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histoire d'un mod�le et un exemple d'application du mod�le (ˆ la recherche et ˆ l'exploitation de substances utiles) |
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Plan de la page
retour plan du cours
EN TRAVAUX 2011 pour au moins 2 ans |
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Sources Un site incontournable pour l'
enseignant : Planet-Terre,
avec les articles de Pierre Thomas et/ou Vincent
Deparis |
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Le cours est un rŽsumŽ qui,
comme le sugg�re le programme, est organisŽ selon une
chronologie des dŽcouvertes et des idŽes. |
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1 - La dŽrive des continents : de l'idŽe ˆ la thŽorie |
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1.1 - Alfred Wegener (1915 : Die Entstehung der Kontinente und Ozeane) |
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A. Wegener Žtait un mŽtŽorologue allemand. ![]() (1880 -mort tragiquement au Gro‘nland en 1930) http://www.uni-graz.at/en/igamwww_hp_a-wegener.jpg |
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Il reprend l'idŽe de dŽrive ŽnoncŽe par quelques rares prŽdecesseurs (A. Snider-Pellegrini (1858, La CrŽation et ses myst�res dŽvoilŽs, pp 314s) et surtout F. B. Taylor (1910) qui propose un gigantesque fluage de la crožte au-dessus du manteau pour expliquer la rŽpartition des cha”nes de montagnes -fig 1 et fig 2; dans des articles ultŽrieurs il proposera un dŽbut de mouvement au CrŽtacŽ au moment o� la Lune, loin de s'�tre dŽtachŽe de la Terre - comme l'avait suggŽrŽ Darwin - , aurait ŽtŽ attirŽe par elle... Ses explications sont mal documentŽes). |
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Rq1: Darwin en 1879 Žmit l'idŽe que le
Pacifique Žtait une cicatrice laissŽe sur Terre lors de sa
sŽparation avec la Lune. Cette idŽe perdurera jusqu'au XX�me
siŽcle. |
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La thŽorie* de la
dŽrive des continents : |
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* une thŽorie (scientifique) est
un ensemble d'hypoth�ses qui ont ŽtŽ validŽes par
l'expŽrience (ou conclusions selon la terminologie
classique de la mŽthode
expŽrimentale). SchŽmas coupe de Wegener et chrobars ˆ partir d'All�gre. |
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TP1 - Quelques arguments de Wegener pour Žtayer sa dŽrive des continents + exercice isostasie (calculer l'enracinement d'une montagne de 2 km d'altitude; rc=2,67 - rm=3,27) |
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Wegener s'appuie sur de nombreux
arguments** : |
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1.2 - Des arguments gŽophysiques contre la thŽorie de Wegener |
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TP2 - DonnŽes sismiques et comportement de la mati�re au sein du globe |
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La structure du globe connue par l'Žtude des ondes sismiques rŽv�le une crožte et un manteau SOLIDES. Seul le noyau externe pourrait �tre liquide. La soliditŽ-rigiditŽ du manteau reprŽsente une difficultŽ insurmontable ˆ cette Žpoque (elle sera dŽpassŽe par les notions de lithosph�re/asthŽnosph�re). |
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Les forces d'inertie supposŽes par Wegener ne peuvent rendre compte des mouvements des continents. Il ne faut pas oublier que Wegener Žtait mŽtŽorologue et non pas gŽophysicien. |
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Vers 1924, Sir Harold Jeffreys, rŽsolument opposŽ au mobilisme rejette toutes les preuves gŽologiques et gŽophysiques. En se basant sur ses propres calculs de viscositŽ du manteau il s'oppose ˆ tout mouvement latŽral. |
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TP3- PalŽomagnŽtisme |
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1.3 - Le palŽomagnŽtisme : un argument de poids pour les gŽophysiciens en faveur du mobilisme On peut dire que la thŽorie de la dŽrive des continents n'a gu�re ŽtŽ reprise par les gŽologues. Cependant, vers les annŽes 1960, de nombreux gŽophysiciens vont redevenir des dŽfenseurs du mobilisme wegenerien. L'Žtude des roches prŽsentant un magnŽtisme rŽmanent ˆ permis de proposer une explication de ce que l'on apellŽ la dŽrive des p™les magnŽtiques et qui est en fait la trace de la dŽrive des continents. |
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2 - L'expansion
des fonds ocŽaniques : de nouvelles observations et une
nouvelle hypoth�se |
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TP4 - Roches et minŽraux: |
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2.1 - L'exploration topographique et gŽologique des ocŽans dans les annŽes 1950 Pour comprendre les rapides progr�s rŽalisŽs pendant les annŽes 1950-1960 voici quelques avancŽes dans les connaissances regroupŽes selon les avancŽes techniques : - EXPLORER-CARTOGRAPHIER; pour
