Les chaînes de montagnes comme les Alpes et l’Himalaya ont été arcs insulaires puis arc continentaux - donc chaînes de subduction- avant de rentrer en collision et de devenir chaînes de collision.

Un des marqueurs essentiels de cette « préhistoire » est la présence d'anciens arcs volcaniques comparables à ceux des zones de subductions actuelles, mais déformés et métamorphisés.

Un autre marqueur est un métamorphisme spécifique qui se produit lors de l'enfouissement des plaques plongeantes.

Le métamorphisme se produisant à grande profondeur, il est difficile à observer de nos jours. Cependant il arrive, aux Mariannes, que des volcans de boues remontent des échantillons de roches métamorphisées (schistes bleus) dans la plaque sous-jacente s’enfonçant actuellement à 10 cm/an.

Une zone de subduction, ou marge active, porte des roches froides de la lithosphère océanique vers le manteau chaud. Les zones de subduction se traduisent donc par de profondes invaginations des isothermes.

Cette invagination se traduit par l’établissement d’un gradient de température dans un contexte de déformation pénétrative intense et donc à de très fortes pressions.

En conséquence, des profondeurs relativement importantes peuvent être atteintes
pendant que la température reste relativement basse. Il se crée un domaine de basses températures -BT- ( relativement basses car il s'agit quand même de centaines de degrés !) et de hautes pressions -HP- où se produira un métamorphisme dit HP-BT sur des roches telles que calcaires, grès, argilites, roches volcaniques ou granites.

Un des outils fondamentaux pour caractériser le métamorphisme est la détermination des «faciès métamorphiques et gradients métamorphiques», c'est-à-dire l'intensité du métamorphisme qu'une roche a subi.

La notion de faciès métamorphique était proposée par Pentii Eskola au début du siècle (1915). C’est une notion pratique qui permet de regrouper des roches soumises à des intervalles de pression et température, indépendamment de leur composition chimique. Les noms des faciès correspondent aux noms des roches de composition basaltique métamorphisées ; ils sont définis par des assemblages de minéraux. Ainsi, dans le cadre d’une subduction, des faciès sont nommés « Schistes bleus, Eclogite, Schistes verts, Amphibolite, Granulite… ».
Chacun des faciès correspond à un intervalle de pression et de température.

La répartition des faciès dans une zone de subduction présente une polarité : il y a une augmentation de l'intensité le long de la plaque plongeante. Ernst (1971) a reconnu que cette polarité était déterminante pour comprendre le sens de plongement dans les anciennes zones de subduction. Sauf si le complexe de subduction a été complètement inversé, l'augmentation de l'intensité du métamorphisme indique la direction du pendage de l'ancienne zone de subduction.

Sur le terrain et en laboratoire (pétrologie, géochimie, expérimentation, géochronologie), l’étude des roches métamorphiques révèlera toutes les histoires de transports de matériaux vers les profondeurs puis vers la surface, c’est-à-dire l’histoire de la croûte terrestre depuis des milliards d’années.

Encore très récemment, les scientifiques considéraient que la croûte continentale, trop légère, ne pouvait pas être subduite. Ces «radeaux continentaux» seraient insubmersibles contrairement à la croûte océanique.
Depuis une vingtaine d'années, des découvertes minéralogiques ont étonné dans les Alpes, en Himalaya, en Norvège.

La découverte de coésite (forme de haute pression du quartz) dans les Alpes indique que des morceaux de la croûte ont été soumis à des pressions d’au moins 2,5 à 3 GPa. Ils avaient donc été enfouis à plus de 90 km de profondeur.
La présence dans certains cas de diamants (forme de haute pression du graphite) suggère des pressions de plus de 4 GPa correspondant à une profondeur de plus de 120 km. Il s’agit pour l’essentiel de roches sédimentaires ou granodioritiques provenant de la croûte continentale supérieure. On les a trouvées, entre autres, dans les Alpes et l’Himalaya.

Ces minéraux formés à très grandes profondeurs indiquent clairement qu’une croûte continentale très étirée peut avoir atteint des profondeurs allant jusqu’à 140 km et qu’elle peut donc entrer en subduction. Cette subduction continentale est un thème d’actualité de la recherche

Le géologue peut repérer une ancienne subduction car des morceaux de plaque subduite ont remonté en surface. Ce moment de leur histoire est énigmatique surtout quand les morceaux de plaque ont atteint de grandes profondeurs (100 km). Ce phénomène, nommé exhumation, est un thème de recherche très actuel car chaque affleurement est un cas particulier et complexe.

Exhumation par le principe d’Archimède
Premiers modèles proposés pour l’exhumation des roches de HP, basés sur l’idée que l’ensemble métamorphisé, moins dense que le manteau, remonte de façon passive, grâce à la rééquilibration isostatique. Cette rééquilibration produit des reliefs que l’érosion détruit.

