De pladetektonik (fra latin sent tectonicus , der stammer fra de græske τεκτονικός / tektonikós , "bygge") er en videnskabelig model forklarer de overordnede dynamik i lithosfæren Jorden. Denne teoretiske model blev bygget fra begrebet kontinentaldrift , som blev udviklet af Alfred Wegener i begyndelsen af XX th århundrede. Teorien om pladetektonik blev accepteret af det internationale geologiske samfund i slutningen af 1960'erne efter begrebet "dobbeltbåndstransportør".
Lithosfæren, Jordens stive ydre skal, der består af skorpen og en del af den øvre kappe , er opdelt i plader, kaldet tektonisk eller litosfærisk . Femten større plaketter er blevet identificeret, hvortil der tilføjes omkring halvtreds mindre plaketter. Disse plader har varierede relative bevægelser, som genererer forskellige typer grænser mellem dem: konvergerende , divergerende eller transformerende . Ved disse grænser forekommer mange geologiske fænomener, såsom jordskælv , vulkansk aktivitet , dannelse af bjergkæder og dannelse af havgrave . Hastigheden for den relative bevægelse af to naboplader varierer mellem 0 og 100 mm / år .
Tektoniske plader består af en oceanisk og / eller kontinental litosfære, der er karakteriseret ved skorper med de samme respektive navne, under hvilke den stive zone i den øvre kappe ligger.
Disse plades bevægelse er mulig, fordi den stive lithosfære hviler på den underliggende asthenosfære , den duktile del af den øvre kappe. Denne litosfæriske mobilisme er udtryk for de konvektionsbevægelser, der animerer jordens kappe, en mekanisme, der tillader Jorden at sprede sin indre varme mod overfladen.
I flere århundreder har geovidenskaben været domineret af fixistteorien, der er baseret på observation af den faste tilstand af næsten hele jordkloden og af den jordbaserede overflade, der præsenterer en uforanderlig, stabil geometri.
Så tidligt som i 1596 bemærkede Antwerpen-kartografen Abraham Ortelius i sit arbejde Thesaurus geographicus ligheden med løbet af den amerikanske og afrikanske kyst. Han antager, at disse kontinenter engang blev genforenet, og at de blev adskilt efter katastrofer: oversvømmelser og jordskælv. Francis Bacon understreger også denne komplementaritet i 1620. I Corruption of the Big and Small World (1668) bekræfter fader François Placet, at adskillelsen af Amerika fra resten af kontinenterne fandt sted under den universelle oversvømmelse . I 1756 opdagede den tyske teolog Theodor Christoph Lilienthal (de) den bibelske bekræftelse af denne adskillelse ved med lille sandsynlighed at fortolke en passage fra Første Mosebog .
XIX th århundredeDet sidste skridt mod en ægte teori om kontinentaldrift vendte tilbage i 1858 til geografen Antonio Snider-Pellegrini i hans erindringsbog med titlen Skabelsen og dens afslørede mysterier . Det giver et første udkast til en rationel forklaring af komplementariteten mellem kysterne i Europa og Nordamerika ved lighed med den fossile flora af Kulstof i disse to kontinenter. For Snider ville en primitiv blok af smeltet sten kun have optaget et jordoverflade, derefter afkølet, ville være brudt op og skabe Atlanterhavet, der adskiller de to kontinenter; disse ville så have bevæget sig på jordens overflade. Imidlertid påberåber Snider, en troende på kristen ortodoksi, stadig teorien om katastrofisme for at tilskrive fænomenet afkøling til oversvømmelsen .
Mænd af videnskaben, gennemsyret af teorien om aktualitetsprincippet , der er opstået i den sene XIX th århundrede gård stadig tror på bæredygtigheden af havene og kontinenter. Imidlertid har nogle mobilister (tilhængere af mobilistteorien, der mener, at vigtige vandrette bevægelser animerer jorden), udtrykt sig.
Indtil begyndelsen af XX th århundrede, lodret bevægelighed af jord er tilladt (fra observation af jordskælv, vulkaner uddannelse), men ikke vandret mobilitet.
