APPORTS A LA COMPREHENSION DU PROCESSUS DE SUBDUCTION
Un condensé des travaux conduits depuis les années 80

La subduction est un processus associé à la disparition de surface terrestre. Au niveau des grandes fosses océaniques (~60 000 km), le plancher sous-marin et les sédiments qu'il porte sont emportés vers les profondeurs du manteau terrestre (asthénosphère). Un retour vers la surface par le volcanisme associé est possible. Il peut intervenir  après 800 000 ans pour une subduction rapide comme celle du sud-Ouest Pacifique. Généralement le transit du matériel entré en subduction est supérieur au million d’années. Pour certaines subductions qui ne présentent pas de volcanisme actif, comme au Pérou ou au Nord du Chili, la possibilité d’un retour vers la surface n’existe pas. De fait, La subduction apparaît comme un puits naturel de disparition de matériel superficiel dont le devenir est un recyclage dans la grande machine convective asthénosphérique. C’est pourquoi l’idée d’une utilisation de la subduction comme moyen de destruction définitive de déchets anthropiques, parmi lesquels  les déchets nucléaires ultimes, a été proposée (Bourgois, 1996), justifiant de la sorte les études conduites depuis 1978.

Dans les années 80-90, l’efficacité du discours anti-nucléaire de l’écologie politique portait un puissant coup d'arrêt au développement du nucléaire civil. On pensait alors le problème des déchets nucléaires comme potentiellement réglé à terme du fait d’une production décroissante annoncée de l’électro-nucléaire. L’idée d’un entreposage des déchets sur le territoire national de celui qui les produit restait envisageable comme stipulé par la loi française, copie conforme  du "National Nuclear Waste Policy" voté par le Congrès américain en 1982.

Aujourd’hui, le réchauffement climatique, les besoins énergétiques croissants des pays en développement et la perspective de l’épuisement des énergies fossiles (prévisible depuis plusieurs décennies) placent à nouveau l’électronucléaire au devant de la scène. De nombreux spécialistes pensent que seule une expansion massive de la source énergétique nucléaire permettra de répondre à la demande en électricité du monde en développement tout en maintenant la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone à 550 ppm. Cette situation avec une concentration en C02 considérée par beaucoup comme encore trop élevée nécessiterait la construction de 1500 à 4000 centrales. Le nucléaire civile réémerge comme la source énergétique abondante et fonctionnelle la plus respectueuse de l'environnement . C'est l'énergie d'un avenir à moyen terme (50-70 ans).

Les techniques de réutilisation du combustible nucléaire, proposées dans le cadre du "Global Nuclear Energy Partnership (GNEP)" signé à ce jour par 21 nations dont la France devraient optimiser à terme le volume des déchets. Cependant la multiplication prévisible des centrales nucléaires civiles de par le monde avec un recyclage du combustible dans quelques pays en ayant la capacité place à nouveau l’élimination possible des déchets nucléaires ultimes au premier rang des préoccupations environnementales.  Ainsi le DOE prévoit la nécessité d’aménager un second site d’entreposage au Nevada pour simplement répondre à la revitalisation de l’industrie nucléaire américaine.

Revitaliser les études fondamentales (études et mesures de terrain et modélisations) d’un processus naturel de la planète qui présente la potentialité d’une élimination définitive des déchets nucléaires ultimes nous semble prioritaire. Ces études se placent dans la perspective d’une utilisation réduite des combustibles fossiles et présentent la potentialité de laisser une planète propre aux générations futures. Entreprendre ces études peut naturellement s'envisager dans le cadre actuel de la loi. Une mise en oeuvre industrielle nécessiterait un aménagement de la loi nationale et ne pourrait naturellement s'envisager que dans un cadre international multilatéral dans l'esprit du GNEP.

