Coésite et formation des montagnes

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Coésite et formation
des montagnes
MAURICE MATTAUER
herlock Holmes l’a démontré, il n’existe pas de crime
parfait, car les indices scientifiques qui subsistent après
le fait principal permettent d’en retracer le déroulement. Ainsi les indices constitués par la présence de
coésite, découverte récemment dans un grand nombre de
montagnes du Globe, nous renseignent, avec la datation
des roches, sur les mouvements des plaques, leur enfouissement, leur remontée et l’histoire des montagnes.
Au début de la tectonique des plaques, les géologues pensaient que la croûte continentale, relativement légère, ne pouvait s’enfoncer en force dans le manteau sous-jacent, lourd
et massif. La découverte de coésite a montré que cette
hypothèse était fausse et renouvelé notre vision de l’évolution de la surface du Globe.
La coésite est une forme particulière de la silice, de formule SiO2 ; à cette composition chimique correspondent six
minéraux différents. Le quartz, minéral très banal dans les
roches, les quartz α et β; la tridymite, la cristobalite, la coésite
et la stishovite. Chacune de ces espèces minérales est stable
dans un domaine spécifique de température et de pression
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et leur formation a été étudiée dans des autoclaves qui permettent de réaliser des pressions allant jusqu’à 250 kilobars
(un bar est environ égal à une atmosphère) à 2 500 °C. Ainsi
il est avéré que la coésite n’apparaît que lorsque la silice est
soumise à une très forte pression, entre 27 et 30 kilobars.
Comme cette pression n’est réalisée, dans les entrailles
de la Terre, qu’à des profondeurs supérieures à une centaine de kilomètres, les géologues avaient la certitude de ne
pas rencontrer ce minéral dans les roches, sinon au voisinage
des impacts de météorites, où le choc crée la pression
nécessaire. Jusqu’au jour où deux minéralogistes, spécialisés dans l’étude des minéraux qui se forment dans des roches
soumises à de très fortes pressions, découvrent par hasard
de la coésite en examinant des échantillons au microscope.
En 1983, Christian Chopin, de l’École normale supérieure
de Paris, repéra de la coésite dans les roches métamorphiques
du massif alpin de Dora-Maira, situé à 70 kilomètres au Sud
de Turin. Puis, en 1984, David Smith, du Muséum d’histoire
naturelle, fit la même découverte en Norvège, mais dans la
vieille chaîne calédonienne, qui a cessé de fonctionner depuis
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Ce minéral rare, né à 100 kilomètres de profondeur,
montre que les continents peuvent s’enfoncer dans le manteau.
Dans les Alpes, le Cervin est un bel exemple des charriages
qui ont accompagné la remontée des roches à coésite.
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400 millions d’années et qui a été érodée. Cette extraordinaire
découverte n’eut pas immédiatement le succès qu’elle méritait.
Les auteurs évoquèrent évidemment le mécanisme de la subduction continentale (enfoncement des plaques continentales
dans le manteau), mais sans imaginer les mécanismes qui avaient
permis à des roches de s’enfoncer jusqu’à 100 kilomètres de
profondeur et, surtout, de remonter ensuite très rapidement
jusqu’à la surface (pour que la coésite n’ait pas le temps de se
retransformer entièrement en quartz).
L’omniprésente coésite
Nombre de géologues se demandèrent si les valeurs très précises des très hautes pressions fournies par les minéralogistes
étaient fiables. Mais tout changea très vite après quelques
années, lorsqu’on découvrit de la coésite dans une vingtaine
de régions réparties sur toute la planète et correspondant à des
chaînes de montagnes de tous âges. Le phénomène était ainsi
général et il fallait en tirer des conclusions géodynamiques.
À ce jour, la plus vieille coésite se trouve au Mali et correspond à la chaîne «panafricaine», âgée de 600 millions d’années.
On trouva ensuite le minéral dans une chaîne de 500 millions
d’années au Kazakstan, puis dans la chaîne calédonienne –
vieille de 400 millions d’années environ – en Scandinavie et en
Chine, et dans la chaîne hercynienne – vers 300 millions d’années – de l’Europe de l’Ouest et de l’Oural. La région la plus
riche en coésite, et la plus célèbre, est chinoise ; elle est située à
environ 1 000 kilomètres au Sud de Pékin, dans le Dabie-Shan,
et à Sulu, mais une incertitude subsiste sur l’âge de cette coésite
qui, selon les auteurs, varie entre 220 et 700 millions d’années.
On devrait préciser cet âge grâce aux études qui vont être entreprises à l’occasion du grand sondage profond, prévu jusqu’à
5 000 mètres, qui va débuter dans quelques semaines. À ce
propos, notons que la première coésite d’Asie fut signalée au
Dabie-Shan, par Xu Zhiquin, dans la thèse qu’elle a soutenue
en 1987 à l’Université de Montpellier ; depuis plusieurs centaines de publications portent sur ce sujet.