Fixistteorien forbliver dog dominerende, og kun lodrette forskydninger forbliver forklaret. Geolog Léonce Élie de Beaumont udvikler hypotesen om "løftesystemer" for at forklare orogeni . Ved slutningen af det XIX th århundrede, Eduard Suess erstatter antagelsen om "opstande" af en indsats fra "nedsynkning" tilhænger af teorien om sammentrækning af Jorden, foreslog han, at bjergene er resultatet af folder, mens havene kommer fra sammenbrud af landbroer . Imidlertid gør flere begrænsninger (bimodal fordeling af højder, næsten konstant tyngdekraft på jordens overflade) disse fixistmodeller inaktive.
XX th århundredeGeologen Frank Bursley Taylor formulerede i 1908 i en meddelelse til American Geological Society den kontinentale drifthypotese, baseret på det faktum, at vi finder bjergkæder på de kontinentale margener overfor Atlanterhavets kyster, som Rockies i Nordamerika og Andesbjergene. i Sydamerika. Disse kæder ville være dannet af en rammende virkning forårsaget af kontinentaldrift.
det 6. januar 1912, præsenterede den tyske meteorolog Alfred Wegener tilsyneladende uden kendskab til Taylor's arbejde for Geological Society of Frankfurt am Main en sammenhængende og argumenteret præsentation af teorien om kontinentaldrift med flere elementer af demonstration, der forklarer, hvorfor forfatteren af denne teori tilskrives ham. For ham brød et superkontinent , Pangea (et ord dannet af to græske navne, Pan og gê, hele jorden ) op i starten af den sekundære æra , hvilket førte til åbningen af Nordatlanten og adskillelsen af Antarktis, derefter åbning af det sydlige Atlanterhav. Siden denne æra ville de kontinentale masser, der stammer fra denne fragmentering, flyde på jordens overflade som flåder. Wegener udgav et værk i 1915, Genesis of the oceanes and continents: teorier om kontinentale oversættelser , hvor han specificerede de mange beviser, som han var baseret på: morfologiske bevis (sammenkobling af kontinentenes former, såsom det nordøstlige horn i Brasilien og bunden af Guineabugten), stratigrafisk (stratigrafisk kontinuitet mellem Afrika og Sydamerika, som resulterer i eksistensen af kratoner lavet af tonalitter eller skjolde fra paleozoikum ), paleoklimatisk (eksistens af stribede småsten, der stammer fra primære i Sydafrika og Sydamerika, der vidner om, at de to kontinenter undergik den samme ispåvirkning under den paleozoiske æra) og paleontologisk (samme flora og fauna af det primære, blandt hvilke mesosaurerne , cygnonatus og glossopteris , en slags paleozoisk frøbregne ).
Denne intuition, dog understøttet af overbevisende tværfaglige argumenter, afvises af en god del af det videnskabelige samfund ( Du Rietz (de) , Ludwig Diels eller Harold Jeffreys ) og finder kun få tilhængere, såsom René Jeannel . Wegener fejler faktisk i sin kinematiske teori (en mobilistisk teori, der er mere beskrivende end kausal), til at give en sandsynlig årsag til denne drift. Han tror, at den kontinentale skorpe alene bevæger sig og glider direkte "ind i" eller "på overfladen af" havskorpen . Men i denne teoretiske vision, der stadig er præget af en vis fixisme (Wegeners kontinentale drift er først og fremmest en teori om kontinenters varighed), er drift karakteriseret ved dannelsen af gapende huller. Wegener foreslår som en forklaring kontinentens græsning på havbunden for at forklare drift. Desuden er hypotesen om "flåder" af sial, der flyder på den tyktflydende sima , ikke acceptabel, fordi seismogrammerne viser, at simaen er solid. Endelig de kræfter forestillet af Wegener (centrifugalkræfter af pol flyvning , Eötvös kraft , tidevandsenergi effekt til) forårsager kontinenter til afdrift er for svage til at overvinde deres stivhed.
Jordens mekanismer og indre morfologi er på dette tidspunkt stadig ukendt for en plausibel fortolkning af afdriften. Desuden betragter geologer implicit havbunden som en natur, der er identisk med kontinenternes.
