Paris, 6 avril 2014

Comment la tectonique des plaques a-t-elle commencé sur Terre ?

Les plaques tectoniques sont mobiles les unes par rapport aux autres à la surface de la Terre. Comment ce découpage à l'origine de la tectonique des plaques s'est-il produit ? Dans un article publié sur le site de la revue Nature le 6 avril 2014, Yanick Ricard, chercheur CNRS au Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/ENS de Lyon) et David Bercovici de l'Université de Yale proposent le premier modèle qui explique comment la surface de la Terre s'est découpée en plaques. Il rend ainsi compte de l'émergence de la tectonique des plaques telle que nous la connaissons aujourd'hui et révèle aussi pourquoi ce phénomène ne s'est pas produit sur Vénus, planète « jumelle » de la Terre.
La lithosphère1, couche mobile la plus superficielle de la Terre, est divisée en un petit nombre de plaques rigides en déplacement sur l'asthénosphère, partie du manteau terrestre située immédiatement en-dessous. Cette structuration contrôle des phénomènes géologiques comme les tremblements de Terre ou le volcanisme. Elle influence aussi le climat de notre planète et a joué un rôle essentiel dans l'apparition de la vie.

Comment ce découpage s'est-il produit ? Les premières preuves de déformation de la lithosphère datent de 4 milliards d'années, mais l'individualisation complète des plaques et le démarrage de la tectonique sous sa forme actuelle sont sans doute advenus un milliard d'années plus tard. C'est la durée qu'il a fallu pour que se créent et se connectent des zones de faiblesse dans la lithosphère, délimitant les plaques, d'après un modèle que viennent de proposer deux géophysiciens : Yanick Ricard du Laboratoire de géologie de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/ENS de Lyon) et son collègue David Bercovici (Université de Yale, Etats-Unis).

Ce modèle considère que la lithosphère est un milieu formé de deux types de grains, qui reflète la composition minéralogique de la péridotite, principale roche des plaques lithosphériques. Il prend en compte les forces exercées sur les roches par l'asthénosphère sous-jacente, et intègre des données expérimentales sur les propriétés des roches et leur déformation.
Selon ce modèle, la lithosphère se fragilise par interaction avec la convection du manteau, c'est-à-dire les mouvements très lents des roches constituant l'asthénosphère2. Les mouvements descendants de l'asthénosphère étirent les roches de la lithosphère sus-jacente. Sous l'effet de cette déformation, la taille des grains composant les minéraux des roches diminue… ce qui rend ces grains encore plus déformables. Ainsi nait une zone de fragilité. Les mouvements de convection se déplacent dans le manteau au cours du temps, créant de nouvelles zones de faiblesse. Cependant, les zones fragilisées qui ne sont plus soumises à déformation ont tendance à « cicatriser », car les minéraux grossissent lorsque la déformation cesse.

D'après ce modèle, en raison de la température modérée de la Terre et de la présence de minéraux différents, qui gênent mutuellement leur croissance, la «cicatrisation » de la lithosphère prend bien plus de temps (1 milliard d'années) que sa fragilisation (10 millions d'années). Ainsi, les changements de la convection mantellique ont été assez lents pour endommager localement la lithosphère, mais assez rapides pour qu'elle ne puisse cicatriser complètement, accumulant ainsi assez de zones de faiblesse pour se découper en plaques.

Dans ce modèle, la lithosphère terrestre accumule assez d'endommagements pour se diviser en plaques tectoniques au bout d'un temps de l'ordre du milliard d'années, ce qui est compatible avec l'histoire géologique.

Les chercheurs expliquent aussi pourquoi Vénus, qui a pourtant une masse, une taille et une composition similaires à celles de la Terre, n'a jamais eu de tectonique des plaques. Suivant leur modèle, sa lithosphère, très chaude du fait d'un effet de serre extrême, cicatrise trop vite (en dix millions d'années) pour pouvoir se diviser en plaques tectoniques.

