Un taux de collision rapide entre les plaques tectoniques et un jeune âge (millions d'années) sont deux facteurs qui favorisent l'enfoncement de la lithosphère dans le manteau, selon une nouvelle étude réalisée par des chercheurs de l'Institut des sciences de la Terre Jaume Almera du Conseil national espagnol de la recherche (ICTJA-CSIC). L'étude a été publiée récemment dans Rapports scientifiques .

Les auteurs de l'étude ont développé un nouveau modèle numérique pour étudier les effets du taux de convergence entre les plaques tectoniques et sa composition sur la densité du manteau lithosphérique favorisant ou évitant son affaissement lors des processus de subduction ou de délaminage.

« Le modèle conçu dans cette étude fournit un cadre méthodologique pour comprendre la stabilité de la lithosphère lors de la convergence des plaques tectoniques, " dit Kittiphon Boonma, doctorat étudiant du projet SUBITOP à l'ICTJA-CSIC et premier auteur de l'étude.

La lithosphère est la couche externe rigide de la Terre qui comprend la croûte et le manteau supérieur, formant les plaques tectoniques. Ces plaques flottent et se déplacent au-dessus de l'asthénosphère, une couche plus dense et plus visqueuse du manteau sous-lithosphérique. Dans les zones de convergence des plaques, l'une des plaques s'enfonce sous l'autre, pénétrant dans le manteau sous-lithosphérique. Ce serait le cas typique des zones de subduction de la lithosphère océanique. Une autre possibilité est que, dans les zones de collision continentales, le manteau lithosphérique de l'une des plaques se sépare (« se décolle ») de la croûte et s'enfonce dans l'asthénosphère dans un processus connu sous le nom de délaminage. Les deux processus sont sensibles à la densité du manteau lithosphérique qui, à la fois, dépend de la pression, température et composition chimique ou, qui est la même, de la vitesse de convergence et de l'âge de la lithosphère.

"Nos simulations combinent la composition lithosphérique pour différents âges de plaques avec un large spectre de taux de collision de plaques pour comprendre ce qui détermine la flottabilité positive ou négative de la lithosphère, " a déclaré Daniel García-Castellanos, chercheur à l'ICTJA-CSIC et co-auteur de l'étude.

"La principale avancée de notre travail est l'analyse de la dépendance de la flottabilité du manteau lithosphérique aux variations de densité résultant de l'équilibre advection-diffusion en considérant une large gamme de taux de convergence tectonique et différentes compositions chimiques du manteau lithosphérique, " dit Kittiphon Boonma.

Les chercheurs ont effectué plusieurs simulations avec le nouveau modèle en considérant trois types différents de lithosphère continentale, avec une tranche d'âge comprise entre 2,5 Ga et 1 Ga an, et deux lithosphères océaniques âgées de 120 et 30 millions d'années. Ils ont considéré six taux de convergence différents entre 1 et 80 mm/an. Les simulations visaient à observer l'effet des différents taux et compositions de collision sur la densité du manteau lithosphérique.

« Dans les processus de subduction ou de collision continentale, il y a deux effets opposés qui affectent la densité du manteau. La densité augmente en raison de l'augmentation de la pression mais, à la fois, elle tend à diminuer en raison de l'augmentation de température produite par la profondeur. La prédominance de l'un de ces deux effets dépendra de la vitesse de convergence. De plus, la densité du manteau dépend aussi de sa propre composition chimique et il a été observé qu'elle diminue avec l'âge, " explique Manel Fernández, co-auteur de l'étude.

Les résultats du modèle ont montré que le manteau lithosphérique continental le plus ancien et le plus épais (Archonte) était moins dense que l'asthénosphère et évitait le naufrage. A des taux de convergence faibles et modérés, les chercheurs ont découvert que les deux autres types de manteau lithosphérique continental sont passés de l'affaissement à la stabilité en raison de leurs épaisseurs plus minces et de la perte de densité induite par les augmentations de température dues à la profondeur. Durer, les deux types différents de lithosphère océanique ont toujours coulé, quel que soit le taux de convergence appliqué, en raison de leur plus grande densité dérivée de sa composition.

« D'après ces résultats, plus le taux de convergence entre deux continents est rapide, plus la probabilité que l'un d'eux se décolle ou coule vers le manteau est grande, " explique Daniel García-Castellanos.

"Les résultats suggèrent une explication sur la raison pour laquelle les jeunes plaques s'enfoncent souvent facilement dans le manteau, étant recyclés dans le manteau alors que les cratons (les plus anciennes régions continentales) semblent mieux résister aux changements des forces tectoniques au cours de l'évolution de la Terre et ils sont moins sujets à la subduction ou au délaminage, " a déclaré García-Castellanos.