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GÉODYNAMIQUE

Le mot «géodynamique» est apparu à l’aube du XX^e siècle (É. Hang, 1908? A.E.H. Love, 1911?) sans que sa naissance ait été accompagnée d’une définition qui en précise clairement les limites. Par rapport à l’expression antérieure «géologie dynamique», dont il apparaît comme une contraction, l’étymologie suggère un élargissement du sens, puisqu’il ne s’agit plus seulement de la dynamique des phénomènes géologiques, c’est-à-dire relativement superficiels, mais de la dynamique de la Terre dans son ensemble: la naissance du mot «géodynamique» traduit la conscience des liens qui existent entre la surface de la Terre et ses parties internes. Si on tente de définir la géodynamique comme la partie des sciences de la Terre concernée par les processus évolutifs et l’analyse des forces dont ils résultent, il apparaît immédiatement que son domaine est extrêmement vaste et reprend des phénomènes étudiés depuis longtemps, sous des noms différents. Un tel regroupement n’a d’intérêt que si l’on se place à un point de vue résolument synthétique, pour mettre en évidence les liens entre l’évolution de phénomènes en apparence assez différents, dont l’étude détaillée relève de disciplines distinctes, auxquelles on renverra ci-après.

La géodynamique se divise, de prime abord, en géodynamique externe et géodynamique interne, qui diffèrent non seulement par les domaines affectés – une pellicule relativement mince pour le premier, un volume immense pour le second – mais également par l’échelle du temps, les phénomènes étant beaucoup plus rapides à la surface, où une extrapolation à partir de la durée de nos observations suffit à nous permettre une interprétation de l’évolution, et beaucoup plus lents dans le domaine interne, pour lequel l’analyse de l’histoire géologique doit corriger l’impression de stabilité et de permanence que suggère notre expérience directe. Mais l’application de critères aussi vagues soulèverait de graves difficultés. Comme pour tout phénomène évolutif, un fil conducteur nous est fourni par l’étude des bilans énergétiques.

Géodynamique externe

Le domaine de la géodynamique externe englobe tous les phénomènes dissipant une énergie qui provient, plus ou moins directement, du rayonnement solaire.

Le rayonnement solaire apporte à la Terre environ 1 400 watts par mètre carré (rayonnement incident normal au «sommet» de l’atmosphère), soit l’équivalent d’une puissance de 1,75 . 10¹⁴ kilowatts, dont la plus grande partie est à nouveau rayonnée par la Terre. Mais l’inégale répartition, dans le temps comme dans l’espace, de l’échauffement produit est la cause de tous les mouvements de l’atmosphère, des vents et des précipitations, d’où résultent les mouvements de l’eau à la surface des continents, dans les glaciers, le ruissellement et les cours d’eau, et une part des mouvements de la mer, avec les vagues. L’énergie dissipée dans ces mouvements de l’atmosphère, difficile à évaluer exactement, doit se compter par centaines de milliards de kilowatts.

Par ailleurs, les marées sont des phénomènes oscillatoires, entretenus par un emprunt à l’énergie astronomique, tant potentielle que dynamique, des systèmes constitués par la Terre et la Lune (dont les mouvements se trouvent très légèrement ralentis), et la Terre et le Soleil (l’allongement de l’année du fait des marées est inappréciable). On estime l’énergie dissipée par la marée à 3 . 10⁹ kW.

On se reportera aux articles correspondants pour l’analyse détaillée des phénomènes qui viennent d’être évoqués, l’érosion et le transport éolien, l’érosion et le transport glaciaire, qui laissent une empreinte morphologique si caractéristique, l’érosion par ruissellement, qui paraît être l’agent principal du modelé et de la destruction des reliefs continentaux, le transport des matériaux par les cours d’eau, jusqu’au lieu de leur resédimentation. Ces phénomènes se produisent d’ailleurs dans des conditions assez variables, selon le climat et la végétation: tantôt en effet la surface est protégée par un tapis végétal, mais une altération chimique peut s’y développer, tantôt l’érosion entame une surface plus ou moins altérée dans une phase antérieure.

Le critère énergétique conduit à ranger dans la géodynamique externe l’étude de la circulation des eaux souterraines (hydrogéologie), qui dérivent des précipitations, et donc également celle des nappes souterraines, même si leur renouvellement est très lent, ainsi que les effets de cette circulatipn, tels que l’érosion karstique (cf. relief KARSTIQUE).

Tous les phénomènes biologiques, qui marquent si profondément la surface terrestre, tirent leur énergie du rayonnement solaire, par l’intermédiaire de la synthèse chlorophyllienne.