Le processus de subduction est au centre des travaux que nous avons conduits depuis le début  des années 80. La zone d’étude couvre pour l’essentiel les fosses d’Amérique Centrale, du Pérou-Chili, du Mexique à la Patagonie, et les reliefs liminaires associés : Andes et prolongation méridionale de la Sierra Nevada. Les travaux ont été menés sous forme d’opérations scientifiques informelles terre mer avec mise en œuvre de campagnes de terrain coordonnées avec des croisières de géophysique marine et d’observation en plongées (submersible Nautile). Les zones d’application ou transversales d’étude comprennent la zone du point triple du Mexique et la Basse Californie, le Costa Rica, la Colombie, le Nord Pérou et l’Equateur, la zone du point triple du Chili et les Andes de Patagonie. J’ai été investigateur Principal (PI) de toutes ces opérations et le chef de mission des campagnes marines correspondantes (liste complète, voir « Liste des productions » de l'article 2 de ce blog). La conduite des travaux a nécessité la mobilisation d’équipes scientifiques nationales et internationales de 15 à 20-30 chercheurs. Une participation aux campagnes de forage du Glomar Challenger (Leg 84) et du Joides Resolution (Leg 112) fait partie du dispositif.

Les travaux réalisés et leur publication (liste complète voir articles 7 et 8 de ce blog) prennent leur sens dans une perspective historique. Ils ont participé, et pour certains grandement, à la résolution de questions qui pour une partie d’entre elles ne se posent plus aujourd’hui. C’est le cas par exemple des chaînes de montagne dont on pensait qu’elles trouvaient leur formation dans la subduction océanique, de l’ophiolite dont on croyait qu’elle pouvait trouver sa mise en place à partir de l’écaillage océanique, des Andes dont la façade orientale était proposée comme limitée par de grandes failles normales. Ces avancées scientifiques ont comme résultat, pour une partie d'entre elles  tout au moins, de rendre caduques les arguments scientifiques qui ont conduit le Congrès Américain à voter le "National Nuclear Waste Policy" en 1982.

Pour apporter une certaine clarté à l'exposé, les résultats sont présentés de manière croisée, par ordre chronologique et par thème en rappelant les questions qui se posaient au moment de leur actualité. Plus récemment la question centrale abordée par nos travaux concerne les relations de couplage et de rétro action entre la tectonique et le climat aux échelles de temps de l'alternance glaciaire interglaciaire des 500 000 dernières années. A ce propos, des apports déterminants concernent la zone sismogène et le régime tectonique de la marge active. Certains résultats présentent des implications en termes d’aléas et risques. L'étude des potentialités de la subduction pour son utilisation comme moyen potentiel d'une élimination définitive des déchets nucléaires ultimes est plus que jamais d'actualité.

Le Leg 84 du Glomar Challenger, localisé dans la fosse d’Amérique Centrale au large du Guatemala avait pour objectif de confirmer le modèle d’une marge active constituée d’un empilement d’écailles impliquant le substratum basaltique océanique. Le Leg 66 situé plus au Nord avait proposé ce modèle du prisme d’accrétion pour l’ensemble de la marge mexicaine sur la base d’une argumentation sédimentologique. Au moment de la programmation du Leg 84 on pensait que la marge du Guatemala représentait le stade précoce d’une chaîne de montagne impliquant des ophiolites (le fond océanique écaillé). Les travaux de l’équipe française à bord du Leg 84 (Aubouin et al., 1982 et 1984), associés aux campagnes de terrain conduites à terre au Costa Rica (Bourgois et al., 1984) montraient que les failles inverses à pendage continental de la marge du Guatemala étaient en fait des failles normales  à pendage océanique. Le supposé  écaillage basaltique de la croute océanique Miocène de la plaque des Cocos correspondait en fait au substratum basaltique de la marge de l'Amérique centrale avec un âge Jurassique et Crétacé. A la suite de ces travaux (Bourgois, 1993) le modèle du prisme de Seely était abandonné pour le Guatemala ; la marge active comme stade initial d’une chaîne de montagne proposée après le Leg 66 était abandonnée ; le rôle de la subduction-érosion dans l’évolution de la marge apparaissait comme fondamental.