l'exploration des ocŽans, on arme des navires (d'abord
militaires, puis civils dŽdiŽs : ) et d�s qu'ils sont
accessibles des sous-marins et bathyscaphes (pour s'affranchir
de la houle lors des mesures). Ensuite, on utilisera aussi des
avions. Les relevŽs de la topographie sous-marine (du grec
topos = le lieu) ou relevŽe des profondeurs (= bathymŽtrie) se
font avec des moyens acoustiques (sonars, utilisant les
ultra-sons) de plus en plus performants (le sondeur
multifaisceau, seabeam,
utilisŽ ˆ partir des annŽes 1980 permet le tracŽ d'une bande
de terrain de l'ordre du km avec une prŽcision de l'ordre de
15 ˆ 30 m selon la profondeur.. - SE POSITIONNER ; en mer le probl�me majeur reste le positionnent prŽcis du navire (ˆ quoi cela sert-il d'avoir une relevŽe bathymŽtrique ˆ la dizaine de m�tres pr�s si la position du navire n'est estimŽe qu'ˆ la centaine de m�tres ?). Apr�s l'utilisation du sextant (associŽ ˆ des chronom�tres performants), des balises immergŽes, de la radiogoniomŽtrie (ˆ partir de 1952), le syst�me qui a rŽvolutionnŽ la navigation est le syst�me de positionnement radio par sattelite (triangulation) : TRANSIT (dans les annŽes 1960-1970) puis GPS (amŽricain , dŽveloppŽ ˆ partir des annŽes 1978 (qui atteint 10 m de prŽcision). Le syst�me Galileo europŽen devrait �tre disponible en 2014. - MESURER ; on
fait des enregistrements sismiques, gravimŽtriques,
magnŽtiques et thermiques. |
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2.2 - L'hypoth�se de Hess (l'expansion des fonds ocŽaniques) et ses dŽveloppements |
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Si l'expression "seafloor spreading" est due ˆ Dietz (Nature, 1961) la paternitŽ de l'idŽe en revient ˆ Harry Hess de l'universitŽ de Princeton qui publie la synth�se de toutes les donnŽes prŽcŽdentes en une unique hypoth�se en 1960. |
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Ç Les dorsales ocŽaniques seraient la partie supŽrieure des branches ascendantes et donc chaudes de cellules de convection intŽrieures au manteau; le fond des ocŽans serait ainsi entra”nŽ ˆ partir des dorsales comme sur un tapis roulant puis s'enfoncerait dans les fosses marginales, portŽ par les parties descendantes froides des cellules de convection. Le fond des ocŽans serait donc aussi jeune car en perpŽtuel renouvellementÈ. |
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J. Tuzo Wilson (Nature, 1965) propose de dŽcouper la surface du globe en plaques rigides. Il donne aussi leur nom aux failles transformantes (zones de cisaillement plus ou moins perpendiculaires ˆ la direction d'affrontement de deux plaques). C'est Lynn Sykes (1967) qui confirmera ces mouvements par l'analyse des mŽcanismes au foyer. |
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dessin de Wilson prŽsentant une faille transformante et l'ouverture de l'Atlantique |
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Fred Vine et Drummond Matthews (Nature, 1963) interprŽtent les anomalies magnŽtiques de la dorsale et calculent en 1966 des vitesses d'expansion de 4,5 cm/an pour le Pacifique Est et 1 cm/an pour le Sud de l'Islande. |
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D�s 1966 la majoritŽ des gŽologues se rallient
ˆ l'hypoth�se de Hess. |
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Le programme de forage JOIDES (Joint Oceanographic Institute Deep Earth Sampling Programme) rŽalisŽ par le navirte Glomar Challenger entre 1968 et 1978 permet de forer 1000m de sŽdiment (et un peu de crožte basaltique) sous 6000m d'eau avec un repŽrage performant du navire. C'est ainsi que l'‰ge des sŽdiments et des roches volcaniques sous-jacentes est prŽcisŽ. |
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Ë la fin des annŽes 1970 tout le monde, sauf certains gŽologues "continentaux", s'est ralliŽ ˆ la thŽorie de l'expansion ocŽanique; il reste ˆ rŽaliser une synth�se tectonique globale. |
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3 - La
thŽorie de la tectonique des plaques : une thŽorie encore
moderne |
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La thŽorie de la
tectonique des plaques
est formulŽe d�s 1967-1968 par Jason Morgan
(universitŽ de Princeton), Dan McKenzie (universitŽ de
Cambridge) et Xavier Le Pichon (Lamont laboratory puis
Paris). |
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La "thŽorie de la tectonique des
plaques" explique tous les mouvements et les
dŽformations de la crožte terrestre (de tectus
= le to”t en latin) par le mouvement de plaques: |
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3.1 - Les limites de plaques ne sont pas dŽterminŽes par les reliefs terrestres, mais par l'activitŽ sismique et volcanique. |
