Une tectonique des plaques sur Mars ?

Le magnétomètre de la sonde Mars Global Surveyor vient d'aboutir à une découverte pour le moins spectaculaire. L'instrument aurait détecté à la surface de Mars, sur les terrains de l'hémisphère sud, une alternance de bandes qui montrent chacune une inversion du champ magnétique fossile de Mars. Les premiers résultats basés sur ses observations ont été publiés le 30 avril 1999 dans la fameuse revue Science. Cette structure en peau de zèbre est tout à fait similaire à celle que l'on a découvert dans les années 70 sur le plancher des fonds océaniques. La découverte de cette peau de zèbre, nous allons le voir, a été à l'origine de l'hypothèse de l'expansion des fonds océaniques et a constitué l'une des preuves indéniables de la réalité du concept de tectonique des plaques. Les bandes observées par Global Surveyor pourraient bien être à leur tour la preuve d'une tectonique des plaques martiennes !

Les inversions du champ magnétique, ou comment rendre fou une boussole !

Si vous entendez parler pour la première fois d'inversion du champ magnétique, il est compréhensible que vous soyez plutôt surpris. On le serait à moins. Pensez donc ! Une inversion du champ magnétique, cela signifie que l'aiguille d'une boussole change carrément de direction. Au lieu de pointer vers l'un des pôles d'une planète, la voici qui pointe maintenant vers l'autre !

Et pourtant, le champ magnétique de la Terre s'est ainsi inversé des centaines de fois, rien qu'au cours des derniers cent millions d'années. La découverte des inversions du champ magnétique date du début du siècle, et est due aux travaux du français Bernard Brunhes (en 1906) et du japonais Motonari Matuyama (en 1920). Brunhes et Matuyama s'aperçoivent que l'on peut classer certaines roches terrestres en deux catégories, selon leurs propriétés magnétiques. Le premier groupe renferme les roches qui affichent la même polarité que celle du champ magnétique actuel (roche à polarité dite normale), alors que d'autres montrent au contraire une polarité inverse par rapport à celle du champ magnétique qui prévaut actuellement (roche à polarité dite inverse). L'idée d'une inversion du champ magnétique terrestre n'est cependant pas acceptée immédiatement. Il faut attendre les années 1950 pour qu'elle commence à être prise sérieusement en considération. Il est alors logique de penser que l'on va trouver sur Terre des roches à polarité inverse un peu partout, et qu'elles seront positionnées de façon aléatoire et isolée par rapport aux roches dites normales. Ce sera une grande surprise de découvrir qu'au contraire, les deux types de roches vont former des motifs parfaitement reconnaissables ... sur le fond des océans !

Petite histoire d'une grande découverte

C'est en commençant à remorquer derrière des bateaux des magnétomètres spécialement mis au point pour étudier la magnétisation de la croûte océanique (magnétomètres à vannes de flux) que l'on s'est aperçu que les anomalies magnétiques alternent en bandes positives et négatives sur le fond des océans. Plus précisément, les anomalies forment des bandes parallèles entre elles et symétriques par rapport aux dorsales océaniques. Certaines de ses bandes sont très longues et s'étendent sur des milliers de kilomètres.

En 1963 a lieu la publication de deux articles très célèbres dans le domaine des sciences de la Terre, celui de Morley et Larochelle, et celui de Vine et de Matthews. Les auteurs de ces articles suspectent que la structure en peau de zèbre est produite par une série d'inversions du champ magnétique terrestre. Nous l'avons vu, ces inversions ont déjà été confirmées sur des roches continentales. Pour eux, l'étape suivante consiste à vérifier si les inversions continentales peuvent être corrélées d'un point de vue temporel avec celles du fond océanique. Une équipe de géophysiciens (Allan Cox et Richard Doell), ainsi qu'un géochimiste (Brent Dalrymple) vont effectuer pour eux un travail important. A l'aide de la méthode de datation Potassium / Argon, ils vont relier la succession des inversions magnétiques avec les temps géologiques. Pour cela, ils datent de manière absolue de nombreuses roches, tout en mesurant également pour chacune d'elle l'orientation des particules magnétiques, de manière à pouvoir assigner un age aux inversions. Ils vont effectuer ce travail pour les quatre derniers millions d'années de l'histoire de la Terre. Morley, Larochelle, Vine et Matthews peuvent maintenant comparer la structure inscrite sur les fonds océaniques et l'échelle paléomagnétique. En assumant que le plancher océanique avance depuis les dorsales de quelques centimètres par an, ils découvrent une corrélation remarquable entre l'histoire des inversions du champ magnétique terrestre et l'alternance des bandes. L'hypothèse de l'expansion des fonds océaniques est née !

