Quelques explications géodynamiques possibles ...

Différents modèles géodynamiques permettant d'expliquer l'extension accompagnant l'orogenèse en limite de plaques convergentes ont été proposés. Tous ne peuvent pas s'appliquer au cadre alpin actuel.

1. Les modifications d'une croûte continentale épaissie

2. Les principaux modèles d'extension syn-convergence proposés

3. Qu'en est-il pour les Alpes ?

1. Les modifications d'une croûte continentale épaissie

On sait que dans toute chaîne de collision, la croûte continentale est épaissie. Ceci est donc vrai pour la chaîne alpine comme le montrent les études menées sur les structures profondes.

 La croûte continentale épaissie présente des propriétés physiques et thermiques qui se modifient : elle devient notamment plus malléable ce qui permet sa déformation et son étirement. Mais pourquoi devient-elle plus malléable ?

Au moment de la construction de la chaîne, la croûte continentale est froide et rigide. Globalement, on peut dire que les échanges thermiques sont plus lents que les phénomènes tectoniques : quelques millions d'années suffisent pour "enfoncer" la croûte à 100 kilomètres de profondeur alors que quelques dizaines de millions d'années sont nécessaires pour un équilibrage thermique avec le milieu.

Mais comment la lithosphère se réchauffe-t-elle ? et quelles en sont les conséquences ?

→ A mesure que la chaîne s'épaissit, la croûte plonge en profondeur et est soumise à des températures et des pressions plus élevées.

La chaleur est essentiellement fournie par la désintégration d'éléments radioactifs présents dans la croûte (²³⁸U, ²³⁵U, ⁴⁰K).

• Dans les chaînes étroites (qui sont donc épaissies sur une faible largeur), la dissipation de cette chaleur se fait essentiellement par diffusion.
• Dans les chaînes plus larges, la chaleur est davantage bloquée car la production de chaleur est supérieure à la dissipation par diffusion. La croûte s'échauffe donc et on assiste à une remontée de la limite lithosphère - asthénosphère (isotherme 1300 °C). La fusion partielle des matériaux en profondeur devient possible et on peut avoir la mise en place de granites.

Outre la mise en place de plutons granitiques, le réchauffement crustal peut avoir d'autres conséquences. Ainsi, aux derniers stades de l'orogenèse, la lithosphère est suffisamment réchauffée : sa résistance thermique diminue et autorise alors sa déformation notamment l'extension.

A ce jour, différents modèles géodynamiques ont été proposés pour expliquer cette extension post-orogénique, tous ne s'appliquant pas à l'arc alpin :

2. Les principaux modèles d'extension syn-convergence

- L'étalement - Ce modèle fait appel à un réajustement isostatique d'une croûte continentale surépaissie. L'amincissement crustal se développe alors à partir du moment où la contrainte horizontale due aux forces de convergence devient inférieure à la contrainte verticale lithostatique. La croûte supérieure, plus froide, répond en s'étirant, en se cassant localement : la zone s'amincit, Les roches ductiles des zones plus profondes se déforment et fluent, s'épanchent latéralement vers les zones étirées localisées au-dessus. Cette dynamique s'observe lorsqu'on est présence d'une croûte particulièrement épaisse (ex : 70 km dans le cas du Tibet), associée à une altitude moyenne de la zone assez importante (4000 à 5000 m). Ce modèle ne peut donc pas convenir pour expliquer l'extension tardi-orogénique observé dans les Alpes.	Cliquer sur l'image pour l'agrandir (La Recherche - n°284)
- L'extrusion latérale - Ce modèle correspond à l'échappement d'un bloc, latéralement, par rapport à un poinçon rigide. Un tel modèle dynamique suppose l'existence d'une "bordure libre" vers laquelle s'échappe le bloc extrudé. Ceci amène à penser, avec l'aide d'autres arguments, que ce modèle ne peut être retenu pour l'arc alpin.
- Le retrait de panneau plongeant - Ce modèle propose le "recul" (ou "retrait") d'un panneau lithosphérique plongeant dans une zone de convergence. Pour appliquer ce modèle à la subduction d'une lithosphère continentale, il faut que le panneau lithosphérique plongeant soit suffisamment dense pour s'enfoncer. Les études tomographiques menées dans l'arc alpin montrent une structure profonde qui serait compatible avec un "panneau plongeant" dans les 200 premiers kilomètres sous les Alpes occidentales.
- Le détachement de racine lithosphérique - Ce modèle propose un détachement d'une partie de la lithosphère par détachement convectif de la racine lithosphérique. Il peut expliquer les phénomènes d'extension syn-orogéniques. Ce détachement entraîne une arrivée de matériel asthénosphérique chaud à la place de la racine lithosphérique (froide et dense) sous la croûte épaissie. La première conséquence est un soulèvement de la chaîne par réajustement isostatique puis un réajustement thermique progressif entraîne un affaiblissement de la croûte (donc une moindre résistance). Ces 2 phénomènes peuvent expliquer l'extension par étalement en bordure du relief élevé.
- Le détachement de panneau plongeant -   Ce modèle, assez proche du précédent, propose le détachement d'une partie de la lithosphère par rupture du panneau plongeant sous la chaîne. Certains géologues parlent aussi de "délamination crustale" La croûte se trouverait alors brutalement au contact des roches plus chaudes de l'asthénosphère ce qui induirait une poussée verticale et une augmentation rapide de sa température. On peut alors imaginer les mêmes conséquences que celles évoquées précédemment.	Cliquer sur les images pour les agrandir (La Recherche - n°284)