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Les reliefs terrestres sont dus ˆ la tectonique des plaques, mais ce sont des limites parfois tr�s anciennes (une montagne ancienne n'est gŽnŽralement plus un lieu o� s'affrontent actuellement deux plaques). Les limites actuelles des plaques sont dŽterminŽes par les tŽmoins de l'activitŽ du globe prŽsente: essentiellement les sŽismes (mouvements brusques de la surface) et les volcans (arrivŽe et Žpanchement de magmas). |
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Les points chauds sont des zones de volcanisme tr�s localisŽes qui ne sont pas en relation avec les limites de plaques actuelles (Bordas p 123). L'activitŽ du globe n'est pas limitŽe aux fronti�res entre plaques; si elle est concentrŽe aux fronti�res entre les plaques, il existe cependant au sein des plaques des zones d'activitŽ sismique (notamment lorsque une plaque s'amin�it et peut prŽsenter un dŽbut de zone de divergence en formation) ou de volcanisme actif (en association avec l'amincissement de la lithosph�re continentale ou au beau milieu d'un ocŽan comme pour les points chauds). |
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3.2 Les mouvements relatifs des plaques entre elles sont des rotations qui dŽfinissent 3 types de mouvements, mais 4 types gŽologiques de fronti�res de plaques : mouvement de divergence (dorsales ocŽaniques), mouvement de convergence (subductions et collisions) et mouvement de coulissage (failles transformantes) |
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Dans la thŽorie des plaques, les mouvements des plaques sont des rotations autour d'un axe dŽfini pour chaque fronti�re de plaque. |
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La carte des mouvements relatifs des plaques entre elles (ancien Belin, p 79, ancien Nathan, p 313) permet de retrouver les 4 types de fronti�res. |
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3.3 - Les plaques lithosphŽriques solides et rigides se dŽplacent sur l'asthŽnosph�re solide et dŽformable |
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3.3.1 - Limites |
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La lithosph�re est la zone qui est situŽe au-dessus de la LVZ; elle comprend la crožte (10 ˆ 30 km) et le manteau supŽrieur lithosphŽrique (environ 100 km). Sa limite infŽrieure la plus gŽnŽrale est l'isotherme 1300¡C. L'asthŽnosph�re est la partie du manteau supŽrieur situŽe sous la lithosph�re. Elle est limitŽe vers le haut par la LVZ qui en fait partie, ou plus prŽcisŽment par l'isotherme 1300¡C, et vers le bas par la fin de la zone de transition (lorsque les vitesses sismiques ont une augmentation rŽguli�re avec la profondeur) qui marque le dŽbut de la mŽsosph�re, vers 700km. Le manteau supŽrieur comprend le manteau lithosphŽrique et asthŽnosphŽrique. Le manteau infŽrieur correspond ˆ la mŽsosph�re. |
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3.3.2 - CaractŽristiques et composition |
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La crožte continentale serait donc de composition globalement granitique (ou gneissique), la crožte ocŽanique basaltique et gabbro•que, le manteau serait pŽridotitique. Le noyau externe enfin serait constituŽ essentiellement de fer, associŽ au nickel et quelques ŽlŽments lŽgers comme le soufre, l'hydrog�ne et l'oxyg�ne. La discontinuitŽ de Lehman serait due ˆ la cristallisation d'un alliage fer-nickel solide qui constituerait la graine. |
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Remarque: |
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Depuis la fin des annŽes 1980 on
utilise, notamment en France, des
cellules ˆ enclumes de diamant,
qui permettent d'atteindre des pressions
phŽnomŽnales: en fait la pression que l'on
pense rŽgner ˆ l'interface manteau-noyau (1200kbar
~= 120.000 MPa = 120 GPa soit 1,2 Gatm avec 1bar
~= 1 atm = 0,1 MPa) voire l'ensemble des pressions
au sein du globe; en effet, depuis peu, on atteint
500GPa; ces cellules permettent aussi, du fait de
la transparence du diamant de chauffer le minŽral
(jusqu'ˆ 5000K) que l'on soumet ˆ cette pression.
On est ainsi parvenu ˆ simuler
notamment la transition que l'on pense se rŽaliser
dans l'asthŽnosph�re entre des structures
cristallines tŽtraŽdriques (type olivine :
(Mg,Fe)SiO4, puis spinelle : le minŽral
Žtant la wadsleyite), vers 400 km (zone de
transition) et octaŽdriques (type pŽrovskite :
(Mg,Fe)SiO3), ˆ la base de
l'asthŽnosph�re. L'idŽe Žtant que plus la
structure est soumise ˆ forte pression plus elle
est dense et l'espace occupŽ pour une masse
donnŽe est faible, ˆ composition atomique Žgale.
L'esp�ce minŽrale de la zone de transition est
nommŽe ringwoodite (ˆ partir de 410 km).
