Jusqu'où une montagne peut-elle grandir ?
― Ce qui l'arrête, c'est la solidité de la roche elle-même
Le point culminant de la Terre s'élève à environ 8848 mètres. Le monde compte plusieurs hauts sommets, mais tous les plus élevés plafonnent autour de 8000 et quelques mètres, sans qu'aucun ne dépasse vraiment ce seuil. Ce n'est pas une coïncidence : il existe une raison pour laquelle une montagne ne peut pas grandir davantage. Et pourtant, faite de la même roche, une montagne peut s'élever presque trois fois plus haut sur Mars.
Quand on empile du sable mouillé en forme de tas dans un bac à sable, on arrive à un point où il devient impossible d'ajouter de la hauteur. On a beau en rajouter au sommet, la base s'élargit peu à peu et l'ensemble s'aplatit et s'épaissit.
Le sable ne s'effondre pas : le sable du bas ne supporte plus le poids du dessus, alors il s'échappe sur le côté.
Un phénomène très semblable se produit avec les montagnes terrestres. La seule différence, c'est que le matériau n'est pas du sable mais de la roche, ce qui repousse la hauteur limite beaucoup plus haut.
Deux mécanismes limitent la hauteur d'une montagne
Plus une montagne est haute, plus la charge qui pèse sur la roche du bas est lourde. Au-delà d'une certaine pression, la roche ne peut plus garder sa forme et s'étale lentement sur les côtés. Même si l'on ajoute de la matière au sommet, la base s'écrase d'autant.
La plaque rocheuse qui forme la surface de la Terre flotte sur une couche chaude et capable de s'écouler, située en dessous. Quand une montagne s'alourdit, l'ensemble s'enfonce, comme un bateau qu'on charge de marchandises, ce qui annule une partie du gain de hauteur.
Ces deux mécanismes sont distincts, mais ils mènent tous deux à la même conclusion : ce qu'on empile au sommet ne se transforme pas intégralement en hauteur. Voyons-les l'un après l'autre.
1. La roche s'écrase plus facilement qu'on ne le croit
On a l'impression que la roche est extrêmement dure. On trouve facilement des pierres qui ne se brisent pas sous les coups de marteau. Mais résister à la casse et résister à l'écrasement sont deux choses bien différentes.
La roche tout en bas d'une montagne supporte le poids de la montagne entière. Si la hauteur double, la pression à la base double aussi. Or la roche possède une limite : « la pression au-delà de laquelle elle commence à changer lentement de forme tout en restant solide ». Elle se situe autour de 200 millions de pascals.
Ce chiffre, une fois traduit en hauteur limite, donne un résultat de l'ordre de 7000 et quelques mètres (le calcul se trouve dans le dernier volet dépliable). C'est quasiment le même ordre de grandeur que les 8848 mètres du point culminant terrestre. Si les plus hauts sommets se regroupent tous autour de 8000 et quelques mètres, c'est précisément parce que c'est là la limite du matériau.
Mais la solidité de la roche n'est pas seule en jeu. La pression à la base dépend aussi de l'intensité de la gravité. Regardez la figure 1 : pour une roche identique, une gravité plus faible allège la charge à la base pour une même hauteur, ce qui permet d'empiler davantage.
La gravité martienne vaut environ un tiers de la gravité terrestre. Pour une roche de résistance identique, la hauteur limite grimpe donc à près de trois fois plus haut. C'est ainsi que Mars abrite le mont Olympe, un gigantesque relief qui s'élève à plus de 20 kilomètres au-dessus des plaines environnantes. Une montagne qui, selon les critères terrestres, ne pourrait tout simplement pas tenir debout, se dresse là-bas comme si de rien n'était.
2. Une montagne s'enfonce dans le sol sous son propre poids
La seconde raison tient à ce sur quoi repose la montagne. La plaque rocheuse qui forme la surface de la Terre flotte sur une couche capable de s'écouler à très longue échéance. C'est la même relation qu'entre la glace et l'eau.
Quand la glace flotte sur l'eau, la partie immergée est plusieurs fois plus volumineuse que la partie émergée. Il en va de même pour une montagne : sous la partie visible qui s'élève dans les airs s'étend une « racine » plusieurs fois plus épaisse, enfoncée vers le bas. Quand on empile de la matière au sommet, la racine s'enfonce elle aussi plus profondément. C'est pourquoi tout ce qu'on ajoute ne se transforme jamais intégralement en hauteur.