Le plancher océanique semble donc se comporter comme la bande magnétique d'une cassette audio, en enregistrant les inversions magnétiques et l'histoire géologique de la Terre (sur une courte période cependant, car la bande finit toujours par disparaître dans les zones de subduction!). La découverte de la structure en peau de zèbre a été rendue possible car le basalte (la principale roche des fonds océaniques) contient une grande quantité de fer (et en particulier un oxyde de fer, la magnétite), ce qui lui confère des propriétés magnétiques très fortes et plus important encore, des propriétés magnétiques mesurables pour l'époque.

Mais comment cette structure en peau de zèbre est-elle produite ? En fait quand une lave basaltique se refroidit, les minuscules cristaux de magnétite, qui se sont orientés dans la direction du champ magnétique ambiant, se retrouvent figés au sein de la roche. Un basalte se comporte alors comme une boussole permanente, la roche ayant emprisonné en son sein la direction du champ magnétique qui régnait lors de sa formation.

Nous avons vu que les bandes sont parallèles et positionnées de manière symétrique par rapport aux dorsales océaniques. C'est effectivement la que tout se joue. Au niveau des dorsales, un magma provenant des profondeurs de la Terre se solidifie pour former la croûte océanique, en figeant en même temps la direction du champ magnétique ambiant. Comme un tapis roulant, la croûte océanique va s'éloigner de part et d'autre de la dorsale, et un nouveau fragment de croûte se met en place au niveau de la dorsale. Celui ci, comme le précédent, figera le champ magnétique ambiant. Si le champ magnétique s'inverse périodiquement, la croûte océanique va finir par comporter une série de bandes, symétriques et parallèles à une dorsale, qui sont chacune aimanté dans un sens puis dans l'autre.

La tectonique des plaques

La découverte de la structure en peau de zèbre constitue l'un des quatre grands développements qui ont conduit à la reconnaissance mondiale du concept de tectonique : Voici, en résumé, ces quatre points :

• Le fond des océans est très jeune par rapport à l'age des continents et il est loin d'être plat et sans relief. On a d'abord pensé que le fond des océans devait être recouvert d'une couche très épaisse de sédiments, car ceux ci devaient s'être accumulés depuis des milliards d'années. Hors il n'en est rien, et la croûte océanique n'est recouverte que d'une fine couche de sédiments. Ensuite, les premières tentatives pour étudier le fond océanique ont commencé à montrer qu'il n'était pas si plat que ca. Les mesures bathymétriques, puis celles utilisant le sonar, indiquent que le fond des océans est parcouru par une chaîne de montagnes sous marines aux proportions impressionnantes : ce sont les dorsales. Cette chaîne mesure 50 000 km de long pour plus de 800 km de large. Son altitude moyenne est de 4500 mètres au dessus du plancher océanique. Elle parcourt la totalité du globe terrestre et n'a de cesse de zigzaguer entre les continents. Elle est peut être invisible depuis le sol, masqué par des kilomètres d'eau sombre et glacée, mais cette chaîne constitue cependant la caractéristique géologique majeure de la Terre !

• La mise en évidence des inversions du champ magnétique et de leur impression sur le plancher océanique, que nous venons de décrire.

• L'émergence de l'hypothèse de l'expansion des fonds océaniques et du recyclage de la croûte océanique au niveau des zones de subduction. Les dorsales sont des régions ou la croûte océanique se forme. Un magma arrive en surface, se refroidit et vient s'ajouter à la croûte existante. Plus on s'éloigne des dorsales, et plus les roches sont vieilles. Cette hypothèse, qui explique parfaitement l'aspect en peau de zèbre des anomalies magnétiques, sera confirmée grâce à des campagnes de forage profond et à la datation des carottes obtenues. Il reste cependant un point à établir. Si le fond des océans se forme continuellement, la surface de la Terre devrait augmenter en permanence. Hors ce n'est pas le cas. Il faut donc envisager que la croûte océanique finit par disparaître à un endroit donné. Effectivement elle termine sa vie engloutie au niveau des zones de subduction. Ainsi, le fond des océans est continuellement recyclé.

• L'étroite correspondance entre les frontières de plaque et la localisation des régions à forte activité volcanique et tectonique, ainsi que la position des principales chaînes de montagnes.

