Jean Dercourt
Naissance de l'idée de mobilité continentale De la dérive des continents à la tectonique des plaques : une épopée scientifique
Reference 4 Version 1 Date 25/10/2012
Text / Première partie
Première partie

La connaissance de la géographie de la Planète s'est façonnée, au cours des siècles, toujours en étroite liaison avec l'activité humaine. C'est ainsi que la forme générale des côtes était connue grâce aux relevés nécessaires à l’activité des bateaux de pêche, de guerre et de commerce. Au XVIIIe siècle, l'essentiel du tracé des côtes est établi et les cartes primitives de cette époque permettent de saisir les principales lignes de la géographie de la Terre. À l'intérieur des continents, les chaînes de montagnes sont localisées comme le sont les grands bassins sédimentaires, les principaux fleuves. À partir de la fin du XVIIIe siècle, des synthèses commencèrent à être établies ; celles que nous allons citer sont liées aux données scientifiques qui, depuis peu, se développaient dans ce domaine. Nous allons présenter, à grands traits, les principales étapes qui rendent compte de la géologie de la Planète, discipline dont l’essor débutait à peine au XVIIIe siècle. Nous présenterons, tout d'abord, les précurseurs en nous tenant aux Français, successivement Buffon, Cuvier et Élie de Beaumont. À la fin du XVIIIe siècle, le schéma général était posé et la géologie devenait plus claire, mais elle ne disposait d'aucune technique permettant d'évaluer avec certitude le temps passé et était démunie presque totalement d'information sur les fonds des océans, soit sur les 2/3 de la surface de notre planète. C’est au début du XXe siècle que les travaux sur la radioactivité donnèrent l’outil pour mesurer les temps géologiques. Quant à l’étude des océans, la première partie du XXe siècle vit les premiers pas de leur étude et le débat sur la dérive des continents. Ce n’est que dans la seconde moitié du siècle que la tectonique des plaques établit la pertinence des hypothèses de Wegener.

Buffon (1707-1788)

Auteur prolixe et expérimentateur inventif, Georges-Louis Leclercq, comte de Buffon résume dans ses Époques de la Nature (1778) l'ensemble de ses travaux en décrivant les étapes de formation de la Planète en 7 époques :

  • Un fragment arraché du Soleil devint un ellipsoïde de révolution : la Terre ;
  • Refroidissement progressif menant à la consolidation jusqu’au cœur en une masse vitreuse et à la formation de la lithosphère et des montagnes primitives ;
  • L’extension des mers, traduite par les dépôts calcaires ;
  • Retrait des mers provoquant le creusement des vallées ;
  • Peuplement par de grands animaux cantonnés dans l’hémisphère nord ; modification de la température du globe ;
  • Affaissement de secteurs de la croûte qui donne place aux océans ;
  • Naissance de l’humanité.

D’expériences, dans ses ateliers de métallurgie de sa propriété de Montbard, concernant le chauffage de boulets métalliques brusquement refroidis, Buffon observa que ce refroidissement brutal provoquait des surfaces irrégulières faites de creux et de bosses limités par des cassures; il en fit une image du refroidissement de la Planète.

En outre par comparaison avec le temps de refroidissement des boulets de métal, d’argile ou de roche, Buffon propose une datation de certaines de ces étapes. C'est ainsi que pour l'âge de l’individualisation de ce qui deviendra notre planète Terre, il propose successivement 25 000, 50 000 puis 75 000 ans. Cet âge lui semble encore insuffisant, mais il remet en cause les données connues de l'époque. La naissance de la Terre était datée à 4004 ans avant J.-C. par l'évêque James Ussher (1581-1656) dont les conclusions se fondaient sur une lecture de la Bible. Il est significatif que des historiens des sciences, scrutant des manuscrits de Buffon, découvrirent des datations s'élevant à plusieurs millions d'années, mais que Buffon ne publia jamais. Le public de l'époque et, en particulier les Églises, en auraient pris ombrage ! Cela arriva malgré les précautions de Buffon. Il dut fuir, menacé d’emprisonnement. Les 7 époques de Buffon constituèrent longtemps, la base de toute étude géologique à l'échelle de la Terre.