Cette relation joue aussi en sens inverse quand une montagne est érodée. Quand son sommet s'allège sous l'effet de l'érosion, la montagne remonte lentement. À très longue échéance, la hauteur d'une montagne se stabilise là où s'équilibrent trois forces : la force qui pousse vers le haut par accumulation, la force d'érosion, et le jeu de la flottaison.
Plus une montagne est haute, plus une bande de glace se forme près de son sommet. Cette glace, en se déplaçant, arracherait la roche, si bien qu'au-delà d'une certaine altitude, la vitesse d'érosion augmenterait brusquement. Une étude de 2009 a montré que, dans de nombreuses chaînes de montagnes à travers le monde, la hauteur des sommets se rapproche de « l'altitude à partir de laquelle la glace commence à se former ». Ce n'est donc pas seulement la solidité de la roche, mais aussi le froid, qui détermine la hauteur d'une montagne.
En résumé
Ce qui détermine la hauteur d'une montagne, ce n'est pas la force avec laquelle elle a été poussée vers le haut. C'est la limite au-delà de laquelle la roche de la base ne supporte plus son propre poids, l'ampleur de l'enfoncement du socle flottant, et la vitesse à laquelle le sommet est érodé. La hauteur d'une montagne se stabilise là où ces trois forces s'équilibrent. Sur Terre, la réponse tourne autour de 9 kilomètres ; sur Mars, où la gravité est plus faible, elle atteint 25 kilomètres.
Une montagne ne s'élève pas indéfiniment.
Elle se tient debout, tout juste à la limite de ce que son propre poids lui permet.
La raison pour laquelle on trouve des fossiles de coquillages au sommet des montagnes est expliquée dans Comment les fossiles de coquillages sont-ils arrivés au sommet des montagnes ?, et la raison pour laquelle les arbres disparaissent en haute altitude est expliquée dans Pourquoi les arbres ne poussent-ils plus en haute montagne ?.
- Faites tomber de la farine ou du sucre, à la cuillère, petit à petit, sur une assiette plate, pour former la montagne la plus haute possible.
- Vérifiez qu'à partir d'une certaine hauteur, ajouter de la matière ne fait plus grandir le tas : seule la base s'élargit. C'est que les grains s'échappent sur le côté.
- Refaites l'expérience avec du sable mouillé ou de la chapelure humide. Comme les grains adhèrent entre eux, on peut empiler plus haut. On voit ainsi directement que la hauteur limite dépend de la solidité du matériau.
Dans une vraie montagne, ce ne sont pas des grains qui débordent, mais la roche elle-même qui s'écrase et s'étale. L'échelle du phénomène est différente, mais le principe reste le même : c'est la solidité du matériau qui fixe la hauteur.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège jusqu'aux matières spécialisées de l'université, le niveau de chaque point est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en « sciences de la Terre / physique » au lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'une matière spécialisée universitaire (géophysique, mécanique des roches)
- RechercheContenu qui n'est même pas enseigné comme « établi » à l'université, encore en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Isostasie : état d'équilibre dans lequel la plaque rocheuse de la surface terrestre flotte sur la couche du dessous. Plus une montagne est lourde, plus elle s'enfonce profondément.
- Résistance à la compression : la pression maximale qu'un matériau peut supporter sans s'écraser. Pour la roche, elle se situe autour de 200 millions de pascals.
- Déformation plastique : changement de forme d'un matériau qui reste solide, sans se briser. Sous une forte pression, la roche subit ce phénomène sur de longues durées.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle est la hauteur limite ?
La pression qui s'exerce à la base d'une montagne se calcule ainsi : « densité de la roche × intensité de la gravité × hauteur ». La hauteur limite sur une planète donnée est celle où cette pression égale la pression que la roche peut supporter. Les unités sont le kilogramme par mètre cube pour la densité, et le pascal pour la pression.
| Densité de la roche | environ 2700 (kilogrammes par mètre cube) |
| Pression à partir de laquelle la roche commence à se déformer | environ 200 000 000 (pascals, soit 200 millions) |
| Intensité de la gravité (Terre) | environ 9,8 (mètres par seconde carrée) |
| Intensité de la gravité (Mars) | environ 3,7 (mètres par seconde carrée) |
| Terre : hausse de pression par mètre de hauteur | 2700 × 9,8 = 26460 |
| Terre : hauteur limite (mètres) | 200 000 000 ÷ 26460 ≒ 7559 |
| Mars : hausse de pression par mètre de hauteur | 2700 × 3,7 = 9990 |
| Mars : hauteur limite (mètres) | 200 000 000 ÷ 9990 ≒ 20020 |
Le résultat est d'environ 7600 mètres pour la Terre et d'environ 20 000 mètres pour Mars. Le point culminant terrestre réel étant à 8848 mètres, et le mont Olympe martien dépassant 20 kilomètres, même cette estimation simplifiée retrouve bien le bon ordre de grandeur et le bon rapport entre les deux planètes.