Outre ces chaînes anciennes qui ont été rabotées par l’érosion et qui sont tout à fait inactives, on a repéré de la coésite
dans deux jeunes chaînes «alpines» qui se manifestent par
d’importants reliefs et qui sont toutes deux actives : les Alpes
et l’Himalaya. C’est seulement dans ces deux chaînes peu
érodées que l’on espère comprendre les mécanismes de la subduction continentale… car, en étudiant la géologie de surface, il n’y a que là qu’on peut reconstituer l’histoire récente
de ces deux régions et avoir, à l’aide de la sismicité, des informations sur les déformations profondes. Grâce à la coésite,
on a compris en quelques années que la subduction continentale était un phénomène très général concernant toutes
les grandes chaînes de montagnes ; il faut maintenant comprendre comment la coésite est apparue en examinant les
exemples les plus simples.
1. DANS LE MODÈLE DE COLLISION proposé en 1959 par D. McKenzie
(1), le déplacement des plaques continentales et océaniques fait qu’une
plaque océanique s’enfonce sous l’autre, mais les continents légers de la
plaque continentale sont insubmersibles et ils ne descendent pas dans le
manteau. Selon ce modèle, la coésite n’aurait pu se former. Dans les modèles
modernes, les continents sont poussés «en force» jusqu’à des profondeurs
atteignant une centaine de kilomètres, comme représenté ici pour la chaîne
de l’Himalaya : il se forme alors un prisme d’accrétion (2). Dans le modèle
analogique de A. Chemenda (3), une zone prismatique de la croûte,
remontée comme un bouchon, est encadrée par une faille de chevauchement et une faille d’extension. Dans cette zone de remontée rapide à l’échelle
géologique, on trouve la coésite cristallisée en profondeur.
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Parmi les lois de la tectonique des plaques formulées il
y a 30 ans, l’une d’elles postulait que les continents étaient
«insubmersibles». Cette loi avait été établie pour répondre
aux questions qu’on venait de se poser sur le phénomène
de la «collision». On parle de collision lorsque deux plaques
continentales, séparées par un océan, se rapprochent et entrent
en contact. Ce rétrécissement de l’océan se fait par une subduction océanique selon un mécanisme classique.
Comme beaucoup de collisions s’étaient produites au
cours des temps géologiques, il était important d’en prévoir les conséquences. Le problème fut d’abord traité d’une
Coupe actuelle
façon assez théorique par Dan McKenzie, géophysicien de
l’Université de Cambridge, en 1969. Il pensait qu’en raison
de la faible densité (2,7) de la croûte continentale par rapport à celle du manteau (3,3), il était impossible que la
croûte continentale s’enfonce dans le manteau et en déduisit que le système devait se bloquer et que le rapprochement des continents devait s’arrêter.
Cette argumentation fut jugée convaincante par la communauté scientifique. Le géologue John Dewey, alors à l’Université de Manchester, adopta ce point de vue et, en 1979, il
écrivait : «La collision de deux masses continentales bloque
le fonctionnement de la zone de subduction… Contrairement à la croûte océanique, la croûte continentale ne peut
pas disparaître dans les zones de subduction.»
C’est ainsi que cette loi de la tectonique des plaques, adoptée par la communauté internationale, a cautionné des modèles
de collision ne faisant appel à aucun enfoncement des plaques
continentales, tel le modèle du poinçon plat qui fut longtemps appliqué à la collision Inde-Asie. On avait oublié
que, 50 ans plus tôt, le géologue suisse Émile Argand, qui a
probablement été le géologue le plus célèbre du XXe siècle,
avait proposé, pour cette même collision, une interprétation tout à fait différente. Il avait prolongé le continent indien
sous l’Himalaya et sous le Tibet, en enfonçant la plaque continentale dans le manteau. Depuis 1944, Arthur Holmes a popularisé pendant 20 ans, dans son célèbre ouvrage Principles of
physical geology, ce gigantesque phénomène qui ne cessa jamais
d’être évoqué au début de la tectonique des plaques par
une petite minorité. Je m’y suis rallié en 1981, après avoir eu
la chance de voir sur le terrain (dans l’Himalaya et le Sud
du Tibet) les effets de la collision Inde-Asie, pour laquelle
on proposa le terme de subduction continentale.