À travers l’extrême complexité des phénomènes qui viennent d’être évoqués, on peut suivre sans trop de difficultés les transferts d’énergie, depuis le rayonnement reçu du Soleil. Le tableau que l’on peut ainsi dresser paraît se suffire à lui-même, et il semble que les choses se dérouleraient à peu près de la même façon sur un globe dont l’intérieur serait totalement immobile et inerte – à ceci près, cependant, que le relief, une fois détruit, ne se reconstituerait pas, et que l’évolution de la surface ne se poursuivrait donc que pendant une durée limitée.

Géodynamique interne

L’intérieur de la Terre n’est pas inerte, mais est le siège d’une évolution à très long terme; un certain nombre de phénomènes, assez différents les uns des autres, en apportent le témoignage. Le fait est d’autant plus remarquable que, dans la mesure où l’exploration du système solaire a permis d’aborder l’étude détaillée d’autres objets (la Lune, Mercure, Vénus, Mars et certains satellites des planètes supérieures), les manifestations d’une évolution interne y apparaissent le plus souvent comme infiniment plus réduites, sinon absentes: les traces des impacts de météorites, accumulées depuis l’origine du système solaire, n’y ont la plupart du temps pas été (comme sur la Terre) effacées à mesure par l’évolution propre de ces planètes.

Mais, en abordant l’étude de la géodynamique interne, on ne connaît pas, a priori, la source de l’énergie dont elle dérive; et l’on doit remonter des effets aux causes, alors que la structure interne du globe est imparfaitement connue, et que les évolutions qui peuvent l’affecter, beaucoup trop lentes en général pour être directement observables, sont du domaine de l’hypothèse. Il faudra donc partir d’une définition négative: relèvent de la géodynamique interne les phénomènes qui ne peuvent être rangés dans la géodynamique externe, parce que l’énergie mise en jeu ne dérive pas du rayonnement solaire (ou des marées océaniques).

Le plus anciennement constaté de ces effets est le volcanisme, très inégalement réparti en surface, et au rythme foncièrement irrégulier. Malgré l’intensité de ses manifestations, il apporte beaucoup moins de chaleur à la surface (0,001 6 W . m^-2, soit une puissance globale de 8 . 10⁸ kW) que le flux géothermique qui se manifeste sur toute la surface de la Terre, avec une intensité légèrement variable, mais dont la valeur moyenne, 0,082 watt par mètre carré, représente au total une puissance de 4,2 . 10¹⁰ kW. Une infime partie de ce flux géothermique se manifeste par les sources thermales.

Les séismes sont également une manifestation de l’activité interne. Très irrégulièrement répartis dans l’espace, avec une distribution dans le temps aléatoire, mais qui permet cependant une analyse statistique, ils représentent une dissipation d’énergie dont la moyenne est estimée à 10⁹ kW.

L’activité mécanique dont témoignent les séismes s’est manifestée, dans le passé géologique, d’une manière extrêmement spectaculaire dans les déformations tectoniques: le long de certaines bandes, toutes les roches ont été déformées d’une manière très intense, par le plissement (lorsqu’elles sont stratifiées), par un écrasement ou par des chevauchements. À cette déformation était souvent associé un échauffement, qui a entraîné le métamorphisme, c’est-à-dire la recristallisation de la matière, et parfois aussi une refusion complète. Cet échauffement n’est certainement pas la conséquence de la déformation, qui n’absorbe et dissipe qu’une énergie très inférieure. Mais il est possible qu’un échauffement d’origine profonde, en facilitant la déformation lente par recristallisation en profondeur, ait permis à des contraintes mécaniques régnant d’une manière chronique dans l’écorce (ou dans certaines de ses parties, car d’autres sont en extension) de se manifester par les déformations que nous constatons. Ces zones déformées ont été ensuite soulevées, et constituent les montagnes, que l’érosion détruit et nivelle. Malgré l’importance de ces soulèvements, ou de l’affaissement de blocs souvent limités par des failles, le facteur essentiel dans ces déformations tectoniques paraît constitué par une compression horizontale, qui implique un rapprochement des blocs situés de part et d’autre, dont l’amplitude s’exprime en centaines de kilomètres. La réalité de tels déplacements se trouve confirmée par l’existence de failles séparant des compartiments de l’écorce dont le glissement horizontal est du même ordre de grandeur (la Great Glen Fault d’Écosse, la faille de San Andreas en Californie, la faille Alpine de Nouvelle-Zélande, etc.).

Ces déplacements horizontaux, dont l’étude des continents apporte la preuve, n’apparaissent plus que comme des cas particuliers de la dérive des continents, aujourd’hui hors de doute; on sait que, si les aires océaniques permettent des déplacements relatifs des continents, c’est parce qu’elles comportent des dorsales en expansion (quelques centimètres par an) et, dans les arcs insulaires de type «Pacifique», des zones où l’enfouissement de l’écorce se traduit par un rétrécissement. On sait que, au total, la surface de la Terre se divise, à l’égard de cette dérive, en un certain nombre de plaques relativement rigides, mobiles les unes par rapport aux autres (vitesses relatives moyennes de quelques centimètres par an), dont les limites sont soulignées par la distribution des séismes, et de certains volcans.