Jean Goguel offentliggjorde i 1942 sin introduktion til den mekaniske undersøgelse af deformationerne af jordskorpen ; i 1952 udgav han sin Traite de tectonique . Hypotesen om konvektionsbevægelser i kappen, fremsat af Arthur Holmes i 1945, tilbyder en sandsynlig motor til disse bevægelser på kontinenter.
Den amerikanske geolog Harry Hess er afhængig af nye videnskabelige data (kort over havbunden med tegn på revner og havgrave , varmestrøm og kort over havbundens alder) for i 1962 at udvikle en ny videnskabelig model , udvidelsen af havet gulv , også kaldet den dobbelte transportbåndshypotese . Hess foreslår, at den oceaniske skorpe , der er skabt på højden af højderygge ved opsamling og nedgravet på niveau med havgravene ved nedtrapning (fænomen med subduktion ), kontinuerligt genbruges, mens den kontinentale skorpe på grund af sin lethed er dømt til. glider på jordens overflade.
Den dobbelte transportbåndshypotese markerer en sand revolution inden for jordvidenskab og forfiner Wegeners primitive koncept med kontinentaldrift . Sidstnævnte gør kontinentale blokke (dannet af kontinentale skorpe ) til motoren til kontinentaldrift, mens de mister denne rolle til fordel for havene ifølge Hess. For sidstnævnte er kontinenterne inkorporeret i lithosfæren som stykker træ i havisen og trækkes passivt sammen med havenes åbninger og lukninger.
Forskellige observationer gør det muligt at verificere hypotesen om oceanisk ekspansion .
I 1958 og 1961 fremhæver oceanograferne Ron G. Mason (in) og Arthur D. Raff bånd af magnetiske anomalier symmetriske med hensyn til akserne på havkanterne, der kan korreleres med fænomenet inversion af jordens magnetfelt . Den geofysiker Drummond Matthews (en) og hans elev Frederik Vine (en) fortolke dette arrangement tilnavnet "zebra hud" som bekræftelse af Hess hypotese: tilvækst af kappen materiale på niveau med de kløfter og afdrift af den oceaniske skorpe bæres af den underliggende kappe, der fungerer som et transportbånd på begge sider af kløften, er oprindelsen til dette karakteristiske arrangement.
Fra da af blev den syntetiske teori om pladetektonik oprettet, hvilket gav en global forklaring på den oceaniske ekspansion og seismiciteten i zoner i de oceaniske skyttegrave ved at modellere den relative bevægelse af tektoniske plader på den jordiske sfære. I 1965 udviklede geofysikeren Tuzo Wilson konceptet med at transformere fejl , som tillod ham at skære jordoverfladen i en mosaik af plader (som han kaldte " litosfæriske plader ") i bevægelse i forhold til hinanden. I 1967 beskriver Dan Peter McKenzie motoren af denne tektonik, kappekonvektion , og med sin kollega Parker begrænsede modellen geometriske problemer i forbindelse med bevægelser på en kugle . William Jason Morgan foreslog i 1968, at jordbaseret tektonik kan modelleres af et reduceret antal tektoniske plader (seks store stive blokke og tolv mindre). Samme år foreslog den franske geodynamiker Xavier Le Pichon en model bestående af seks plader og viste deres relative bevægelser i 120 millioner år. Endelig formår Jack Oliver og hans studerende Bryan Isacks at forklare seismicitet over hele kloden ved hjælp af pladetektonikmodellen, som til sidst overbeviser flertallet af forskere om at afvise det fixistiske paradigme og omfavne den splinternye teori.
Under præsentationen af hans teori om pladetektonik i 1968 udmærkede Le Pichon seks vigtigste litosfæriske plader :
Ud over disse store plaques har mere detaljerede undersøgelser ført til identifikation af et antal sekundære plaques af mindre betydning. Faktisk er pladernes grænser ikke altid veldefinerede, og man taler om grænsen til "diffus" plade.
Forskning identificerer femten hovedplader i 2015.
I 2016 udførte de numeriske simuleringer udført af Mallard et al. viser, at de tektoniske plader er treoghalvtreds: syv store plader (Nordamerika, Sydamerika, Afrika, Eurasien, Stillehavet, Australien og Antarktis), der dækker 94% af jordoverfladen, mellem hvilke der er seksogfyrre små komplementære plader .
