L'activité de la Terre solide, par exemple, volcans à Java, tremblements de terre au Japon, etc.—est bien compris dans le contexte de la théorie de la tectonique des plaques vieille d'environ 50 ans. Cette théorie postule que l'enveloppe extérieure de la Terre (la « lithosphère » de la Terre) est subdivisée en plaques qui se déplacent les unes par rapport aux autres, concentrant la plupart des activités le long des frontières entre les plaques. Cela peut surprendre, alors, que la communauté scientifique n'a pas de concept ferme sur la façon dont la tectonique des plaques a commencé. Ce mois-ci, une nouvelle réponse a été proposée par le Dr Alexander Webb de la Division des sciences de la Terre et des planètes et du Laboratoire de recherche spatiale de l'Université de Hong Kong, en collaboration avec une équipe internationale dans un article publié dans Communication Nature . Webb sert d'auteur correspondant sur le nouveau travail.

Le Dr Webb et son équipe ont proposé que la coquille de la Terre primitive se soit réchauffée, ce qui a causé une expansion qui a généré des fissures. Ces fissures se sont développées et se sont fusionnées en un réseau mondial, subdivisant la coquille de la Terre primitive en plaques. Ils ont illustré cette idée par une série de simulations numériques, en utilisant un code de mécanique de la rupture développé par le premier auteur de l'article, Professeur Chunan Tang de l'Université de technologie de Dalian. Chaque simulation suit la contrainte et la déformation subies par une coque en expansion thermique. Les coquilles peuvent généralement supporter environ 1 km de dilatation thermique (le rayon de la Terre est d'environ 6371 km), mais une expansion supplémentaire conduit à l'initiation de fractures et à l'établissement rapide du réseau mondial de fractures (Figure 1).

Bien que ce nouveau modèle soit assez simple, la première coquille de la Terre s'est réchauffée, étendu, et fissuré—superficiellement, ce modèle ressemble à des idées longtemps discréditées et contraste avec les préceptes physiques de base de la science de la Terre. Avant la révolution de la tectonique des plaques des années 1960, Les activités de la Terre et la répartition des océans et des continents ont été expliquées par une variété d'hypothèses, y compris l'hypothèse dite de la Terre en expansion. Des sommités comme Charles Darwin ont avancé que les tremblements de terre majeurs, construction de montagne, et on pensait que la distribution des masses terrestres résultait de l'expansion de la Terre. Cependant, parce que la principale source de chaleur interne de la Terre est la radioactivité, et la décroissance continue des éléments radioactifs signifie qu'il y a moins de chaleur disponible à mesure que le temps avance, la dilatation thermique pourrait être considérée comme beaucoup moins probable que son contraire :la contraction thermique. Pourquoi, alors, le Dr Webb et ses collègues pensent-ils que la lithosphère primitive de la Terre a connu une expansion thermique ?

"La réponse réside dans la considération des principaux mécanismes de perte de chaleur qui auraient pu se produire pendant les premières périodes de la Terre, " dit le Dr Webb. " Si l'advection volcanique, transporter de la matière chaude de la profondeur à la surface, était le principal mode de déperdition de chaleur précoce, cela change tout." La dominance du volcanisme aurait un effet paralysant inattendu sur l'enveloppe extérieure de la Terre, comme documenté dans les travaux antérieurs du Dr Webb et co-auteur du Dr William Moore (publié dans La nature en 2013).

En effet, de nouveaux matériaux volcaniques chauds prélevés dans les profondeurs de la Terre auraient été déposés sous forme de matériaux froids à la surface - la chaleur serait perdue dans l'espace. L'évacuation en profondeur et l'entassement en surface auraient finalement nécessité que le matériau de surface coule, amener la matière froide vers le bas. Ce mouvement descendant continuel des matériaux de surface froids aurait eu un effet de refroidissement sur la lithosphère primitive. Parce que la Terre se refroidissait globalement, la production de chaleur et le volcanisme correspondant auraient ralenti. En conséquence, le mouvement descendant de la lithosphère aurait ralenti avec le temps, et donc même alors que la planète dans son ensemble se refroidissait, la lithosphère refroidie aurait été de plus en plus réchauffée par conduction à partir de matériaux chauds et profonds situés en dessous. Ce réchauffement aurait été à l'origine de la dilatation thermique invoquée dans le nouveau modèle. La nouvelle modélisation montre que si la lithosphère solide de la Terre est suffisamment dilatée thermiquement, ça se briserait, et la croissance rapide d'un réseau de fractures diviserait la lithosphère terrestre en plaques.

Le Dr Webb et ses collègues continuent d'explorer les premiers développements de notre planète, et des autres planètes et lunes du système solaire, via une base de terrain intégrée, analytique, et études théoriques. Leurs explorations sur le terrain les amènent sur des sites lointains en Australie, Groenland, et l'Afrique du Sud; leur recherche analytique sonde la chimie des roches anciennes et de leurs composants minéraux; et leurs études théoriques simulent divers processus géodynamiques proposés. Ensemble, ces études ébranlent l'un des plus grands mystères de la science planétaire :comment et pourquoi la Terre est-elle passée d'une boule en fusion à une tectonique des plaques ?