La croûte terrestre « dégouline » sous les Andes depuis des millions d’années

Tout comme le miel qui coule lentement d’une cuillère, des parties de la couche rocheuse la plus externe de la coquille terrestre s’enfoncent continuellement dans la couche plus fluide du manteau de la planète au cours de millions d’années. Connu sous le nom d’égouttement lithosphérique – du nom de la fragmentation des matériaux rocheux qui composent la croûte terrestre et le manteau supérieur – le processus entraîne des déformations importantes à la surface telles que des bassins, des plissements de la croûte et des élévations irrégulières.

Bien que le processus soit un concept relativement nouveau dans le domaine vieux de plusieurs décennies de la tectonique des plaques, plusieurs exemples d’égouttement lithosphérique dans le monde ont été identifiés – le plateau central anatolien en Turquie et le Grand Bassin dans l’ouest des États-Unis, pour deux. Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par des scientifiques de la Terre de l’Université de Toronto a confirmé que plusieurs régions des Andes centrales en Amérique du Sud se sont formées de la même manière.

Et ils l’ont fait en utilisant des matériaux disponibles dans n’importe quelle quincaillerie et point de vente de fournitures d’art.

« Nous avons confirmé qu’une déformation à la surface d’une zone des Andes entraîne une avalanche d’une grande partie de la lithosphère en dessous », déclare Julia Andersen, titulaire d’un doctorat. candidat au département des sciences de la Terre à l’U de T et auteur principal d’une étude publiée dans Communications Terre & Environnement.

« En raison de sa haute densité, il coulait comme du sirop froid ou du miel plus profondément à l’intérieur de la planète et est probablement responsable de deux événements tectoniques majeurs dans les Andes centrales – déplaçant la topographie de surface de la région de centaines de kilomètres et à la fois écraser et étirer le croûte de surface elle-même.

« Dans l’ensemble, les résultats aident à définir une nouvelle classe de tectonique des plaques et peuvent avoir des implications pour d’autres planètes telluriques qui n’ont pas de tectonique des plaques semblable à la Terre, telles que Mars et Vénus. »

L’égouttement lithosphérique se produit lorsque des parties de la couche la plus basse de la coque externe de la Terre s’épaississent et commencent à s’égoutter dans le manteau en dessous lorsqu’elles sont réchauffées à une certaine température.

Au fur et à mesure que les fragments s’enfoncent dans le manteau inférieur, ils forment d’abord un bassin à la surface qui surgit plus tard lorsque le poids en dessous se détache et s’enfonce plus profondément dans les profondeurs du manteau. Cela se traduit par un balancement vers le haut de la masse terrestre sur des centaines de kilomètres.

Le plateau andin central est défini par les hauts plateaux de la Puna et de l’Altiplano et s’est formé pour la première fois lorsque la plaque de Nazca a glissé sous la plaque sud-américaine au cours du processus bien documenté de subduction de la tectonique des plaques, au cours duquel une partie de la plus lourde des deux plaques tectoniques coule. dans le manteau lorsqu’ils convergent.

Des études antérieures ont suggéré, cependant, que l’augmentation ultérieure de la topographie des Andes centrales n’a pas été uniforme dans le temps, mais a plutôt été construite par des impulsions sporadiques de soulèvement tout au long de l’ère cénozoïque qui a commencé il y a environ 66 millions d’années.

Les estimations géologiques indiquent que le moment et le mécanisme relatifs du soulèvement dans la région et les styles de déformation tectonique sont différents entre les plateaux de la Puna et de l’Altiplano. Le plateau de Puna est caractérisé par une élévation moyenne plus élevée et comprend plusieurs bassins intérieurs isolés, tels que le bassin d’Arizaro et le bassin d’Atacama, et des centres volcaniques distincts.

« Diverses études invoquent le retrait de la lithosphère pour expliquer la déformation de surface généralisée et l’évolution des plateaux non liées à la subduction », déclare le professeur de sciences de la Terre Russell Pysklywec, co-auteur de l’étude et doctorat d’Andersen. superviseur. « En outre, le raccourcissement de la croûte à l’intérieur du bassin d’Arizaro est bien documenté par le pliage et les failles de chevauchement locales, mais le bassin n’est pas délimité par des limites de plaques tectoniques connues, ce qui indique qu’un processus géodynamique plus localisé se produit. »

Les géoscientifiques ont utilisé les archives des roches sédimentaires pour suivre les changements d’élévation de la surface des Andes centrales depuis l’époque du Miocène, il y a environ 18 millions d’années. L’imagerie sismique fournit une image à distance de l’intérieur de la Terre un peu comme une échographie pour un corps humain, éclairant une nouvelle vue des structures de goutte à goutte lithosphériques.