3. Qu'en est-il pour les Alpes ?

  Parmi les différents modèles d'extension syn-convergence proposés ci-dessus, il apparaît que le régime tectonique de l'arc alpin ne peut s'expliquer qu'en faisant appel à des forces de volume au sein de la racine alpine. Deux hypothèses sont alors possibles, mais elles s'excluent l'une l'autre.

♦ Ce modèle implique le retrait d'un panneau lithosphérique plongeant sous la plaque adriatique. Dans ce cas, les massifs cristallins externes jouent le rôle du bloc "collé" contre la plaque en retrait par des forces de succion. Pour que s'ensuive une extension en arrière de ces massifs, il faut que la subduction continentale s'effectue sous le propre poids du panneau plongeant ("subduction libre") et non pas sous l'effet direct de la convergence et de la collision (on parle alors de "subduction forcée"). Cette hypothèse du "retrait d'un panneau plongeant" explique plus facilement une extension dans une chaîne d'altitude modeste telle que les Alpes.

♦ Une deuxième hypothèse met en jeu le détachement d'un panneau lithosphérique sous la racine alpine. Ce détachement asymétrique, en déséquilibrant la racine lithosphérique, permet d'expliquer la surrection des zones externes en général et des massifs cristallins externes en particulier, en même temps que la tectonique extensive dans les zones internes, en arrière de la zone en surrection. Ce modèle est compatible avec les données gravimétriques recueillies mais par contre, l'altitude modérée de la chaîne implique un détachement récent.

Ces deux modèles s’excluent l'un l'autre : le détachement de panneau lithosphérique est incompatible avec une poursuite du retrait de panneau. Par contre, ils ont pu se succéder dans le temps : le détachement prenant le relais du retrait de panneau lithosphérique plongeant.

Il est très difficile de trancher entre ces deux modèles car ils permettent chacun de rendre compte de l'extension des zones internes. De plus, les résultats de tomographie télésismique et de tracés semblent montrer un panneau plongeant mais restent néanmoins compatibles avec les deux modèles proposés.

4. Conclusion

Des modèles géodynamique permettent d'expliquer, notamment dans les Alpes, la présence apparemment paradoxale de failles normales actives dans des contextes de convergence. Cette extension tardi-orogénique a plusieurs conséquences :

1) elle participe à "l'effacement des reliefs" :

⇒ seule, l'érosion ne peut être tenue responsable de la disparition des reliefs.

2) elle permet la mise à nu de parties profondes de la croûte.

3) la surface couverte par une vieille chaîne arasée ne reflète pas forcément l'étendue initiale de la chaîne (ex : la chaîne hercynienne devait être beaucoup plus étroite qu'elle ne l'est actuellement)

Pour résumer ........... un entretien avec un Jacques Malavieille sur ce sujet...

"Comment les montagnes disparaissent-elles ?" 

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