Ces manifestations de la géodynamique interne influent fréquemment sur les conditions dans lesquelles joue la géodynamique externe. L’érosion n’est possible que parce qu’il existe un relief, dont elle dissipe en partie l’énergie potentielle (éboulement, glissement). Le volcanisme est un agent du modelé de la surface.

Avant de prendre en considération, dans un bilan énergétique, les mouvements de soulèvement ou d’affaissement, il est nécessaire de préciser la position d’équilibre, par rapport à laquelle les écarts devront être estimés. On sait que la Terre présente, dans son ensemble, la forme d’un ellipsoïde aplati aux pôles, qui pourrait être la forme d’équilibre d’une masse fluide en rotation, pour un échelonnement convenable des densités. L’existence du relief peut s’interpréter comme déterminée par une écorce rigide, dont la constitution varie d’une région à l’autre, reposant en équilibre sur une masse fluide profonde: c’est l’hypothèse de l’isostasie, que la géodésie et la gravimétrie permettent de contrôler (cf. GÉODÉSIE, GRAVIMÉTRIE). L’axe de rotation de la Terre oscille, par rapport à celle-ci, autour de l’axe principal d’inertie, déterminé lui-même par l’aplatissement qui résulte de sa rotation: on peut ainsi montrer que des modifications de l’écorce (épaississement localisé, par exemple) peuvent se traduire par un déplacement des pôles, qui apparaît donc comme la conséquence, et non la cause, des transformations de l’écorce.

Ces déplacements des pôles, dans le passé géologique, sont attestés, en même temps que la dérive des continents, par l’étude de l’aimantation des roches ^{[cf. GÉOMAGNÉTISME]}, qui témoigne de la direction du champ magnétique au moment de leur genèse. L’énergie du champ magnétique tel qu’il est observé en surface, paraît assez faible pour qu’on soit tenté de le négliger, à côté des autres phénomènes dont nous avons estimé la puissance. Mais la source du champ magnétique est à chercher dans le noyau, de 3 500 km de rayon; elle est due à des mouvements de convection qui y brassent une masse fluide électriquement conductrice, essentiellement composée de fer liquide; le mouvement des conducteurs dans le champ magnétique engendre des courants qui entretiennent celui-ci. Le moteur de la convection est vraisemblablement un phénomène physico-chimique lié à la solidification du fer dans la «graine» centrale, qui rejette des éléments légers montant en panaches vers la base du manteau, libérant ainsi de l’énergie gravitationnelle. D’ailleurs, est-ce une simple coïncidence, si Mercure, Vénus, la Lune et Mars, qui ne montrent pas trace d’une dynamique interne, ou très peu, ne possèdent qu’un champ magnétique extrêmement faible (au maximum, 1 p. 100 de celui de la Terre)?

Une caractéristique importante des déformations tectoniques, que l’histoire géologique permet de mettre en évidence, est leur chronologie. Dans une région déterminée, ils se poursuivent pendant des durées assez longues, de l’ordre de la centaine de millions d’années, constituant des phases majeures (cadomienne, calédonienne, hercynienne, alpine, en Europe occidentale), séparées par de longues périodes de calme. Chaque phase comporte de multiples paroxysmes successifs, qui ne paraissent pas être simultanés dans des régions différentes. Elle est précédée par une époque où la sédimentation s’accumule dans des fosses ^{[cf. OROGENÈSE]}, appelées à se déformer par la suite. Pendant la déformation, les fosses qui subsistent reçoivent une sédimentation détritique, résultant de l’érosion des reliefs en cours de formation, qui constitue le «flysch». Puis les bassins de sédimentation migrent vers l’extérieur de la chaîne, où des molasses s’accumulent dans les avant-fosses. Mais, pour l’ensemble du globe, les phases majeures ne sont pas contemporaines, même dans une chaîne paraissant présenter une certaine unité géographique. Il semble que le phénomène tectonique a balayé successivement toutes les parties du globe, aucune époque n’en ayant été dépourvue, ni aucune région épargnée (à condition, toutefois, de remonter assez loin dans le passé).