Det accepteres nu, at tektoniske plader bæres af bevægelserne i den underliggende asthenosfæriske kappe og gennemgår interaktioner, hvis tre hovedtyper er divergens, konvergens og glidning. Disse tre typer interaktion er forbundet med de tre største familier af fejl :
En zone med "divergens", der vises i en kontinental skorpe, fører kortvarigt til dannelsen af en kløft .
En aktiv kløft i den kontinentale zone kan ikke være en langvarig situation, fordi adskillelsen af de to kanter af den kontinentale skorpe skaber et tomrum, der vil blive fyldt med havskorpen og i sidste ende skabe et nyt hav.
Det mest berømte eksempel på kontinentaldivergens er Great Rift Valley i Afrika , der adskiller den afrikanske plade fra den somaliske plade , der strækker sig ind i den allerede stort set nedsænkede Rødehavsspredning , der adskiller den afrikanske plade fra den arabiske plade .
Når de kontinentale skorper er adskilt tilstrækkeligt, findes divergenszonen i det oceaniske miljø og adskiller to overflader, der består af oceanisk skorpe . En sådan zone med oceanisk divergens trækker to plader væk fra hinanden kombineret med en stigning af kappen mellem dem, hvilket tillader kontinuerlig dannelse af oceanisk skorpe . Deres divergerende grænse svarer til en oceanisk eller højderyg , sted for oprettelse af oceanisk litosfære og scene for intens vulkanisme .
Bortset fra deres grænser er pladerne stive, med fast geometri: hvis der er områder med divergens, der skaber jordens overflade, er der nødvendigvis også konvergensområder, hvor jordoverfladen kan forsvinde. Områder med divergens ledsages derfor nødvendigvis af konvergensområder.
Konvergenszonerne er den vigtigste kilde til orogenese . Dannelsen af kontinentale bjerge fra konvergenszoner er en firetaktsmekanisme.
En konvergenszone, der involverer to oceaniske skorper, fører den ene til at dykke under den anden i en subduktionsbevægelse . Den nederste plade synker ned i en oceanisk grøft og danner en vulkansk bue på kanten af den øvre plade . Dette er situationen for Mariana Trench eller Kuril Islands . I denne type konvergens forkorter den nederste plade, og den øvre plade forbliver stabil.
Hvis den nederste plades oceaniske skorpe forlænges med en kontinental skorpe , vil indføringen af sidstnævnte i den oceaniske skyttegrav midlertidigt føre til en bortføringssituation : den øvre oceaniske skorpe passerer over den nedre kontinentale skorpe. Denne situation er midlertidig, fordi den kontinentale skorpe, mindre tæt, ikke kan synke og blokerer konvergensbevægelsen. Hvis konvergensen fortsætter, er det den kontinentale skorpe (mindre tæt, d = 2,7 ), muligvis overlappet af klipper af oceanisk oprindelse, som vil overtage, og havskorpen (den mest tætte, d = 3, 2 ) vil igen spring ned i en omvendt subduktionsbevægelse , hvilket fører til en aktiv kontinental margin eller konvergensmargen .
En aktiv kontinental margin er en konvergenszone, der bringer en øvre kontinentale skorpe i kontakt med en oceanisk skorpe, der styrter under den i en subduktionsgrøft . Vestkysten af Sydamerika er et eksempel. Subduktion af en plade under en anden har mange konsekvenser, såsom andesitisk (eller eksplosiv eller grå vulkan) vulkanisme, mange jordskælv og især dannelsen af folder og fejl.
Endelig, hvis konvergensen langs en aktiv kontinental margen har fortæret hele havskorpen , fører det til en kollisionszone , hvor to kontinentale skorper mødes. Motoren til subduktionsmekanismen sidder fast. Det er ikke kraftigt nok til at kaste en af pladerne ind i asthenosfæren på grund af deres lave tæthed. De to plader er svejset sammen for at danne en. Dette er især tilfældet med Himalaya-området , på grænsen mellem den indiske plade og den eurasiske plade ; dette møde fandt sted for 65 millioner år siden takket være migrationen af det indiske kontinent. Eksempler på kollisionskæder er Alperne og Atlas- områderne. Det skal bemærkes, at under kollisionen transporteres det sedimentære materiale opad for at danne bjergkæder, hvor klipperne foldes og fejles.