Elle se dŽcompose en pŽrovskite silicatŽe et en magnŽsiowŸstite
dans le manteau infŽrieur (limite 660 km). Une
nouvelle structure minŽrale, la postpŽrovskite
serait prŽsente au niveau d'une couche D" au
relief chahutŽ (au moins 100 km d'amplitude)
situŽe ˆ la limite manteau-noyau vers 2600-2700
km. |
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Remarques complŽmentaires : l'intŽrieur de laTerre Žtant inacessible ˆ l'Žchantillonnage ˆ part les quelques kilom�tres supŽrieurs les donnŽes sont indirectes, sauf ˆ supputer sur l'origine plus ou moins profonde d'une lave : |
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* Les donnŽes sismiques fournissent une estimation des vitesses et donc de la densitŽ des matŽriaux inaccessibles des couches internes. On effectue donc des comparaisons avec des matŽriaux accessibles. L'utilisation des presses ˆ enclumes de diamant a considŽrablement fait augmenter nos connaissances. * L'analyse des mŽtŽorites
est le premier ŽlŽment, utilisŽ depuis le XIX�me si�cle. Si
l'on pense que la syst�me solaire, avec ses plan�tes, s'est
formŽ ˆ partir de l'accrŽtion de poussi�res, puis de petits
corps, les mŽtŽorites reprŽsentent des fragements de ces corps
qui se sont brisŽs puis sont tombŽs sur terre. On distingue
deux types de mŽtŽorites: |
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Remarque: |
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3.3.3 Dynamique |
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Les matŽriaux terrestres chauds et peu denses montent puis s'Žtalent ˆ la surface de la terre alors que les matŽriaux froids et denses s'enfoncent dans le manteau. C'est la gravitŽ qui attire les masses les plus denses vers le bas. Ces derni�res, en prenant la place des masses les moins denses, repoussent celles-ci vers le haut. A composition chimique, minŽralogique et pŽtrologique homog�ne le manteau infŽrieur (-700 ˆ -2900 km) ne prŽsente de diffŽrence que de tempŽrature. |
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La convection est un transfert de chaleur par mouvement de mati�re. Les mouvements au sein du manteau sont lents (quelques centim�tres par an) et affectent un SOLIDE (dŽformable). |
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3.4 - Les plaques croissent au niveau des dorsales par accrŽtion de roches du manteau chaudes (du latin accretio = accroissement; accrŽtion = agglomŽration d'ŽlŽments) |
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L'axe de la dorsale lente prŽsente un rift et est le lieu de formation d'une crožte ocŽanique basaltique Žpaisse (5-10 km).
TD5 -
Magamatisme et formation de la crožte ocŽanique |
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Un essai de reprŽsentation d'un mod�le de
dorsale en respectant l'ECHELLE. (ce mod�le correspond ˆ celui d'une dorsale lente - voir ci-dessous pour le mod�le d'une dorsale rapide) |
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Le terme d'accrŽtion dŽsigne la formation de la crožte par ajout de matŽriel issu d'un magma d'origine pŽridotitique. Si le magma arrive en surface il donne, par refroidissement brutal avec l'eau de mer ˆ 2¡C, des Žpanchements volcaniques de basaltes en coussins et tubes (pillow-lavas selon le terme anglais qui signifie laves en oreillers) qui surmontent les points d'injection du magma qui se prŽsentent sous forme de filons verticaux de basaltes (dykes). Si le magma se refroidit et cristallise plus lentement en profondeur, il donne des gabbros. La pŽridotite appauvrie (par la perte de quelques % d'ŽlŽments qui sont passŽs ˆ l'Žtat liquide dans le magma), reste une pŽridotite, du point de vue pŽtrologique (voir TD4). |
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La crožte ocŽanique (dont
la limite infŽrieure est le Moho, absent ˆ l'axe de la
dorsale) comprend donc 3 "couches":
les basaltes en coussins, les basaltes en filons verticaux,
et les gabbros. La pŽridotite appauvrie appartient au
manteau lithosphŽrique. |
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![]() La formation de la crožte ocŽanique ˆ partir du manteau pŽridotitique Attention une chambre magmatique n'est pas une cavitŽ remplie de magma mais une roche (pŽridotite appauvrie) remplie, plut™t comme une Žponge, de magma sous formes de goutelettes de liquide (VOIR TD4). |
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+ On peut distinguer, selon la vitesse de divergence, deux types de dorsales: |
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* des dorsales lentes (divergence infŽrieure ˆ 4-5 cm par an, type atlantique) caractŽrisŽes par une vallŽe ˆ leur axe ou rift ou graben (fossŽ en allemand), qui peut �tre dŽcoupŽe en vallŽes embo”tŽes sŽparŽes par des failles normales. Les points les plus ŽlevŽs de la dorsale sont les cr�tes bordant l'une ou l'autre des vallŽes du rift. Les foyers des sŽismes observŽs ˆ l'axe peuvent �tre assez profonds et dŽpasser la profondeur d'1 km. |