Les causes de la dynamique interne

On peut tenter d’estimer l’ordre de grandeur de la puissance mécanique mise en jeu par la déformation; cette estimation peut être faite, soit en évaluant l’énergie sismique, soit en considérant l’énergie mise en jeu dans la déformation tectonique (pour laquelle on peut obtenir l’ordre de grandeur de l’énergie potentielle du relief créé, à défaut de pouvoir calculer l’énergie absorbée par la déformation), soit enfin en la déduisant de la dérive des plaques, permise par la fluidité d’une assise profonde (l’asthénosphère) dont on peut estimer la viscosité par la vitesse à laquelle se rétablit l’équilibre isostatique, lorsqu’il a été troublé (remontée post-glaciaire de la Scandinavie, par exemple). L’étude de ces phénomènes conduit à des chiffres très faibles par rapport au flux géothermique normal (de l’ordre du millième). Cette prépondérance des phénomènes thermiques par rapport aux phénomènes mécaniques trouve une confirmation directe dans le fait que, même pour une roche profondément déformée, l’énergie mécanique absorbée par la déformation équivaut à une quantité de chaleur qui n’élèverait la température que de quelques degrés, ou dizaines de degrés, alors que le métamorphisme implique une élévation de température de plusieurs centaines de degrés.

Il est donc vraisemblable que la cause des phénomènes mécaniques doit être cherchée dans l’évolution thermique, alors que l’inverse est exclu. Le flux thermique peut provenir de la chaleur dégagée par radioactivité; mais, étant donné l’âge (4,6 milliards d’années) et les dimensions du globe, nous n’avons aucune certitude qu’un régime thermique permanent soit atteint, et on ne peut exclure qu’un refroidissement se poursuive.

Par quel mécanisme une partie de l’énergie transportée peut-elle se transformer en énergie mécanique, comme dans un moteur thermique? On peut montrer que la contraction par refroidissement ne pourrait fournir qu’une puissance très insuffisante.

Le seul mécanisme que l’on puisse invoquer est celui de courants de convection, qui joueraient vraisemblablement sur toute la hauteur du manteau (de 100 ou 150 à 2 860 km de profondeur). Cela implique une certaine fluidité du matériel affecté, mais qui est compatible avec une très forte viscosité, si les courants sont très larges et très lents (entre 1 cm et 1 m par an). Des hypothèses variées ont été formulées sur leur profondeur et sur leur disposition. Les mouvements qui se poursuivent encore aujourd’hui (expansion dans les dorsales océaniques) en fournissent sans doute la meilleure image, les zones d’expansion correspondant aux courants ascendants. Les zones de Benioff, où une partie de la croûte océanique est entraînée par subduction sous la croûte continentale voisine, matérialisent certaines branches descendantes. Le mouvement de certains au moins de ces courants peut avoir été très discontinu. L’idée que l’on peut se faire de ces courants de convection thermiques dans le manteau est certes très imprécise, mais elle conduit à des ordres de grandeur vraisemblables et ne soulève pas d’impossibilité.

Un autre facteur peut très bien augmenter l’énergie mécanique qu’ils produisent: c’est la différenciation par gravité. Si les éléments plus légers s’échappent vers le haut de la masse brassée (et nous en avons la preuve avec les éléments volatils qui s’échappent des volcans), les plus lourds vers le bas, la différence de densité entre branches ascendantes et descendantes se trouve augmentée, et donc aussi l’énergie produite, cela aux dépens de l’énergie potentielle de gravitation de la Terre. Celle-ci est facile à calculer, et on peut calculer aussi ce que serait sa valeur si la densité de la Terre était uniforme; ainsi, la différenciation qui a conduit à l’individualisation d’un noyau dense (dont la valeur de l’aplatissement prouve directement l’existence) aurait pu fournir, et bien au-delà, l’énergie dissipée par le flux géothermique depuis l’origine de la Terre, il y a 4,6 milliards d’années. Rien n’exclut que cette différenciation par gravité ne se poursuive encore, fut-ce beaucoup plus lentement qu’au début, et ne contribue à fournir au moins une partie de l’énergie mécanique absorbée par les phénomènes tectoniques.

On entrevoit ainsi quelle peut être l’origine de l’énergie consommée par les phénomènes de la géodynamique interne, sans pouvoir dire dans quelle mesure se combinent les deux sources qui viennent d’être envisagées, ni pouvoir imaginer autre chose que les très grandes lignes des mécanismes mis en jeu; du moins semble-t-il qu’il y ait là une direction de recherches valable.

• 1886; de géo- et dynamique

Synonymes :

n. f. et adj. Didac. Géologie dynamique, étude des modifications du globe terrestre.

|| adj. Relatif à la géodynamique.

géodynamique [ʒeɔdinamik] n. f. et adj.

ÉTYM. Fin XIX^e; de géo-, et dynamique.

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♦ Didact. Étude des modifications de l'écorce terrestre dues aux agents externes et internes. ⇒ Géologie. || Géodynamique interne, externe.