux dômes de matériel thermiquement ou chimiquement moins dense que le manteau environnant. Ces deux régions semblent constituer des réserves à l'alimentation d'essaims de panaches remontant jusqu'à la surface terrestre pour émerger sous forme de volcans. Les traces volcaniques laissées en surface par ces panaches depuis 200 Ma se répartissent irrégulièrement dans deux régions grossièrement antipodales à l'aplomb des dômes et reste dans un creux du géoïde lié en très grande partie aux subductions passées.

Leur étalement et leur position latérale n'ont pas beaucoup changé depuis 200 Myr. Les auteurs ont évalué la distribution des anomalies de masse associées à ces 2 dômes à partir des images de la tomographie sismique, et localisé les anomalies pouvant être suivies dans la partie la plus profonde du manteau depuis la surface du noyau. Pour tester la validité du modèle ils ont calculé le géoïde actuel, dont la forme dépend directement de ces anomalies profondes, pour retrouver l'axe de rotation de la Terre. Après quelques ajustement, le modèle a permis de retrouver le pôle de rotation actuel, il a alors été utilisé pour calculer la dérive du pôle sur 120 millions d'années.

Axes principaux d'inertie calculé pour les derniers 120 Myr (points tout les 10 Myr, les étoiles marquent les valeurs actuelles). L'axe principal d'inertie maximal (en blanc) correspond à l'axe de rotation. Le géoïde actuel (équipotentiel de pesanteur passant par le niveau des mers) correspondant est également représenté (en bleu : les creux, en rouge : les bosses). © IPGP (INSU-CNRS/Paris Diderot) Le chemin de dérive des pôles ainsi obtenu, présente des caractéristiques épisodiques similaires à celles observées par le paléomagnétisme. Au cours de cette période, l'axe de rotation de la terre s'est déplacé exclusivement dans un plan perpendiculaire à l'axe des 2 dômes.

Ce modèle apporte plusieurs enseignements : les plaques en subduction ne sont pas les seules responsables de la dérive du pôle de rotation de la Terre, comme on le pensait, car lorsque le modèle les prend principalement en compte, il ne permet pas de retrouver l'axe de rotation actuel de la Terre. Les dômes, qui semblaient les meilleurs candidats pour expliquer cet écart, ne sont en fait pas en mesure de fixer le pôle de rotation. Ils sont néanmoins alignés sur l'axe minimal d'inertie. Par ce travail, les auteurs ont aussi démontré que les déformations à grandes échelles spatiales du géoïde actuel sont liées aux anomalies de masses engendrées par les plaques subductées dans le manteau profond.

Quoi qu'il en soit, quand des masses se déplacent à l'intérieur du manteau la Terre bascule, fort heureusement à une échelle de temps bien supérieure à ce que nous pouvons percevoir, même si la géodésie peut mesurer le déplacement du pôle de rotation.

Note(s): 

1. La rotation d'un corps planétaire est, en effet, régie par le théorème de conservation du moment cinétique qui implique que les masses se placent à l'équateur, minimisant ainsi l'énergie nécessaire à la rotation. Un réarrangement de masse (de grande échelle) va donc entraîner la Terre à basculer pour se rééquilibrer par rapport à l'orientation de sa rotation.
2. En effet, pour reconstituer l'histoire du champ de densité dans le manteau au cours des derniers 120 Ma, il faut considérer le matériel subducté durant une période antérieure, couvrant le temps caractéristique nécessaire à une plaque pour atteindre la base du manteau.

Source(s): 

Mantle dynamics, geoid, inertia and TPW since 120 Ma
Earth and Planetary Science Letters 292 (2010) 301-311.
Rouby, H., Greff, M. and Besse, J.

SOURCE