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* des dorsales moyennes et rapides (divergence supŽrieure ˆ 4-5 cm par an, type pacifique) caractŽrisŽes par un d™me axial ou horst (en allemand). Des vallŽes peuvent encadrer ce point le plus ŽlevŽ de la dorsale. Elles sont sŽparŽes par des failles normales. Les foyers des sŽismes observŽs ˆ l'axe sont assez superficiels (profondeur infŽrieure ˆ 1 km). |
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On a dŽcouvert des dorsales rapides SANS CROóTE (ni chambre magmatique) o� la pŽridotite asthŽnosphŽrique serpentinisŽe affleure sous les sŽdiments ˆ l'axe de la dorsale. Comme le Moho est dŽterminŽ sismiquement, et
comme les basaltes et les gabbros MAIS AUSSI LES PƒRIDOTITES
SERPENTINISƒES (voir Thomas)
ont des vitesses de propagation des ondes de volume (P et Sv)
identiques, le Moho existe aussi bien pour des dorsales lentes
que rapides avec des horsts ou des rifts. Seule la composition
pŽtrologique change pour ces diffŽrentes dorsales. Les dorsales rapides prŽsentent le plus souvent un horst et peuvent m�me ne pas avoir de crožte ocŽanique au sens pŽtrologique (ni basalte ni gabbro ; seul le manteau lithosphŽrique pŽridotitique altŽrŽ par serpentinisation et hydratŽ est prŽsent). |
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![]() ![]()
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Remarques complŽmentaires: |
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+ Les dorsales prŽsentent une tectonique (sŽismes et failles normales) en extension Les dorsales sont toujours des zones de DIVERGENCE
(du point de vue du mouvement des plaques) et donc des zones EN
EXTENSION (du point de vue des
mŽcanismes tectoniques, c'est-ˆ-dire des mouvements de
dŽformation des roches). Remarque: l'extension (ou distension, qui est un allongement selon l'axe considŽrŽ) s'oppose ˆ la compression (raccourcissement selon l'axe considŽrŽ) mais il ne faut pas confondre mouvement des plaques (divergence, convergence, coulissage) et les mouvements de dŽformation de la roche dues aux contraintes qui s'exercent localement. Le fait qu'une dorsale soit en extension ˆ son axe ne veut pas dire que les contraintes exprimŽes dans la roche soient toujours des distensions mais que les rŽsultantes des diffŽrentes contraintes (extensions et compression) sont des extensions. Il existe donc des compressions et des extensions dans une zone de plaques en divergence; mais le mouvement principal est bien une extension. De la m�me mani�re les zones de CONVERGENCE (de plaques) peuvent prŽsenter ˆ la fois des mouvements locaux d'extension et de compression. L'extension de la zone axiale de la dorsale (allongement) est due ˆ l'entra”nement de la lithosph�re ocŽanique formŽe ˆ l'axe. La lithosph�re ocŽanique tend ˆ s'enfoncer PAR GRAVITƒ dans l'asthŽnosph�re au fur et ˆ mesure qu'elle se refroidit - et donc qu'elle augmente en densitŽ-, qu'elle se gorge d'eau et qu'elle s'Žpaissit (voir plus bas). L'ENTRAëNEMENT par les mouvements de convection du manteau asthŽnosphŽrique jouerait aussi un r™le. |
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Les manifestation de cette tectonique en
extension sont visibles au niveau des enregistrements
sismiques et des failles. |
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Je rappelle qu'une faille est un dŽplacement le long d'un plan de rupture (dŽformation discontinue dans le domaine fragile- voir TP1). Le sens du dŽplacement (inverse, normale, dŽcrochement) indique de fa�on Žvidente le type de mouvement tectonique ˆ son origine (extension, compression, coulissage).
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3.5 - Les plaques peuvent cro”tre par Žpaississement lors du chevauchement de 2 plaques l'une sur l'autre (mouvement de collision) |
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voir TS |
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Les collisions peuvent se faire entre deux lithosph�res continentales, entre deux lithosph�res ocŽaniques ou entre une lithosph�re ocŽanique et une lithosph�re continentale. |
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Lorsqu'une des lithosph�res tend ˆ surmonter l'autre (cisaillement oblique tendant vers l'horizontalitŽ) on parle d'obduction. |
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L'exemple type d'obduction vu en TD est celle des ophiolites d'Oman. voir aussi le site de l'universitŽ de Montpellier sur l'ophiolite d'Oman (excursion virtuelle) |
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3.6 - En s'Žcartant de l'axe de la dorsale, la lithosph�re s'Žpaissit, se refroidit et s'hydrate |
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L'Žpaississement de la lithosph�re se
fait par le bas et le haut : La nouvelle crožte ocŽanique est tr�s
rapidement transformŽe principalement par les circulations
d'eau de mer. La crožte ocŽanique se charge en eau: elle s'hydrate.
L'eau de mer froide s'enfonce dans la crožte fracturŽe et est
chauffŽe. L'eau chaude et salŽe alt�re profondŽment la roche.