Kollisionen fører til dannelsen af stadig vigtigere landmasser. John Tuzo Wilson viste, at kontinenter vokser i en Wilson-cyklus , en række kvasi-periodiske stadier, hvor de tektoniske plader af jordskorpen spredes og derefter samler sig.
Den "glidende" eller "transcurrence" siges om den vandrette glidning af to plader, den ene ved siden af og langs den anden. Det er en lateral forskydning af en plade mod en anden.
Udsparingen er generelt et resultat af kontinentale skorper. Under forskydningen af denne fejl opstår meget voldsomme jordskælv på grund af grov friktion langs tykke og ikke meget retlinede fejl. Den San Andreas-forkastningen i Californien og det nordlige anatolske Fejl i Tyrkiet er to eksempler.
Som angivet ovenfor dannes en oceanisk ryg altid af divergenssegmenter adskilt af transformerende fejl; disse oceaniske transformerende fejl forbundet med højderygge producerer dog næppe jordskælv, idet de er meget retlinede og over tynde områder af oceanisk skorpe.
Transformerende tilbageslagszoner kan også være forbundet med grænsen mellem oceaniske plader og kontinentale plader, som for den caribiske plade og Scotia-pladen .
Jorden har betydelig varme på grund af radioaktivitet (nedbrydning af kalium , uran og thorium ) og varmen fra den oprindelige tilvækst. Det afkøles ved at tømme varmen fra overfladen. Til dette er tre mekanismer kendt: termisk ledning , konvektion og strålingsoverførsel . På niveau med jordens kappe evakueres det meste af varmestrømmen ved at sætte klipperne i bevægelse. Det er denne kappekonvektion, der er motoren til pladetektonik. Konvektion induceres af tilstedeværelsen af varmt materiale (derfor mindre tæt) under mindre varmt materiale (derfor mere tæt). Disse bevægelser er meget langsomme (i størrelsesordenen 1 til 13 cm / år ) og foretrækkes ved smøring med havvand og sedimenter, der reducerer friktionen mellem pladerne.
Indtil for nylig betragtede geologer den mekaniske kobling mellem asthenosfæren og litosfærebevægelserne som den primære drivkraft for pladetektonik. Betydningen af denne kobling mellem litosfæren (stiv og skør) og asthenosfæren (underliggende duktil og deformerbar kappe) stilles spørgsmålstegn ved. Oprindelsen til den kraft, der gør pladerne mobile, diskuteres:
Disse muligheder er ikke eksklusive, men de relative bidrag i bevægelsen er meget diskuteret og afhænger af undersøgelserne, især hvilken rolle koblingen mellem litosfæren og asthenosfæren betragtes som vigtig indtil i 1990 er stærkt stillet spørgsmålstegn ved.
I 2019 fandt en 3D-simulering af global tektonik over 1,5 Ma de vigtigste karakteristika: bjergrige relieffer 10 km høje, ubådsgrave 15 km dybe, subduktions- og rygzoner, superkontinenters udseende og forsvinden, plades bevægelseshastighed på et par centimeter om året, og realistisk overfladevarmestrøm. Beregninger indikerer, at da mindst 500 Ma , to tredjedele af jordens overflade bevæger sig hurtigere end den underliggende kappe (150 km dyb), og at rollerne vendes på den resterende tredjedel: i de fleste tilfælde modsætter kappen sig pladens bevægelse (årsagen til denne forskydning er derfor placeret på overfladen i subduktionszoner, der trækker hele pladen), og i en tredjedel af tilfældene c tværtimod skubber kappen overfladen med den ( og det er derfor de dybe strømme, der er ansvarlige for pladens bevægelse).