Cuvier (1769-1832)

Paléontologue, Jean Léopold Nicolas Frédéric Cuvier, dit Georges Cuvier, fut l'un des fondateurs de la discipline. Il décrivit la constitution de la surface de la Terre à partir d’un schéma allant du sommet des montagnes jusqu'à la côte océanique : granite et roches voisines au sommet, puis roches cristallines en bancs lités (roches métamorphiques) – toutes deux azoïques – auxquelles succèdent des masses argileuses riches en fossiles, puis jusqu'à la mer, des roches crayeuses où abondent des coquillages calcaires. Il y a donc eu, sur la Planète, une époque sans vie puis, brutalement, la vie apparut. Les couches d’argiles et de craie livrent des fossiles fort différents de ceux des roches sus-jacentes et sous-jacentes. Il en déduit que les organismes vivants apparaissent brutalement et disparaissent de même, liés à des révolutions qu’Alcide d’Orbigny considérera comme des catastrophes, leur apparition étant des créations ex nihilo.

Cuvier a ainsi jeté les bases d'une succession de temps caractérisés par des espèces fossiles : une échelle des temps fournissant des jalons chronologiques mais sans unité de temps ; c’est la base de l'échelle stratigraphique qui, de nos jours, est encore très utilisée. Mais, bien évidemment, elle ne fournit aucune donnée exprimée avec une unité de temps.

Élie de Beaumont (1798-1874)

Nommé Directeur du service de la Carte Géologique de France à partir de 1829 Jean-Baptiste Armand Louis Léonce Élie de Beaumont structura les travaux précurseurs en vulgarisant et généralisant l'idée que la planète Terre avait une instabilité due au refroidissement permanent (non achevé) de la planète initiale. Il souligna que l'intérieur de la Terre se contractant par refroidissement, les couches externes se fracturaient par de grandes failles, essentiellement verticales. Ce principe fut adopté par la collectivité scientifique. Il apparaît ainsi que les chaînes de montagnes sont entourées de régions basses collectant les eaux de pluie et accumulant les roches sédimentaires ; les océans étaient des pans effondrés de la croûte. Ce modèle se perpétua et, à titre d'exemple, on citera la carte de É. Haug (1900) où sont localisés des fossés, dits géosynclinaux, à la limite des continents et des océans (Fig. 1). On constatera, sur cette figure, que ceci correspond aux chaînes de montagnes de la Planète, quel que soit l'âge de leur formation. D'autres géosynclinaux sont des sites de formation des chaînes en construction.

Figure 1 : Les géosynclinaux au Crétacé (d’après Haug, 1900).
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Figure 1 : Les géosynclinaux au Crétacé (d’après Haug, 1900).
Wegener (1880-1930)

Géophysicien de formation, spécialisé en météorologie, il a effectué ses recherches au Groenland où il accomplit plusieurs missions. Ayant été blessé grièvement au cours de la 1re guerre mondiale, il put au cours d’une longue convalescence développer sa conception de la dérive des continents formulée en 1912. Après la guerre, il reprit ses missions au Groenland. Il y décède en 1930 en portant secours à des membres de la mission de météorologie qu’il dirige et qui devait analyser la dynamique des vents (l’aviation civile et militaire se développait alors en Allemagne).

Dès 1910, Alfred Wegener avait été frappé par l'observation d'une carte où figurait l'emboitement des côtes de l'Afrique dans celles de l'Amérique du Sud. Il prononça, en 1912, une conférence qui fit assez rapidement scandale : il bousculait totalement l'image de la géographie de la planisphère et il le fit en contradiction avec les connaissances sismiques de l'époque ; il représentait la Planète par une figure très simpliste (Fig. 2) qu'il ne modifia jamais.

Figure 2 : Coupe au niveau d’un grand cercle passant par l’Amérique du Sud et l’Afrique
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Figure 2 : Coupe au niveau d’un grand cercle passant par l’Amérique du Sud et l’Afrique (selon Wegener, 1912).
Figure 3 : Coupe schématique d’un bord continental.- Tiretets horizontaux = Eau
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Figure 3 : Coupe schématique d’un bord continental. Tiretets horizontaux = Eau (selon Wegener, 1912).

Dans ce même article, il figure la bordure d'un continent sialique s'enfonçant dans le sima (Fig. 3). Pour A. Wegener, les continents et le plancher océanique reposent sur le sima. Ce n'est qu'en 1922, qu'il publia un petit volume qui fournit de nombreux arguments naturalistes relevant de différents domaines disciplinaires (terrains à modelés glaciaires et surtout arguments paléontologiques), en faveur de sa théorie. En particulier, il cite l'existence de gigantesques nappes de charriage en Asie Centrale qui impliquent des chevauchements intercontinentaux tels ceux montrés (Fig. 4 et 5) par P. Termier (1903) et É. Argand (1924). Dans les dernières pages, A. Wegener propose des mécanismes permettant la dérive des continents. Il associe 2 types de forces : les forces de Coriolis qui sont sensées déplacer vers l'Ouest et une autre force, très connue des météorologistes (force d'Eötvös), déviant les objets vers l'Équateur.