L'eau chaude, en solubilisant des ŽlŽments minŽraux, devient
hydrothermale. Les eaux chaudes surchargŽes en soufre, fer et
mangan�se forment les fumeurs qui sont des cheminŽes dont les
parois se construisent par la prŽcipitation des minŽraux en
solution. Les zones de sources hydrothermales profondes sont
des oasis de vie prŽsentant des esp�ces parfois gŽantes. On
observe plus d'hydrothermalisme au niveau des dorsales rapides
que sur les dorsales lentes. |
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3.7 - Les plaques disparaissent en plongeant dans l'asthŽnosph�re dans les zones de subduction. |
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Cette partie sera traitŽe plus en dŽtail en TS, l'objectif en 1�reS Žtant d'avantage de voir l'histoire de son intŽgration ˆ la thŽorie de la tectonique des plaques |
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L'Žtude des zones de subduction est
bien plus ancienne que la thŽorie de la tectonique des
plaques. En 1930 le hollandais Vening Meinesz avait
identifiŽ des anomalies gravitaires au niveau de ces "zones
actives" qu'il interprŽtait comme rŽsultant de convections
descendantes du manteau. |
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Deux petits
"chrobars" comme apŽritif tr�s thŽorique en vue de la
terminale
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Le plan de Benioff-Wadati n'est pas uniquement une fronti�re de plaques; lieu de frottements engendrant des sŽismes, mais est associŽ ˆ la gen�se de magmas assez variŽs qui vont rendre compte de la formation d'arcs volcaniques (comme au Japon) ou de vŽritables cha”nes de montagnes (comme les Andes). Suivant l'angle du plongement de la plaque lithosphŽrique ocŽanique, les magmas formŽs sont plus ou moins alcalins (plus la pression est forte, moins le degrŽ de fusion est important et plus le magma est alcalin). Mais, surtout, des sŽdiments chargŽs d'eau de mer s'enfoncent dans la fosse et participent ˆ la gen�se de magmas tr�s originaux qui sont intermŽdiaires (ni alcalins (clairs) ni basiques (sombres)) et donnent les roches de type andŽsite, dont le nom vient du massif de la cordill�re des Andes. |
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En rŽsumŽ, les zones de subduction sont ˆ la fois des limites de plaques (convergentes), des zones de disparition de la lithosph�re ocŽanique (nŽe ˆ l'axe de la dorsale et qui dispara”t dans l'asthŽnosph�re), et enfin des zones d'Žchange de mati�re et d'Žnergie (thermique principalement) entre les deux plaques convergentes qui donne naissance ˆ des sŽismes, du magmatisme et du mŽtamorphisme. On conna”t des subductions ocŽan-ocŽan ((entre les ”les Fidji et la Nouvelle ZŽlande par exemple), ocŽan-continent (sous l'AmŽrique du Sud ˆ l'ouest), ocŽan-continent mais avec une mer marginale (par exemple la mer de Chine avec la subduction du pacifique sous le Japon) et enfin continent-continent (comme l'Inde, bien que ce dernier cas soit maintenant interprŽtŽ comme une hypercollision entre deux continents, la suduction Žtant depuis longtemps terminŽe). |
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4 - NouveautŽs et difficultŽs |
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les donnŽes prŽsentŽes ici sont
issues des articles de Pierre Thomas et/ou Vincent Deparis |
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4.1 - Les apports de la tomographie sismique |
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Remarque : TD6 - La
tomographie sismique |
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Cette mŽthode (du grec "tomo" = coupe) consiste ˆ approndir les mesures des dŽcalages des temps d'arrivŽe des ondes sismiques Žlastiques (P et S) en cartographiant les plus petits Žcarts entre les temps thŽoriques (correspondant ˆ des couches homog�nes (de m�me densitŽ) et les temps observŽs (on observe en effet une dispersion des hodochrones). |
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On interpr�te ensuite les dŽcalages (retard et avance) principalement en terme de tempŽrature. Plus la tempŽrature DU SOLIDE est ŽlevŽe moins la vitesse est grande. Comme pour l'imagerie mŽdicale on reconstitue alors des coupes ("scans" ou balayage) de la Terre o� les Žcarts ˆ la vitesse thŽorique sont reprŽsentŽs par des couleurs. On a ainsi une vue des Žcarts ˆ la tempŽrature thŽorique du globe. |
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La premi�re difficultŽ Žtant bien que l'on montre des Žcarts et non la tempŽrature qui est loin d'�tre identique le long du profil. C'est en quelque sorte une carte des anomalies de vitesse interprŽtŽes en terme d'anomalies de tempŽrature. |
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Coupe tomographique allant de l'Europe
orientale ˆ l'Asie. On note tout de suite que d'une part il existe bien des panaches de pŽridotite chaude qui remontent de l'interface manteau-noyau mais qu'ils ne semblent pas associŽs aux dorsales. De m�me les zones de subduction montrent une lithosph�re froide qui s'enfonce tr�s profondemment jusqu'ˆ la limite manteau-noyau. |
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Le schŽma ci-dessous prŽsente une vision moderne de la convection mantellique : |
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On notera 2 points essentiels: |
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Ce mod�le suppose des convections affectant l'ensemble du manteau (mod�le ˆ une couche) et des panaches d'origine profonde correspondant aux points chauds. |