D’un point de vue plus fondamental, le point majeur était celui du découplage de deux concepts intuitivement liés au niveau du comportement mécanique de la marge active. La convergence entre deux plaques tectoniques en subduction devait conduire à une déformation en compression de la bordure de la plaque supérieure. La marge devait évoluer par accumulation d’écailles tectoniques ce qui devait engendrer une surrection et conduire à l’émersion (et donc impropre pour un entreposage des déchets nucléaires). Le Leg 84 démontrait qu’il n’en était rien et que bien au  contraire la marge apparaissait comme contrôlée par des failles normales et une subsidence (Bourgois et al., 1984 ; Bourgois and Glaçon, 1985 ; Glaçon and Bourgois, 1985). Les travaux menés sur l’état de dissolution des tests de microfossiles calcaires permettaient de dater et de quantifier la subsidence. Cette situation implique un fort découplage des plaques supérieure et inférieure et l’existence d’une usure de la base de la plaque supérieure (érosion tectonique ou subduction-érosion) suggérée quelques années plus tôt dans une publication à Geology (Scholl et al., 1980). Il est intéressant de noter que la méthode d’approche de la dissolution des tests de foraminifères calcaires comme moyen de mesure de la subsidence a été validée par des travaux récemment publiés au Journal of Geophysical Research en 2005.

Le modèle du prisme d’accrétion de Seely tel que proposé le long de la marge du Guatemala implique un écaillage (compression) impliquant non seulement les sédiments mais aussi la croûte océanique sous-jacente : basalte, gabbro et péridotites, de l’océan voisin en subduction. Un modèle actualiste possible était proposé pour la fosse du Pérou vers 10°S. En effet, Kulm et al. (1981) ont décrit à cet endroit une écaille à l’Est de la fosse dont il était considéré qu’elle représentait le plancher océanique en voie d’incorporation au prisme d’accrétion de la marge active du Pérou. Les travaux menés pendant la campagne Seaperc (N/O Jean Charcot) permettaient de démontrer que les sédiments détritiques de la fosse, couverture de l’écaille, ne présentent aucune déformation. Cette couverture, horizontale, repose en discordance sur le dos de la supposée écaille océanique. Il ne s’agit que d’une structure ancienne de la plaque océanique qui, entraînée par la plaque plongeante arrive dans la fosse. Le mécanisme proposé d’intégration d’une ophiolite à un édifice montagneux, en cours au Pérou, réalisé au Guatemala, se révélait être faux à la suite du Leg 84 (Guatemala) et de la campagne Seaperc du Jean Charcot (Pérou). Le matériel de la plaque océanique a pour destin une disparition par subduction.

Figure 2. La fosse du Pérou (trench turbidite) montre des sédiments horizontaux et discordants sur le relief océanique en subduction (plaque Nazca) à gauche, il ne peut donc pas s’agir (comme proposé dans le "Nazca Plate Project," Geological Society of America Memoir, 1981) d’une écaille océanique (ophiolitique) en voie d’incorporation tectonique à la marge péruvienne située à droite. C’est une structure ancienne de la plaque plongeante qui arrive à la fosse (d'après Bourgois et al., 1988).

De 1980 à 1985, des travaux de terrain ont été menés sur l’édifice andin de Colombie avec une focalisation sur l’ophiolite de la Cordillère Occidentale. Dans cette partie des Andes septentrionales, le modèle de l’écaillage océanique du prisme de subduction-accrétion a été proposé pour expliquer la présence de l’ophiolite. En fait, la structure (fenêtre tectonique antiforme) de la Cordillère Occidentale et la polarité des apports sédimentaires détritiques montrent qu’il s’agit d’une ancienne mer marginale dont la fermeture conduit à l’écaillage et à l’obduction de son plancher océanisé au Crétacé supérieur-Paléocène. (Bourgois et al., 1984 et 1987). Le modèle actualiste qui convient le mieux est celui de la mer du Japon qui se refermerait entre le bloc Japonais et l’Asie. La déformation active de la bordure japonaise de cette mer marginale suggère que le processus qui a conduit à la mise en place de l’ophiolite colombienne est en cours de fonctionnement au Japon. Les interprétations proposées plus récemment d’une origine par collision du plateau océanique « Galapagos-Caraïbes » avec le continent des Amériques ne rend pas compte de la présence des 7 à 10 km de sédiments détritiques couverture de l’ophiolite Colombienne et n’apporte pas d’explication à l’obduction (150 km de portée) de l’ensemble ophiolite et de sa couverture sédimentaire sur la bordure continentale sud américaine. L’écaillage ophiolitique et l’obduction colombienne trouvent une meilleure explication dans le modèle « mer marginale » que dans le modèle « collision de plateau océanique ». Le premier rend compte de la partie essentielle des affleurements (en surface), la seconde d’affleurements très localisés. Le modèle explicatif d'évolution de la bordure andine de Colombie à partir d'un écaillage du type prisme d’accrétion de marge active doit être abandonné.