Figure 4 : Structure du Zillertal selon P. Termier (modifié d’après P. Termier, 1903, p. 734). G : Zentralgneis, T : calcaire triasique, g : Grauwackengneis, S : Schieferhülle, Q : quartzites triasiques, P : phyllades de Pinzgau, W : schistes fortement sériciteux.
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Figure 4 : Structure du Zillertal selon P. Termier (modifié d’après P. Termier, 1903, p. 734). G : Zentralgneis, T : calcaire triasique, g : Grauwackengneis, S : Schieferhülle, Q : quartzites triasiques, P : phyllades de Pinzgau, W : schistes fortement sériciteux.
Figure 5. Explication de la formation des montagnes par le rapprochement et la collision des deux croûtes continentales (selon É. Argand, 1924).
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Figure 5 : Explication de la formation des montagnes par le rapprochement et la collision des deux croûtes continentales (selon É. Argand, 1924).

Dans le même volume, figurent 3 planisphères en projection d’Hammer-Aitoff qui montrent la totalité de la terre et 3 globes en projection orthographique oblique. Seule la première projection permet une image complète des continents et des océans. A. Wegener représente ainsi 3 époques : Alt-Quatär (Quaternaire ancien), Eozän (Eocène), et Jung-Karbon (Carbonifère terminal) où les continents sont localisés dans leur paléoposition (Fig. 6). L’âge de ces cartes nécessite un commentaire stratigraphique en regard des connaissances actuelles (voir infra). Mais lors du congrès de l'Association Américaine des Géologues pétroliers (AAPG) en 1926 ces représentations furent récusées très rapidement par les sismologues puisqu'elles violaient totalement une vérité qui était alors établie, à savoir : la croûte océanique sial et sima sont en phase solide. Il était donc exclu qu'un continent se déplace.

Figure 6 : Les reconstitutions de Wegener en regard de celles obtenues avec les paramètres de la tectonique des plaques.
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Figure 6 : Les reconstitutions de Wegener en regard de celles obtenues avec les paramètres de la tectonique des plaques.
Un rideau noir tombe sur la scène

Alors qu'une opposition forte existait, des travaux furent entrepris par A. Du Toit pour vérifier l’identité des flores dans les dépôts permo-carbonifères d'Afrique du Sud et ceux d'Amérique du Sud. Son rapport confirma l'identité floristique des deux ensembles (Du Toit, 1926 ; Du Toit & Reed, 1927). D'autres vérifications furent obtenues dans le « bushweld » où des fragments de roches sialiques étaient inclus dans un ciment de roches relevant du sima. Il y avait là un argument montrant l'aptitude du sima à s'injecter dans le sial (il n'était donc pas totalement rigide).

Cependant en 1928, l'Association Américaine des Géologues pétroliers rejeta l'hypothèse d'une dérive des continents. On reprochait à A. Wegener de ne pas expliquer comment se faisait la dérive. Cette unanimité des sismologues porta aux réflexions un tel coup d'arrêt que celles-ci s'épuisèrent progressivement. C'est ainsi qu'en France, P. Termier, promoteur du chevauchement des Alpes autrichiennes sur le Nord, ne partit pas en guerre contre cette attitude anti dérive.

Holmes (1890-1965) : de la radioactivité en géologie

Henri Becquerel (1896) et Marie Curie (1903) découvrent la radioactivité. La création de chaleur dans les réactions radioactives implique le postulat d'un refroidissement continu du noyau central de la Planète. La connexion avec la géologie fut considérable. En 1924, M. Sage publie Géologie et radioactivité ; l'existence d'un sial et d'un sima, tous deux solides, était mise en doute. Les courants de convection dans le sima furent proposés par cet auteur. Wegener en avait eu l'intuition et le signalait dans sa dernière édition en 1929, mais ne l'avait pas retenue, sans l'exclure cependant.

D’autres chercheurs, en particulier Arthur Holmes (1929, publié en 1931), invoquèrent des courants de convection comme susceptibles de déplacer des continents.