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Ce schŽma insiste sur l'importance des subductions, qui mettent en mouvement la lithosph�re, et sur le c™tŽ superficiel et passif des dorsales, qui ne font que combler l'Žcartement engendrŽ par le mouvement des plaques. Dans ce schŽma, la taille des fl�ches blanches indique la vitesse des mouvements. La petite taille des fl�ches sous-lithosphŽriques montre que le manteau asthŽnosphŽrique est mis en mouvement par la lithosph�re, et non l'inverse comme couramment dit. Les plaques qui subductent vont vite (Å 10 cm/an), alors que les plaques qui ne subductent pas sont tr�s lentes (Å 1cm/an). L'ascension des panaches sous les points chaud est Žgalement actif et tr�s rapide (> 10 cm/an). Source : StŽphane Labrosse, modifiŽ par Pierre Thomas, dans "la convection mantellique..." Pour plus de dŽtails sur le devenir de la lithosph�re subductŽe voir les articles de Laurent Guillou-Frottier et particuli�rement l'image
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4.2 - Complexification du mod�le Je place ici des donnŽes rŽcentes au fur et ˆ mesure de leur vulgarisation |
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La rigiditŽ des plaques |
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Sans entrer dans les probl�mes gŽomŽtriques et physiques qui sont posŽs par la rotation de plaques rigides indŽformables ˆ la surface d'une sph�re, on peut tout de m�me dire que les plaques ne sont plus considŽrŽes comme indŽformables. |
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Les zones de dŽformation, thŽoriquement limitŽes aux fronti�res de plaques se sont avŽrŽes �tre prŽsentes au milieu des plaques. L'exemple le plus courant est la Chine, qui ne correspond qu'ˆ une seule plaque et qui prŽsente le nombre le plus ŽlevŽ de morts dus aux sŽismes au monde (plus que le Japon). |
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Des subductions de crožte continentale |
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Les donnŽes gŽologiques de terrain sont de plus en plus nombreuses ˆ �tre interprŽtŽes dans le cadre de la tectonique des plaques et certaines demandent parfois des rŽajustements de la thŽorie. |
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Des subductions de crožte continentale : un exemple parlant est la possibilitŽ de subductions continentales. On conna”t plusieurs exemples au sein de cha”nes de montagnes (par exemple les quartzites ˆ cÏsite du massif de la Dora Meira dans les Alpes qui indiquent que des roches sŽdimentaires ont ŽtŽ enfouies ˆ plus de 100 km de profondeur). Certaines roches diamantif�res pourraient aussi rŽsulter de ce type d'enfouissement (Dabie-Shan en Chine ˆ plus de 120 km (4 GPa) ou massif du Kokchetav en Azerba•djan vers 130-170 km (4,5 ˆ 6 GPa)). |
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Un nouveau mod�le avec fusion partielle au niveau de la LVZ, non plus uniquement ˆ l'axe de la dorsale mais au niveau des hotspots (points chauds) et des volcans intraplaques sur des Žtendues beaucoup plus larges. Br�ve dans La Recherche, 465, juin 2012, p16-17 Article original (N. Schmerr, Science, 335, 1480, 2012) accessible le 26/05/2012 : http://geophysics.wustl.edu/2012_ Schmerr_Science.pdf |
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L'interprŽtation de donnŽes sismiques les plus fines et ˆ haute frŽquence au niveau de la plaque Pacifique permettent de proposer un mod�le o� le ralentissement des ondes S observŽ entre 40 et 75 km de profondeur serait du ˆ une fusion partielle du manteau (3-5%) et nŽcessiterait la prise en compte d'une certaine quantitŽ d'eau. |
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DŽformation intraplaque ocŽanique br�ve de La Recherche, dŽc 2012, 470, 16-17 nouvelle sur le site du CNRS-INSU (Institut des Sciences de l'Univers) Intra-oceanic seismicity off Sumatra boosted by the Banda-Aceh megathrust, Matthias Delescluse et col., avril 2012, Nature 490, 240 |
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Les limites de plaques sont les principales zones actives (sismiquement et thermiquement). Mais il existe bien sžr de l'activitŽ intraplaque correspondant ˆ des zones de tension (ou compression) o� ˆ des points chauds profonds. On connaissait bien les conditions de formation d'un ocŽan ˆ partir d'un fossŽ d'effondrement (zone en distension) (cette partie n'est plus enseignŽe en 1�reS, voir ancien cours, &2.4). |
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Ce qui est nouveau - ˆ ma connaissance - dans l'interprŽtation des gŽophysiciens Žtudiant la plaque indo-australienne c'est l'apparition de tensions au sein de la plaque "ocŽanique" (au sens d'une zone de tension-dŽformation en plein ocŽan indien) qui se dŽveloppe jusqu'au bord de la plaque qui plonge dans une subduction. La limite de plaque est intraocŽanique et plus ou moins perpendiculaire ˆ la limite de subduction. |
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Conclusion |