Andersen et ses collègues affirment que des études géologiques antérieures apportent des preuves de gouttes lithosphériques dans la région, mais les processus dynamiques de gouttes lithosphériques et leur rôle dans la conduite de la tectonique de surface locale dans ces prétendus cas géologiques sont incertains. Pour la plupart, les prédictions des modèles géodynamiques n’ont pas été testées dans le contexte d’observations géologiques ou géophysiques régionales directes.

Ainsi, l’équipe s’est mise à développer des modèles de laboratoire analogiques avec des contraintes géologiques et géophysiques pour recréer ce qui s’est passé au cours de milliers de siècles et tester leur hypothèse selon laquelle l’évolution topographique et tectonique des bassins de l’arrière-pays des Andes centrales a été causée par des processus lithosphériques de goutte à goutte.

 » Reconnaissant les échelles de temps et de longueur massives impliquées dans ces processus – des millions d’années et des centaines de kilomètres – nous avons conçu des expériences de laboratoire tridimensionnelles innovantes utilisant des matériaux tels que le sable, l’argile et le silicone pour créer des modèles analogiques à l’échelle des processus de goutte à goutte « , Andersen dit. « C’était comme créer et détruire des ceintures de montagnes tectoniques dans un bac à sable, flottant sur un bassin simulé de magma, le tout dans des conditions mesurées sub-millimétriques incroyablement précises. »

Les modèles ont été construits à l’intérieur d’un réservoir en plexiglas avec un ensemble de caméras positionnées au-dessus et à côté du réservoir pour capturer tout changement. Le réservoir a d’abord été rempli de polydiméthylsiloxane (PDMS) – un fluide polymère de silicone environ 1 000 fois plus épais que le sirop de table – pour servir de manteau inférieur de la Terre. Ensuite, la section la plus solide du manteau a été reproduite à l’aide d’un mélange de PDMS et d’argile à modeler et placée dans le réservoir au-dessus du manteau. Enfin, une couche semblable à du sable faite d’un mélange de sphères de céramique de précision et de sphères de silice a été posée sur le dessus pour servir de croûte terrestre.

Les chercheurs ont activé le modèle en insérant une graine à haute densité dans le PDMS et la couche d’argile à modeler, pour initier une goutte qui a ensuite été tirée vers le bas par gravité. Les caméras à l’extérieur du réservoir fonctionnaient en continu, capturant une image haute résolution à peu près toutes les minutes.

« Le goutte à goutte se produit pendant des heures, vous ne verrez donc pas grand-chose se passer d’une minute à l’autre », explique Andersen. « Mais si vous vérifiiez toutes les quelques heures, vous verriez clairement le changement – cela demande juste de la patience. » L’étude présente des instantanés toutes les 10 heures pour illustrer la progression du goutte à goutte.

Les chercheurs ont ensuite croisé la taille de la goutte et les dommages causés à la réplique de la croûte à des intervalles de temps sélectionnés pour voir comment leurs processus à l’échelle correspondaient aux enregistrements sédimentaires des zones en question sur des millions d’années.

« Nous avons comparé les résultats de nos modèles aux études géophysiques et géologiques menées dans les Andes centrales, en particulier dans le bassin d’Arizaro, et avons constaté que les changements d’élévation de la croûte causés par le ruissellement dans nos modèles suivent très bien les changements d’élévation de l’Arizaro. Bassin », dit Andersen. « Nous avons également observé un raccourcissement de la croûte avec des plis dans le modèle ainsi que des dépressions en forme de bassin à la surface, nous sommes donc convaincus qu’un égouttement est très probablement la cause des déformations observées dans les Andes. »

Les chercheurs suggèrent que les résultats visent à clarifier le lien entre les processus du manteau et la tectonique de la croûte, et comment ces processus géodynamiques peuvent être interprétés avec des épisodes observés ou déduits de retrait lithosphérique. « Les découvertes montrent que la lithosphère peut être plus volatile ou fluide que nous ne le pensions », explique Pysklywec.