Mens de ældste spor af pladetektonik dateres tilbage til 2,5 Ga (milliarder år), spores et internationalt team af geovidenskabsforskere i 2007 denne tektonik til 3,8 Ga i begyndelsen af Archean . Analysen af indeslutninger i diamanter af greenstone-bæltet Isua (in) afslørede tilstedeværelsen af eclogit, der er karakteristisk for subduktion af en oceanisk plade. En digital model af pladetektonik i to dimensioner antyder, at omkring 4 Ga begynder at danne tektoniske plader, og at tektonikken generaliserede en Ga senere: Astenosfærens nedadgående bevægelser strækker klipperne i kappe-delen af litosfæren og deformerer peridotitens kornstørrelse. udgør denne del, som svækker den over en periode på ca. 10 Ma (millioner af år). Mantelkonvektion, der bevæger sig over tid, svækkede områder, der ikke længere er udsat for deformation, ser deres mineraler vokse, som "heler" litosfæren over en periode på en Ga. I 2016 antyder termomekanisk modellering, at dette er fjerene, som ved at bryde jordens skorpe , dannede de første plader.
Det er sandsynligt, at Jordens geologiske aktivitet manifesterede sig på meget forskellige måder under Hadean og Archean og sandsynligt, at den nuværende mekanisme for pladetektonik ikke fandt sted før Paleoproterozoikum (- 2,5 til -1,6 Ga ). Opdagelsen af 2,1 Ga gamle eclogites i Kasai- blokken ( Congo craton ) indikerer, at etableringen af pladetektonik er mindst inden denne dato.
Opdagelsen i 2016 og 2018 af et overskud af vand i vitrøse inklusioner af komatiites fra Canada og Zimbabwe , alder 2,7 Ga , vidner om eksistensen af hydratiserede mantle reservoirer i Neoarchean (-2,8 til -2,5 Ga ). Undersøgelsen af D / H- forholdet i 2019 i disse indeslutninger bekræfter, at dette vand kommer fra overfladen, sandsynligvis ført ind i kappeovergangszonen ved dehydrering af havskorpen på subducerede plader . Den samme undersøgelse opnåede lignende resultater (også med et overskud af klor og nedbrydning i bly ) i smelteindeslutninger Komatiitic af Greenstone-bæltet i Barberton (in) ( Sydafrika ), gamle 3,3 Ga . Disse resultater sporer således begyndelsen på pladetektonik til Paleoarchean (-3,6 til -3,2 Ga ).
Animationen ovenfor viser forvridningen af Pangaea siden Trias . Først adskiller dette superkontinent sig i Laurasia og Gondwana . Laurasia er fragmenteret i Nordamerika og Grønland på den ene side og Eurasien på den anden side, mens New Zealand, Indien, derefter Australien-Ny Guinea-blokken successivt løsrives fra Gondwana, før dette kontinent ikke deles mellem Sydamerika, Afrika og Antarktis. Denne forvridning resulterer i en rekomposition af kontinentet, da f.eks. Indien fusionerer med Eurasien efterfulgt af Afrika og Ny Guinea.
Denne veksling af dislokation og rekomposition er sket flere gange i løbet af den geologiske tid.
Denne generelle historie tager ikke højde for indblandingen af de forskellige terraner , såsom Avalonia , fra Pannotia, som deltog i dannelsen af Laurussia .
Jordens varme evakueres ikke på samme måde afhængigt af, om kontinenterne er grupperet i et, eller om de er spredt, som det er tilfældet i dag, og afhængigt af deres position (som påvirker deres albedo , mere tydelig i f.eks. Polarzonen ). Terrestriske eller undersøiske bjergkæder ændrer henholdsvis cirkulationen af fugtige luftmasser og havstrømme . Et superkontinent danner et ”varmeskjold”, der ændrer måden, hvorpå varme spreder sig. Det vil nødvendigvis bryde op i flere fragmenter. Dette markerer starten på en ny Wilson-cyklus opkaldt til ære for John Tuzo Wilson (1908-1993), en canadisk geofysiker, som var den første til at antage denne periodiske samling af kontinentene.
Den igangværende lukning af Stillehavet forventes at føre til dannelsen af et nyt superkontinent ved navn Amasia ( "Amasia" ) af Paul F. Hoffman i 1992. Amasia kunne dannes inden for hundrede millioner år, være centreret om Nordpolen. og forbliver adskilt fra Antarktis .