Simulation du prisme d’accrétion
Reconstitution avant érosion
État il y a 30 à 40 millions d’années
2. SUR LE SITE DU CERVIN (en haut) affleurent des granites (1)
appartenant au continent européen, des roches à coésite (2) de
l’océan alpin avec, de bas en haut, des péridotites, des basaltes, des
gabbros et des sédiments marins. Le sommet (3) est constitué de
roches du continent Sud-alpin. Sur la coupe (au centre) reconstituée avant l’érosion, on a représenté les deux grandes nappes de
charriages (2) et (3) et le microcontinent de Sezia (4) initialement
situé au sein de l’océan alpin. État ancien des lieux (en bas) en coupe,
il y a 30 à 40 millions d’années. On a représenté en vert jaune les
roches – continentales et océaniques – ayant subi des cristallisations à très haute pression et remontées depuis de grandes profondeurs : c’est dans ces roches que l’on trouve de la coésite.
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Au cours des dix dernières années, ce concept intéressa de
plus en plus de disciplines, et une modélisation analogique
a été réalisée par Alexandre Chemenda, à l’Université de
Montpellier, puis de Nice. Ce géologue a expérimentalement
reproduit en laboratoire, après une «mise à l’échelle» très
soigneuse des matériaux utilisés, le fonctionnement d’une
collision et d’une subduction continentale, en s’inspirant
de l’exemple himalayen. Il a eu le mérite d’introduire, dans
l’expérience, l’érosion – trop généralement oubliée – qui a
grignoté les reliefs en surrection.
Avant cette modélisation, on avait seulement considéré
que la chaîne était la manifestation superficielle d’un
biseau triangulaire de croûte continentale (prisme d’accrétion), entraînée dans la zone de subduction continentale
jusqu’à une profondeur inférieure à 100 kilomètres.
L’expérimentation apporta deux résultats nouveaux :
d’une part, on s’aperçut que la croûte légère pouvait être
entraînée jusqu’à une profondeur équivalente d’environ
200 kilomètres et, d’autre part, on remarqua que si l’on dépassait une certaine quantité d’enfoncement, on assistait à la
remontée brutale d’un coin de croûte continentale encadré
par deux grandes failles. La première faille se terminait en
surface par un grand chevauchement. L’autre, en arrière, correspondait à une faille d’extension.
Le débat sur la prétendue insubmersibilité des continents avait beaucoup progressé, mais ce sont quelques
minuscules grains de coésite qui fournirent l’argument
le plus convaincant…
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La coésite dans l’Himalaya
L’équipe de P. O’Brien, à Postdam a découvert de la coésite
dans l’Himalaya du Pakistan, non loin du célèbre Nanga-Parbat (8145 mètres). Il nous a paru intéressant de présenter la
géologie de cette région et de rappeler l’évolution qu’elle a
subie depuis que la collision Inde-Asie s’est produite, il y a
plus de 50 millions d’années. Signalons d’abord que le «système» ne s’est pas «bloqué», puisque l’Inde n’a jamais cessé
de s’avancer vers le Nord, depuis la collision. À une vitesse
moyenne de cinq centimètres par an, elle a parcouru une
distance de 2000 kilomètres. Il s’est ainsi formé une gigantesque subduction continentale, qui s’est manifestée en surface par l’édification de la chaîne himalayenne. Celle-ci s’est
construite progressivement du Nord au Sud, par tranches
successives, chaque fois limitée par de grandes failles de
chevauchement. En allant du Sud au Nord et en reculant dans
le temps, on peut observer aujourd’hui: a) une faille bordière,
qui fonctionne sous nos yeux, à l’occasion de grands séismes;
b) un très grand chevauchement, bien visible dans la zone
centrale. Il a fonctionné il y a environ 20 millions d’années,
en même temps que naissait, plus au Nord, une faille d’extension; c) des chevauchements plus septentrionaux et plus
anciens remontent peut-être à 40 millions d’années.
On constate donc que la structure de la chaîne est assez
simple. Elle n’a jamais cessé de s’élargir en s’avançant sur le
continent indien, la plaque continentale continuant à s’enfoncer sous elle. En raison de cette simplicité, on se retrouve
dans les meilleures conditions pour retracer le mécanisme de
la formation de la coésite à grande profondeur et de sa remontée jusqu’à la surface.
La coupe de la chaîne, établie dans la région du Pakistan
où a été trouvée la coésite, permet de constater que le
modèle de A. Chemenda s’applique assez bien. Mais l’argument le plus fort est fourni par un profil tomographique qui
passe à proximité de cette coupe. En effet, il montre de façon
spectaculaire, qu’en profondeur, la plaque indienne a progressivement basculé jusqu’à la verticale et se prolonge jusqu’à 600 kilomètres de profondeur.