Exhumation par éduction
Dans ce cas, la partie de la croûte métamorphisée en faciès éclogite acquiert une densité comparable à celle du manteau, se détache et tombe (slab break-off en anglais). Cette croûte éclogitisée est entraînée dans le manteau et provoque une remontée isostatique de la plaque plongeante restante : c'est l'éduction. Les reliefs créés en surface sont alors érodés.

Exhumation par les forces d’Archimède, avec une géométrie de subduction.
Cette proposition a fait l’objet de modélisation analogique et a été appliquée à diverses chaînes de montagne. Dans ce cas, toute la lithosphère continentale est entraînée dans la subduction. La croûte continentale de faible masse volumique résiste à l’enfoncement dans l’asthénosphère et une lame se détache du manteau supérieur lithosphérique et remonte vers la surface avec des roches ayant atteint des grandes profondeurs (faciès schistes bleus et éclogitiques).

Exhumation liée à la dynamique du prisme d’accrétion
La dynamique du prisme est contrôlée par le maintien d’une géométrie de prisme à l’équilibre. La géométrie de prisme résulte des forces qui s’appliquent à l’intérieur. En réponse à l’accrétion, par sous-plaquage de matériaux provenant de la plaque subduite, le prisme va se déformer jusqu’à atteindre une nouvelle géométrie d’équilibre et ainsi engendrer une dynamique interne, responsable de l’exhumation des roches de HP. La déformation se fait de manière continue et se traduit par une compression à l’intérieur du prisme, et une extension à l’arrière.

Chaque modèle permet d'expliquer la présence de roches de hautes pressions dans
certains massifs, mais aucun des modèles n'est satisfaisant pour tous les massifs de roches de HP. Rappelons qu'un modèle ne peut pas représenter toute la réalité, mais être un outil pour mieux la comprendre.

L’enfouissement de la roche se traduit sur un diagramme P-T par un trajet correspondant à une augmentation du métamorphisme, ce trajet est désigné comme prograde. Les conditions de pression étant croissantes dans la plupart des cas, ce gradient prograde correspond donc à un enfouissement en profondeur de l’unité.

Une visite de la plus grande chaîne de montagnes du monde, l’Himalaya (séjour des neiges, en sanscrit) montre que, comme dans les Alpes, la subduction peut mener à la collision de deux continents.

A l’affleurement, les géologues découvrent, entre autres, des roches qui ont été enfouies dans les conditions particulières d’une zone de subduction, avant retour à la surface : 

• De nombreux schistes bleus ont maintenant été reconnus par différents chercheurs dans la partie NW de la chaîne. Ces schistes bleus soulignent l’ancienne zone de subduction dans l’Himalaya.
  
  
• Des éclogites, affleurant au sein d’unités cristallines de la marge continentale indienne, ont été découvertes dans la virgation nord-ouest himalayenne. Elles témoignent de roches descendues très profondément dans la subduction (50 km environ).

Reconstitution des faits :

• Une chaîne d’âge crétacé est née de la subduction (commencée au Crétacé, vers 110 Ma) de l’océan Téthys, séparant l’Inde de l’Asie, sous l’Eurasie. Cette chaîne était du type de la Cordillère des Andes actuelle ( plutons granitiques, laves andésitiques et roches sédimentaires).
  
  
• La collision entre la plaque indienne et l’Eurasie commence à l'Éocène (55 ma). Au nord de la série ophiolitique du Tibet, marquant la suture de la Téthys, on observe un prisme d'accrétion.
  
  
• Après la collision entre l’Asie et l’Inde, toute la croûte indienne se déforme. Cette croûte est cisaillée en grandes nappes (ou lames d’épaisseur décakilométriques). Le contact majeur est appelé le " Main Central Thrust " (MCT). C'est l'empilement de trois grandes nappes de charriage déformées de manière ductile qui provoque l'épaississement crustal de la chaîne Himalayenne.
  L'étirement des roches métamorphiques, comme les alignements de minéraux, permettent de reconstituer le sens de déplacement des nappes (le déplacement vers le sud de la partie superficielle traduit un enfoncement vers le nord de la partie inférieure).

Le manteau lithosphérique qui supporte cette croûte indienne a disparu dans l'asthénosphère, avec pour conséquence un allègement de la plaque. La plaque indienne remonte, expliquant ainsi les hauts-reliefs observés dans la chaîne de l’Himalaya.

La diversité, l'importance et la complexité des phénomènes géodynamiques liés à la subduction nécessitent une bonne connaissance de l'évolution des plaques plongeantes.

On dispose d'images instantanées (tomographie), on dispose de traces fossiles exhumées des différentes zones, mais on ne peut pas suivre le comportement d'une plaque en cours de subduction dans le manteau. Les études expérimentales sont un appoint précieux.