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FERROFLUIDES, ÉTONNANTS LIQUIDES

Les ferrofluides sont des liquides magnétiques susceptibles de se déplacer ou de se déformer sous l'action d'une force magnétique. 
Le ferrofluide est constitué de particules magnétiques de taille nanométrique dispersées dans un liquide porteur. 
Ces matériaux ont fait leur apparition dans les années 60. La première méthode de préparation des ferrofluides consistait en un broyage de magnétite massique en présence d'un tensioactif , le matériau broyé était ensuite dispersé dans une huile ou un lubrifiant. Les particules magnétiques synthétisées dans le film sont obtenues par coprécipitation alcaline d'ions ferreux et d'ions ferriques selon un procédé mis au point par le Professeur R. Massart au laboratoire PECSA (LI2C à l'époque) . 
Cette synthèse par voie chimique permet d'obtenir des particules de taille et de charge contrôlées et dispersables dans différents milieux. Les applications des ferrofluides sont diverses : joints magnétiques, applications biomédicales (agent de contraste en IRM, vectorisation de médicaments...), élaboration de matériaux composites magnétiques utilisables dans le domaine de la dépollution ...

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L'UTILISATION DES RAYONS X POUR L'ANALYSE DE LA MATIÈRE

Le rayonnement synchrotron est devenu en quelques années la principale source de rayons X. Il est émis par des particules chargées (électrons) qui sont accélérées par des champs magnétiques dans des machines construites au départ pour étudier la physique des particules. Ce rayonnement est très intense et sa brillance peut atteindre 1011 fois celle d'un tube à rayons X. Ceci a ouvert des possibilités complètement nouvelles dans de nombreux domaines : possibilité de faire des images sur des objets qui absorbent très peu les rayons X et de faire des hologrammes, possibilité d'étudier la structure de la matière dans des conditions extrêmes de pression et de température qui règnent au centre de la terre, résolution de structures biologiques complexes tels que le ribosome, le nucléosome ou des virus de grande taille, étape importante pour la réalisation de nouveaux médicaments. Le but de cette conférence est d'illustrer ces possibilités par des résultats récents.

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LA MÉCANIQUE DES FLUIDES

La dynamique des fluides est un sujet qui s'applique largement : en biologie, en géophysique et en astrophysique, en océanographie et en météorologie, ainsi qu'en génies chimique, nucléaire, aéronautique, hydraulique et en écologie. Dans tous ces contextes, le fluide, qui est soit en phase liquide, soit gazeuse, soit sous forme de plasma (gaz ionisé), est traité comme un milieu continu représenté par les champs de densité, de pression et de vitesse satisfaisant la fameuse équation de Navier-Stokes. Cette équation décrit des phénomènes se produisant sur une très grande gamme d'échelles de longueur, allant de l'échelle ‘sub-micron' des phénomènes biologiques à un extrême, jusqu'à l'échelle ‘super-parsec' des phénomènes cosmologiques et astrophysiques à l'autre. Nous présenterons un point de vue sur ces phénomènes et discuterons en particulier l'effet dynamo, qui correspond à l'auto-excitation du champ géomagnétique due aux mouvements se produisant dans le noyau liquide terrestre, problème classique pour lequel des progrès remarquables ont été réalisés depuis ces cinq dernières décennies. Deux aspects de ce problème peuvent être illustrés par des phénomènes analogues, mais plus simples, provenant de la dynamique des corps rigides. Tout d'abord, l'auto-excitation d'un champ magnétique dans un fluide conducteur est associée à la chiralité de l'écoulement turbulent, propriété que possède le ‘rattleback', toupie asymétrique qui présente un curieux comportement quand on la fait tourner sur une table. Nous montrerons ensuite que l'instabilité dynamo est dissipatrice par nature, car il faut de la dissipation par effet Joule pour permettre l'intensification du champ magnétique, ceci sur l'échelle du temps de dissipation qui est de l'ordre de 10,000 ans dans le contexte terrestre. L'instabilité dissipatrice peut être illustrée par le phénomène familier de ‘l'oeuf montant'. La conférence sera agrémentée par quelques démonstrations simples de ce genre d'instabilités.

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