LycéeLycée+Comment agit le socle flottant
LycéeL'équilibre de flottaison se traite avec le même raisonnement que pour un objet flottant sur l'eau. Il se stabilise à la position où le poids de la partie flottante égale le poids de la couche déplacée en dessous. Que la roche du dessus soit plus légère que la couche du dessous est la condition nécessaire à cet équilibre.
Lycée+Si l'on prend une densité d'environ 2700 pour la roche du dessus et d'environ 3300 pour la couche du dessous, l'épaisseur de la racine qui s'étend sous la montagne représente environ quatre à cinq fois la hauteur visible en surface. L'épaississement de la croûte sous les chaînes de montagnes est confirmé par l'observation de la propagation des ondes sismiques.
UniversitéLa roche finit par s'écouler, avec le temps
La solidité de la roche ne se résume pas à un seul chiffre. Une même roche résiste de façon rigide à une force appliquée brièvement, mais s'écoule lentement sous une force appliquée sur une longue durée. Cette tendance s'accentue avec la température. Dans les profondeurs de la racine d'une montagne, la température et la pression sont élevées, si bien que la roche s'y déforme sous des forces bien plus faibles que lors d'un essai d'écrasement en laboratoire sur de la roche de surface. La limite réelle d'une montagne se calcule en combinant cette déformation dépendante de la température avec les forces latérales que génère la forme même du relief.
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Est-ce la solidité ou le froid qui fixe la limite ? On ne sait pas si c'est la solidité de la roche ou l'érosion glaciaire qui agit en premier ; la réponse pourrait varier d'une chaîne de montagnes à l'autre, sans qu'un consensus existe.
- La vraie limite des montagnes martiennes. On ignore si les gigantesques reliefs martiens sont tout juste à leur limite ou s'ils disposent encore d'une marge, car la température interne de Mars n'est qu'une estimation.
- Le lien entre vitesse d'érosion et vitesse de remontée. Si la montagne remonte exactement autant qu'elle est érodée, l'érosion ne la ferait pas baisser. L'ampleur de cet effet varie selon la méthode de mesure utilisée.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète lui aussi « ce que l'on comprend à l'heure actuelle ». Un point fait cependant consensus : la hauteur d'une montagne ne dépend pas d'une seule cause, mais de l'équilibre entre plusieurs forces.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Évolution de la Terre / Force et pression | Relation entre hauteur et pression à la base |
| Lycée | Sciences de la Terre・Structure de la Terre / Physique・Flottaison | Équilibre du socle flottant |
| Lycée+ | Sciences de la Terre・Épaisseur et densité de la croûte | La racine, 4 à 5 fois plus épaisse que la hauteur visible |
| Université | Mécanique des roches・Géophysique | Variation de la déformation de la roche selon la température |
| Recherche | Étude de l'évolution des reliefs | Équilibre entre vitesse d'érosion et vitesse de remontée |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Le tas de sable ou de farine qui ne grandit plus au-delà d'une certaine hauteur |
- NASA « Mars Fact Sheet » (données de base sur la gravité et la taille de Mars)
- Egholm et al., "Glacial effects limiting mountain height", Nature 460 (2009)
- H. J. Melosh, « Planetary Surface Processes », Cambridge University Press (relief des surfaces planétaires et hauteur limite que peut soutenir un relief)
- Autorité cartographique nationale du Japon (国土地理院), « Altitudes des principaux sommets du Japon (日本の主な山岳標高) » ainsi que la liste des altitudes des principaux sommets mondiaux (valeurs mesurées des hauteurs des montagnes)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension des mécanismes. La hauteur réelle d'une montagne peut varier selon la méthode de mesure et le niveau de référence utilisé. Pour la randonnée en montagne, suivez les bulletins météorologiques et les consignes des autorités locales et des associations de montagne.