Introduction
Sous nos pieds, la Terre est loin d’être uniforme. Elle est constituée de couches aux propriétés très différentes. Pour les explorer, les scientifiques utilisent les ondes sismiques, produites lors des séismes. Ces vibrations parcourent la Terre et se propagent à travers ses différentes enveloppes, un peu comme des vagues dans l’eau. On distingue principalement deux types : les ondes P (primaires, de compression), plus rapides et capables de traverser solides et liquides, et les ondes S (secondaires, de cisaillement), plus lentes et limitées aux solides. Leur vitesse varie selon la densité, la rigidité et l’état des roches, ce qui permet de sonder l’intérieur du globe. C’est grâce à leur étude que les scientifiques distinguent une enveloppe rigide appelée lithosphère et une zone plus ductile du manteau supérieur appelée asthénosphère.
Lithosphère et asthénosphère : une distinction mécanique
La lithosphère comprend la croûte (continentale ou océanique) et la partie supérieure du manteau. Elle est rigide et cassante : elle se fracture lors des séismes. Dans cette zone froide et rigide, les ondes sismiques P et S se déplacent à des vitesses relativement élevées, en raison à la fois de la rigidité, de l’élasticité et de la densité des matériaux.
En dessous se trouve l’asthénosphère, qui n’est pas une couche fixe et continue, mais une zone de faible vitesse sismique (LVZ, pour Low Velocity Zone en anglais). Les ondes sismiques y ralentissent, ce qui indique que les roches y sont plus chaudes et moins rigides, donc ductiles. La profondeur de cette zone varie selon les contextes géodynamiques : autour de 100 km sous les océans, mais plutôt 150 à 200 km sous les continents. Cette distinction, fondée sur une différence de rhéologie (cassant en surface, ductile en profondeur), est essentielle pour comprendre la mobilité des plaques tectoniques. L’équilibre vertical entre lithosphère et asthénosphère repose sur le principe de l’isostasie.
À retenir
La lithosphère est une enveloppe rigide et cassante ; l’asthénosphère est une zone plus ductile où les ondes sismiques ralentissent, appelée zone de faible vitesse (LVZ, Low Velocity Zone). Leur distinction repose sur des comportements mécaniques révélés par les vitesses sismiques, et l’équilibre est expliqué par l’isostasie.
Lithosphère océanique et lithosphère continentale
La lithosphère océanique est mince et dense. Elle se forme en continu aux dorsales océaniques par refroidissement du magma mantellique. En vieillissant, elle s’épaissit et sa base s’enfonce dans le manteau à mesure que le refroidissement rend le manteau lithosphérique plus rigide. Cela entraîne l’augmentation progressive de la profondeur du plancher océanique, qui suit une loi simple : la profondeur croît avec la racine carrée de l’âge (√âge). La lithosphère océanique atteint environ 100 km d’épaisseur dans les vieux bassins et peut être recyclée en subduction au-delà de 150 à 200 millions d’années.
La lithosphère continentale, plus épaisse (150 à 200 km en moyenne), moins dense et plus ancienne, présente une structure complexe. Elle comprend des socles stables très anciens appelés cratons, datés d’environ 4 Ga (4 milliards d’années ; 1 Ga = 1 milliard d’années), et des chaînes récentes formées lors d’orogenèses. Cette diversité explique la grande variété des roches continentales, comme les granites, gneiss, schistes ou calcaires.
Le flux géothermique joue un rôle essentiel : il est élevé aux dorsales, où la chaleur s’échappe facilement, et faible dans les vieux fonds océaniques, confirmant le refroidissement progressif et l’épaississement de la lithosphère. Ces données proviennent de mesures directes, comme les forages océaniques ou les observations de température au fond des océans.
À retenir
La lithosphère océanique est mince, dense et jeune ; elle s’épaissit avec l’âge (loi en √âge) et s’enfonce progressivement en raison du refroidissement. La lithosphère continentale est plus épaisse, moins dense et très ancienne, notamment dans les cratons (\~4 Ga).
Conclusion
La distinction entre lithosphère et asthénosphère repose sur leur comportement mécanique : la lithosphère est rigide et cassante, l’asthénosphère est ductile et déformable. Les ondes sismiques P et S révèlent cette organisation grâce à leurs vitesses contrastées et à la zone de faible vitesse (LVZ, Low Velocity Zone) du manteau supérieur. La lithosphère océanique, formée aux dorsales et épaissie par refroidissement, peut être recyclée en subduction lorsqu’elle atteint une densité suffisante (vers 150–200 Ma). La lithosphère continentale, quant à elle, possède des socles anciens stables (cratons) mais participe aussi à la tectonique à travers les orogenèses, les collisions ou le rifting. Ce modèle, fondé sur l’isostasie et la dynamique thermique interne, est central pour comprendre la tectonique des plaques, qui façonne en permanence la surface de notre planète.