La tectonique des plaques a été une véritable révolution en géologie : elle a soudain permit de comprendre de manière globale la planète bleue. Avec elle, tout devenait clair : volcanisme, tremblements de terre, dérive des continents, histoire des climats, position des chaînes de montagnes ... Pour tous ceux qui veulent en savoir plus sur le concept de tectonique des plaques, je ne peux que conseiller la lecture du superbe livre de Claude Allègre, l'écume de la Terre et celui de Vincent Courtillot, la Vie en catastrophes, pour ceux que le paléomagnétisme intéresse. Même si le livre de Vincent Courtillot traite principalement de la disparition des dinosaures à la fin du secondaire et détaille une théorie alternative à celle qui est couramment admise pour expliquer l'effacement de ses géants de la surface de la planète (l'impact d'un astéroïde), on y trouve d'intéressants chapitres sur le paléomagnétisme.

La découverte du magnétomètre de Global Surveyor

Nous l'avons vu en introduction, le magnétomètre de Global Surveyor a découvert, imprimé sur la croûte martienne de l'hémisphère sud, une succession de bandes, chacune étant d'une polarité opposée à la précédente (il est amusant de remarquer que cette découverte n'aurait pas pu avoir lieu si la sonde n'avait pas cassé l'un de ses panneaux solaires !). En tout, on a compté une demi douzaine d'inversions. Les bandes découvertes sont bien plus larges que celles qui traînent au fond des océans terrestres. Il peut y avoir plusieurs raisons à cela. La croûte martienne a peut être été générée à un rythme plus important que sur notre planète. Le magma montait plus vite et en plus grande quantité. Une orientation donné du champ magnétique a donc été inscrite sur une surface bien plus importante. Il est également possible que les inversions du champ magnétique martien soient moins nombreuses que les inversions du champ magnétique terrestre, ce qui a donné plus de temps à la croûte pour conserver en son sein le champ magnétique qui prévalait à l'époque de sa formation. Les bandes sont également plus fortement magnétisées, peut être à cause d'une plus grande quantité d'oxydes de fer dans les roches crustales.

L'hypothèse d'une tectonique des plaques martienne semble compléter à merveille (un peu trop) la découverte par la sonde Pathfinder et son compagnon monté sur roues, Sojourner, d'andésites sur Mars. Effectivement, ces roches volcaniques se forment sur Terre principalement au niveau des zones de subduction ! De plus, on sait que l'eau joue un rôle majeur dans le mécanisme de la tectonique des plaques, en jouant par exemple le rôle de lubrifiant. De la à associer tectonique des plaques martiennes et océans martiens, il n'y a qu'un pas que l'on est tenté de franchir assez vite !

La découverte de Global Surveyor va peut être permettre de résoudre un autre mystère : celui de la dissymétrie frappante entre les basses plaines jeunes de l'hémisphère nord et les hauts plateaux fortement cratérisés de l'hémisphère sud. Les bandes ont été surtout mises en évidence dans les très vieux terrains de l'hémisphère sud, qui sont restés inchangés depuis des milliards d'années. Par contre, l'hémisphère nord ne montre aucune structure en peau de zèbre, ce qui indique que la croûte martienne s'est formée après l'arrêt de la dynamo martienne et de son comportement capricieux (à l'origine des inversions), quelques centaines de millions d'années après la formation de la planète. L'une des hypothèses émises pour expliquer cette dissymétrie consiste à faire intervenir un gigantesque impact météoritique, qui aurait liquéfié une bonne partie de l'hémisphère nord en rallumant éventuellement un important volcanisme. Les enregistrements magnétiques des terrains touchés par l'impact ont été effacés et l'ensemble a été nivelé. Lorsque la croûte s'est enfin refroidie, il n'y avait plus de champ magnétique à piéger. La structure en bandes est également absente des grands bassins d'impact comme celui d'Hellas ou d'Argyre, ce qui indique encore une fois que ces impacts ont eu lieu à une époque ou la dynamo martienne était déjà éteinte.

Aucun centre de symétrie n'a pour l'instant été découvert. Il est certain que s'il l'on découvrait une symétrie (c'est à dire des bandes qui seraient l'image exacte de celles d'une région voisine), nous aurions là une preuve très forte en faveur de l'hypothèse de la tectonique des plaques martiennes. Pour l'instant, les bandes prouvent juste qu'une partie de la croûte s'est déplacée, sans compter que d'autres hypothèses existent pour expliquer l'aspect marbré de la surface martienne, sans recourir à un mouvement horizontal. Il se pourrait par exemple que les bandes observées soient issues de la fracturation et de la dislocation d'une ancienne croûte martienne mise en place en une seule étape et magnétisé de manière uniforme, à la suite d'une activité volcanique ou tectonique. Après la fracturation, les différents pans de la croûte aurait alors acquis chacun une polarité opposée.