Comme il s’agit là de la première image connue d’une
subduction continentale, il est assez providentiel que la coésite
ait précisément été découverte dans cette région…
La coésite alpine au pied du Cervin
La première coésite découverte en 1983 dans le massif de Dora
Maira se trouvait dans des roches appartenant probablement
à la vieille chaîne hercynienne, âgée de plus de 300 millions
d’années. Ce n’est que beaucoup plus tard qu’elles ont subi
le métamorphisme alpin de très haute pression, au Tertiaire,
il y a quelque 40 millions d’années. En 1991, le pétrologue
allemand T. Reinecke a trouvé de la coésite dans des roches
différentes, des sédiments de mer profonde, d’âge jurassique
(160 millions d’années), qui se sont déposés dans l’océan
«alpin» avant la formation de la chaîne.
À l’époque, ces dépôts recouvraient des basaltes, des gabbros et des péridotites, en tout point comparables aux
roches qui constituent aujourd’hui le fond des océans. Là où
a été repérée la coésite, toutes ces roches apparaissent dans
un désordre total qui prouve qu’elles ont subi une déformation très importante. Ce n’est guère étonnant lorsque l’on sait
qu’elles ont d’abord été entraînées, en force, jusqu’à des
profondeurs de 90 à 100 kilomètres, et qu’elles se sont ensuite
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3. FRACTURES RADIALES D’UN GRENAT provoquées par l’augmentation de volume de la
silice qui s’est transformée en profondeur
en un cristal de coésite. La taille du cristal
est d’environ un millimètre. L’échantillon a
été découvert dans le Dabie Shan (Chine).
frayé un chemin, pas très tranquille, pour remonter jusqu’à
la surface. Aujourd’hui, toutes ces roches «océaniques» reposent à plat sur des roches «continentales», souvent constituées de granite. Elles appartiennent de ce fait à une nappe
de charriage qui s’est déplacée horizontalement, d’Est en
Ouest, sur de grandes distances (plus de 100 kilomètres).
En définitive, on se trouve en présence d’un exemple
différent de celui modélisé par A. Chemenda. Celui-ci faisait remonter des roches continentales «légères». Ici, il faut
faire remonter des roches océaniques relativement «lourdes»,
puisque les basaltes ont une densité de 2,8, les gabbros atteignent 2,9 et, au départ (avant leur transformation en serpentine), la densité des péridotites va jusqu’à 3,1 – 3,3. La
situation étant plus compliquée que dans l’Himalaya, il semble
nécessaire d’accoler une subduction continentale à une subduction océanique, afin de faire remonter des roches océaniques au dos de la remontée continentale. Est-ce possible?
La coupe géologique faite au niveau du Cervin
(4 477 mètres) situé à la frontière entre la Suisse et l’Italie,
donne une idée des difficultés que l’on rencontre pour passer de l’observation des structures actuelles, à la géométrie
d’une subduction océanique et continentale qui, dans un premier stade, s’est enfoncée à plus de 100 kilomètres de profondeur… Une des tâches que l’on oublie trop souvent est
celle qui consiste à imaginer la géométrie des structures qui
ont été enlevées par l’érosion et qu’il faut reconstituer dans
le ciel. C’est à ce propos qu’Émile Argand, l’un des inventeurs des nappes de charriage des Alpes, disait, il y a 80 ans:
«Retracer le jeu des mouvements qui réalisent le remplissage de l’espace est l’une des plus hautes spéculations de l’esprit humain.» Et aujourd’hui, il faut faire beaucoup plus,
puisqu’il faut essayer de reconstruire l’architecture des chaînes
jusqu’à plus de 100 kilomètres de profondeur, en ayant un
sens aigu du raisonnement à quatre dimensions (dans l’espace et dans le temps). Signalons que l’équipe de Jean-Marc
Lardeaux, de l’Université de Lyon, vient de découvrir dans
les Monts du Lyonnais, une très vieille coésite (âgée de plus
de 330 millions d’années) qui s’est formée dans la chaîne
hercynienne. Ainsi est confirmée pour la première fois la
notion de subduction continentale dans le Massif Central. Ici,
les reconstitutions sont encore plus délicates a cause de
l’érosion qui a totalement arasé la chaîne.
Nous avons commencé par observer au microscope
quelques millimètres de coésite, et nous voici en train d’utiliser la tomographie sismique pour connaître la géométrie
des plaques qui s’enfoncent dans le manteau. Dans les chaînes
de montagnes, la tectonique des plaques ne fait que commencer, et dans les Alpes, l’essentiel reste à faire. L’insubmersibilité des continents a trop longtemps été imagée par
la devise de la ville de Paris Fluctuat nec mergitur. Il faudra
désormais dire Fluctuat et mergitur.
Maurice MATTAUER est professeur émérite à l’Université de
Montpellier.
A. CHEMENDA et al. (2000): Model of Himalaya-Tibet System,
in Earth and Planetary Science Letters, vol. 174, pp. 397-409, 2000.
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