Figure 3. Le modèle «mer marginale type Japon » rend mieux compte de l’évolution des Andes de Colombie et de la mise en place de l’ophiolite. Les modèles « prisme d’accrétion type marge active» et «plateau océanique» ne rendent pas compte des contraintes tectoniques et sédimentologiques (Bourgois et al., 1987). Une mer marginale (coupe du centre) d'arrière arc s'ouvre au Crétacé entre le continent sud-américain à droite et un arc volcanique à gauche. Au Crétacé supérieur-Paléocène, la mer marginale se referme, les basaltes et leur couverture turbiditique (7-8 km d'épaisseur) sont transportés sur la bordure continentale de l'Amérique du Sud (dessin du haut) à plus de 150 km vers l'Est. La suture ophiolitique du matériel obducté se trouve aujourd'hui le long de la vallée du Rio Cauca entre Cordillères Centrale et Occidentale (d'après Bourgois et al., 1987).

En 1981, les Andes étaient proposées comme contrôlées dans leur évolution tectonique par de grandes failles normales localisées le long des bordures amazonienne et pacifique. A la suite de travaux menés dans le Nord des Andes péruviennes, nous avons proposé un autre modèle (CRAS, 1981) qui accorde un rôle prépondérant à la subduction continentale (subduction A) côté amazonien. Côté pacifique, l’évolution du relief (Cordillère Occidentale) est contrôlée par le volcanisme, c’est la signature de l’intumescence thermique proposée par Dewey et Bird (1970). Il n’y a pas de racine crustale associée à la Cordillère Occidentale. La racine crustale des Andes est fortement décalée vers l’Est, sous la Cordillère Orientale. L’épaississement trouve son origine dans la subduction continentale. Les craton Brésilien et Guyanais s’engagent sous les Andes qui voient ainsi leur racine crustale s'édifier. Cette racine crustale est à l'origine de l'évolution dynamique du relief andin oriental (Cordillère Real ou Orientale). Ce modèle de la double subduction fonctionne dans les Andes à partir de l’Oligocène, période à laquelle la totalité de l’ouverture atlantique s’applique à la plaque Amérique du Sud, la plaque Afrique restant fixe dans le repère des points chauds. En 1983, les premières descriptions de séismes en compression, côté amazonien, étaient publiées (Suarez et al., Journal of Geophysical Research).

Figure 4. Evolution géodynamique des Andes nord péruviennes (SO : subduction océanique, SC : subduction continentale). En grisé croûte océanique, en blanc croûte continentale. Les flèches figurent les vitesses de déplacement ; VE : extension induite par la subduction océanique sur la bordure la plaque Amérique du Sud, VA : vitesse de déplacement du continent sud américain. A partir de 30 Ma, VA-VE >0, la subduction continentale commence à fonctionner, les Andes orogéniques se construisent (d'après Bourgois et Janjou, 1981).
La bordure amazonienne des Andes n'est pas contrôlée par de grandes failles normales.

Les travaux menés le long de la marge du Pérou ont permis d’identifier un mécanisme important à l’origine de certains tsunamis (Earth and Planetary Science Letters, 1988 ; Journal of Geophysical Research, 1989, Geology 1993). Vers 4-5°S, la marge présente les évidences d’un énorme glissement sous-marin. L’équivalent d’un volume comparable à la moitié des Alpes françaises a glissé depuis une cicatrice de faille localisée vers 3-4000 m de profondeur jusque dans la fosse vers 6000 m. La modélisation du tsunami provoqué par ce glissement sous-marin catastrophique montre qu’une vague de 50 m de haut serait arrivée à la côte. Le mécanisme conduisant à la déstabilisation de la marge a été reconstitué (Geology, 1993). La marge du Pérou est caractérisée par l’extension et la subsidence. Son régime tectonique est celui de la subduction-érosion caractérisé en surface par de grande faille normale à pendage vers l’océan. D’ampleur crustale, l’une de ces failles (Figure 5) montre le développement d’un pli en roll-over dont l’évolution pendant environ 400 000 ans a conduit à la déstabilisation de son flanc océanique. Vers 11 000 ans, la rupture du flanc océanique a provoqué un énorme glissement tsunamogène. Ce modèle d’évolution a été retrouvé depuis au large du Costa Rica. Les zones potentiellement dangereuses sont facilement identifiables à partir d’enregistrements géophysiques