Si l'hypothèse audacieuse d'une tectonique des plaques martiennes est confirmée, il va falloir revoir sérieusement notre vision de la planète Mars. La planète rouge aurait été, dans sa jeunesse, un astre beaucoup plus actif et dynamique que ce que l'on croyait jusqu'à maintenant. La tectonique des plaques a favorisé une grande diversité d'environnements sur Terre, et par la même, a joué un rôle prépondérant dans l'apparition de la vie, grâce au volcanisme, au maintien de sources hydrothermales, etc.

Il va falloir attendre les résultats de l'altimètre laser et la réalisation d'une carte des anomalies de gravimétrie pour en savoir plus. Il n'empêche que la découverte d'une séquence d'inversions de l'ancien champ magnétique martien est tout à fait révolutionnaire. Nous vivons vraiment une époque formidable !

Pour en savoir plus :

Grandeur et décadence du champ magnétique martien.
La tectonique de plaques sur Terre : les dorsales (Islande).
La tectonique de plaques sur Terre : les points chauds (Réunion).
La tectonique de plaques sur Terre : les fosses du subduction (Atacama).

Représentation schématique de l'expansion des fonds océaniques (sea floor spreading). Au niveau des dorsales océaniques a lieu une montée de magma qui finit par se solidifier (pour donner des basaltes) en atteignant le fond océanique. Ces basaltes vont venir s'insérer entre les  basaltes existant, contribuant ainsi à augmenter la surface du plancher océanique. Le fond des océans est donc en expansion, et ce des deux cotés de la dorsale. Quand la colonne de basalte se solidifie, elle enregistre le champ magnétique existant (grâce à certains oxydes métalliques comme les cristaux de magnétite). La montée de magma continue, et une autre colonne vient se mettre en place. Si le champ magnétique s'est inversé entre temps, le basalte fraîchement solidifié aura enregistré un champ magnétique dont l'orientation sera inversée par rapport à la colonne précédente. Ainsi, sur des millions d'années, d'un point de vue magnétique, le plancher océanique finit par ressembler à une véritable peau de zèbre, avec ses bandes noires et blanches. Notez ici que l'alternance des bandes de la peau de zèbre est parfaitement symétrique de part et d'autre de la dorsale. Cette particularité a constitué une preuve déterminante en faveur de l'expansion des fonds océaniques et de la tectonique des plaques. Le plancher océanique contient ainsi un enregistrement des inversions du champ magnétique terrestre sur quelques centaines de millions d'années (il n'est jamais plus vieux que 180 millions d'années, car il finit toujours par disparaître dans les zones de subduction). On peut aussi se servir de l'échelle des inversions pour déterminer la date d'une formation rocheuse. Il suffit de retrouver dans les roches une séquence d'inversion que l'on peut rattacher sans équivoque à une partie de l'échelle paléomagnétique (Crédit photo : droits réservés).

Cette figure montre la structure en peau de zèbre qui s'étend de part et d'autre de la dorsale Juan de Fuca sur Terre (Crédit photo : droits réservés).

Carte en fausses couleurs des inversions du champ magnétique martien, obtenu par le magnétomètre de la sonde Global Surveyor (Cliquez sur l'image pour l'agrandir). Ces inversions sont localisées dans les hauts plateaux de l'hémisphère sud, près des régions de Terra Sirenum et Terra Cimmeria. La latitude (en ordonnée) varie de 0° (équateur) à 90° (pôle sud). La longitude (en abscisse) varie de 240 ° à 120 °. Les bandes sont orientées grossièrement dans la direction est - ouest. Les couleurs rouges et bleues représentent chacune un champ magnétique fossile qui pointe dans une direction opposée. Certaines bandes courent sur plus de 2000 kilomètres en longueur. Le code-barre imprimé sur la croûte martienne est-il la signature d'une tectonique des plaques ? Cliquez sur l'image pour l'agrandir(Crédit photo : droits réservés).

Un mécanisme analogue à celui qui a donné naissance à la peau de zèbre des océans terrestres a du avoir lieu sur Mars. Ici, l'image montre une montée de magma qui arrive en surface, se solidifie (formant ainsi la croûte martienne) et enregistre le champ magnétique actuel ainsi que son orientation (bleu). Le pole magnétique pointe alors vers le pôle sud géographique de Mars (Crédit photo : droits réservés).

Le champ magnétique martien a fini par s'inverser. Effectivement, de manière périodique et aléatoire, la dynamo martienne change de régime et le champ magnétique global s'inverse brusquement. Maintenant, le pôle nord magnétique pointe vers le pôle sud géographique de Mars. Le magma qui se solidifie enregistre sa nouvelle orientation. Notez l'alternance des bandes qui se constituent sur la jeune croûte martienne et la symétrie qui existe de part et d'autre de la zone d'émergence du magma. La structure imprimée sur la croûte martienne rappelle une peau de zèbre ou un code-barre (Crédit photo : droits réservés).