Au moment où paraît l'article d’A. Holmes, l'hypothèse de Wegener a été rejetée par la majorité de la communauté scientifique. Mais A. Holmes se rend compte que le taux d'éléments radioactifs dans les roches internes impose l'existence de courants de convection et que pour éviter un chauffage permanent, il faut un processus pour évacuer la chaleur interne ; un processus tel que la dérive des continents (Fig. 7).

Figure 7 : Modèle de dérive continentale par convection (selon A. Holmes, 1929-1931).
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Figure 7 : Modèle de dérive continentale par convection (selon A. Holmes, 1929-1931).

Mais ce n’était pas là les premiers travaux de A. Holmes sur la radioactivité en géologie. Utilisant la méthodologie de E. Rutherford, il publie, dès 1913, les premières datations radiochronologiques de quelques étages stratigraphiques. Avec A. Holmes, on passe de la chronologie relative à la chronologie absolue. En 1937, A. Holmes présente la première échelle des temps géologiques avec des âges absolus.

Des connaissances du fond océanique à la tectonique des plaques

Pendant la 2e guerre mondiale, la destruction de Pearl Harbour (7 décembre 1941) montre l'importance de la maîtrise des mers. Les États-Unis et la Grande-Bretagne, en particulier, investissent dans la recherche scientifique et technologique concernant les océans. Ceci se poursuivit très activement par des recherches théoriques (école de Hess) qui examinera les courants de convection dans le sima. L'étude du socle océanique lui-même permit de localiser de grandes fissures par lesquelles le sima profond basaltique remontait en écartant les lèvres de ces grandes failles, zones d'expansion océanique. En outre, ce basalte enregistrait les caractéristiques du magnétisme terrestre ; des bandes symétriques purent ainsi être repérées et on y lit une version de la formation de la croûte océanique (Fig. 8).

Figure 8. Schéma illustrant la configuration et le rôle respectifs de la lithosphère, de l’asthénosphère et de la mésosphère. Les flèches indiquent les mouvements relatifs des blocs principaux. Les flèches dans l’asthénosphère sont hypothétiques (d’après B.L. Isacks et al., 1968).
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Figure 8 : Schéma illustrant la configuration et le rôle respectifs de la lithosphère, de l’asthénosphère et de la mésosphère. Les flèches indiquent les mouvements relatifs des blocs principaux. Les flèches dans l’asthénosphère sont hypothétiques (d’après B.L. Isacks et al., 1968).

L'étude du fond des océans devint un sujet majeur, comme l'était aussi la recherche spatiale. En 1968, trois jeunes chercheurs : Morgan, Mac Kenzie et Le Pichon présentèrent les faits qui leur permettaient de démontrer l'expansion océanique, moteur de la dérive des continents. La tectonique des plaques était née : les continents n'étaient pas des parties de la « croûte océanique » qui se déplaçaient de façon autonome, comme le voulait Wegener, mais ce sont des blocs statiques posés sur un tapis simique se déplaçant (Fig. 9).

Figure 9. Le modèle de plaques (selon X. Le Pichon, 1968)
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Figure 9 : Le modèle de plaques (selon X. Le Pichon, 1968).
Conclusion

Comme l’avait proposé A. Wegener, les continents dérivent les uns par rapport aux autres et par rapport à l’axe de la planète. A. Wegener s’appuyait sur des arguments essentiellement géologiques, aujourd’hui confirmés, mais aussi sur des arguments géodésiques très problématiques ; il évoquait un mécanisme de la dérive et reconnaissait que « de nouvelles recherches sont nécessaires pour arriver à un résultat définitif ».

Il convient de garder à l'esprit qu'à cette époque les océans n'étaient que très rudimentairement connus :

  • la première carte des fonds océaniques fut établie en 1905 par le Prince Albert de Monaco, mandaté par la toute jeune société océanographique internationale ;
  • la mesure des temps géologiques ne put être réalisée qu'après la découverte de la radioactivité, en 1896 ;
  • l'énergie nucléaire présente dans les couches profondes de la Terre permettait de suggérer l'existence de courants de convection dans le sima.

Grâce à ces trois champs de connaissances, on a pu passer de l'hypothèse de la dérive des continents à la théorie de la tectonique des plaques (Fig. 6).

Nous avons là un exemple illustrant la manière dont la science progresse : partant de faits, le scientifique émet une hypothèse mais celle-ci, le plus souvent, ne pourra être confirmée que lors de l'apport de nouvelles données ; il pourra alors formuler une théorie et la vérifier.

La vérité scientifique d'un moment est incomplète donc instable.

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