Figure 5. Origine de certains grands glissements sous-marins tsunamogènes (Geology, 1993). (A) Situation initiale lorsque la pente est stable vers 400 000 ans. (B) L'évolution tectonique de la partie moyenne de la pente continentale pendant les 400 000 dernières années est marquée par l'évolution d'un détachement à vergence océanique dont le pendage est inférieur à 20°. Le glissement le long de la faille est accommodé par le développement d'un pli antiforme  (roll-over fold). Ce pli occupe la totalité de la pente moyenne. Le flanc du pli situé du coté continental à droite s'est effondré d'environ 800 m accompagné d' une rotation. La pente vers l'océan n'est plus que de 2°, elle devient sur stable. A l'inverse le flanc situé du côté océanique (à gauche) devient très instable en atteignant  une inclinaison de 11-12°. Cette inclinaison dépasse l'angle critique de la stabilité gravitaire de la pente. Un immense glissement sous-marin se produit (vague tsunamique calculée: 50 m de hauteur à la côte. Les âges proposés le sont à partir de prélèvements effectués avec le submersible Nautile.

Les marges du Pérou et d’Amérique centrale montrent une certaine permanence dans le temps de leur régime tectonique, probablement du fait de la stabilité et de la faiblesse des apports détritiques à la fosse (voir paragraphe 12). Le désert d’Atacama qui se prolonge le long de la côte au Pérou n’a pas vu changer son extrême sécheresse depuis le Miocène. La permanence du régime tectonique de la marge du Pérou caractérisée par la subduction-érosion implique que tout le matériel de la plaque plongeante, le matériel sédimentaire de la fosse et la base de la plaque supérieure (érosion tectonique) retournent au manteau. Par ailleurs la partie du chenal de subduction située sous le mur interne de la fosse (marge continentale) n’est pas sismogène entre la fosse et la côte (~80 km). Ainsi, peut-on envisager que des déchets nucléaires, placés dans la fosse, seraient emportés avec la reste du matériel de la fosse le long du chenal de subduction vers le manteau (Bourgois et al., 1996). Par ailleurs, les prélèvements de fluides au moyen du submersible Nautile (Geology, 1993, Geochimica Cosmochimica Acta, 1997) permettaient de montrer que la marge draine des fluides d’origine continentale suggérant que les fluides interstitiels en subduction (plaque plongeante et sédiment de la fosse) sont également entraînés vers le manteau.  Ainsi, dans la situation telle qu’analysée à l’époque permettait d’envisager le développement d’un programme dont l’objectif aurait été l’entreposage et l’élimination définitifs des déchets nucléaires de longue vie en utilisant la subduction du Nord Pérou. Cela aurait permis d’éviter l’absurdité de la loi internationale actuelle qui impose à chaque pays l’entreposage des déchets sur son propre territoire.

Figure 6. Modalités (schéma) d’élimination définitive des déchets nucléaires ultimes s’ils étaient entreposés dans une fosse du type de celle du Nord Pérou (Bourgois, 1996).

Séquence d'évolution, trois situations sont décrites: le présent (schéma du haut), dans 40 000 ans (schéma du centre noté 40 ka), dans 80 000 ans (schéma du bas noté 80 ka). Le point rouge figure les déchets nucléaires. Il est envisagé ici une localisation initiale au pied du mur interne de la fosse, coté continental (à droite, en brun sur la figure), enfouis à 200 m de profondeur dans les sédiments meubles de la fosse. Avec le temps, les déchets nucléaires sont entraînés dans la subduction (vers la droite sur le schéma) avec les sédiments de la fosse (vert et jaune), et l'ensemble de la lithosphère océanique (blanc avec tirets et violet v inversés). Dans le m^me temps, le mur interne de la fosse subit une abrasion de sa partie basale (érosion tectonique) qui maintient la zone à haute déformation et circulation de fluides en surpression au dessus du site d'entreposage des déchets. Ces déchets seraient à terme véhiculés vers le manteau terrestre a la vitesse de 6-7 cm par an.