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Il ne faudrait pas croire que la TOUS LES ASPECTS DE LA TECTONIQUE DES PLAQUES ONT ƒTƒ VUS ICI. Ce chapitre n'est qu'un survol mais qui a un objectif original par rapport aux autres partie du programme : montrer l'intŽr�t de l'histoire des sciences. Il n'est pas sous sa forme dŽfinitive. Ce n'est pas la premi�re annŽe que l'on peut faire un cours satisfaisant. - une thŽorie scientifique ne na”t pas de novo sans qu'aucun prŽdecesseur n'ai ŽnoncŽ dŽjˆ des idŽes semblables. Souvent les idŽes sont dans l'air et plusieurs personnes les ont dans un laps de temps de quelques annŽes ou dizaines d'annŽes. Aspect social de la science : l'air du temps c'est l'ensemble des modes de pensŽe en usage ˆ un instant donnŽ. - les dŽcouvertes qui apparaissent avec le recul de l'histoire comme significatives sont souvent l'Ïuvre de solitaires. Mais les dŽcouvertes scientifiques ne s'imposent ˆ la communautŽ que progressivement. On ne peut parler de thŽorie (ou de mod�le, ou encore de paradigme au sens de Kuhn d'un syst�me de croyances) qu'une fois que la communautŽ scientifique s'est emparŽe des idŽes et est majoritairement convaincue de leur bien-fondŽ (ceux qui forment ce que Ziman nomme "le coll�ge invisible"). Finalement la science expŽrimentale est toujours une Ïuvre communautaire. Aspect social de la science : si la dŽcouverte reste solitaire, on ne peut pas �tre scientifique tout seul. - de tr�s nombreuses dŽcouvertes sont faites de fa�on plus ou moins imprŽvue. C'est en Žtudiant un objet avec un but diffŽrent que nombre d'ŽlŽments dŽcisifs de la thŽorie de la tectonique des plaques ont ŽtŽ mis en place. (All�gre, conclusion) C'est encore un aspect social de la science qui nous enm�ne lˆ o� nous ne voulions pas aller. - l'avenir d'un paradigme dominant (Kuhn) est de subir une rupture ŽpistŽmologique (Bachelard) et d'�tre abandonnŽ au profit d'un autre. Actuellement on en est ˆ la phase de complexification du mod�le mais on est tr�s loin de soin abandon. Par contre un autre paradigme dominant en biologie (la vision molŽculaire du vivant) est probablement en phase de rupture. |
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5 - Application du mod�le ˆ la recherche et ˆ l'exploitation du granite en Bretagne |
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La gŽologie appliquŽe fait partie inrŽgrante de la gŽologie. C'est une science de l''ingŽnieur qui met en application les connaissances gŽologiques dans des domaines aussi variŽs que l'hydrogŽologie, la science des matŽriaux, la prospection pŽtroli�re ou mini�re, la gŽothermie, le gŽnie civil... sources: GŽologie, objets et mŽthodes, Jean Dercout et Jacques Paquet, Dunod, 1990, ch 7 Ce que disent les pierres, Maurice Mattauer, Belin-Pour la Science, 1998 Il ne faut pas confgondre granite et granite, Jean-Fran�ois Moyen, Planet-Terre Vademecum sur l'origine des granites, Pierre Thomas |
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Remarque: |
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Ce n'est pas dans la gŽologie appliquŽe que l'on teste les mod�les mais c'est gr‰ce au mod�les que l'on rŽalise ce pour quoi le mod�le a ŽtŽ ŽlaborŽ. Le titre du programme doit bien �tre compris en ce sens: il ne s'agit pas d'application du mod�le pour la connaissance mais bien directement pour l'exploitation d'une ressource gŽologique. Contrairement ˆ ce que l'on fait dans une campagne d'exploration ocŽanographique qui cherche ˆ comprendre le fonctionnement d'une dorsale, une campagne ˆ la mer en vue de l'exploitation des champs hydrothermaux a un objectif Žconomique explicite. |
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La thŽorie de la tectonique des plaques, en tant que mod�le unificateur en gŽologie, a permis d'envisager la recherche et conduit ˆ la dŽcouverte de nouvelles ressources (notamment d'hydrocarbures) dans des contextes gŽologiques inenvisageables avant cette thŽorie. Dans le cas de matŽriaux exploitŽs depuis des temps ancestraux, la thŽorie de la tectonique des plaques sert davantage ˆ comprendre qu'ˆ envisager de nouvelles dŽcouvertes. Des savoirs anciens se sont vus ainsi intŽgrŽs dans la thŽorie. |
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5.1 - Un exemple de granite breton : le granite de TrŽgunc |
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TD7- Les granites bretons |
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Qu'est-ce qu'un granite ? Comment le granite arrive-t-il ˆ l'affleurement ? Quelles sont les caractŽristiques de quelques granites bretons exploitŽs ? |
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Fin 2011 l'appellation "granite breton" est ou sera (?) protŽgŽe par le label IGP (Indication GŽographique ProtŽgŽe). |
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Cette partie est Žvidemment ˆ cheval sur le programme de terminale. |
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5.2 - Contexte gŽodynamique de la formation des granites |
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Comment peut-on atteindre une tempŽrature
suffisante pour obtenir un magma granitique ? |
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Trois crobras (mal) redessinŽs
d'apr�s Mattauer, p47, 49 |
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On distingue deux contextes gŽodynamiques (plus
ou moins liŽs) pour le granite, associŽs tous les deux ˆ la
gen�se de cha”nes de montagne : |
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La bulle granitique remonte ˆ la faveur de fractures (panaches, filons) et cristallise lorsqu'il devient trop visqueux, refroidi par la roche encaissante. Comme les granites sont des roches plutoniques solidifiŽes ˆ relativement grande profondeur (de l'ordre de 20 km), on ne peut les observer ˆ l'affleurement qu'apr�s l'Žrosion de l'ensemble de la crožte qui les surmonte. |
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(simplifiŽ de http://christian.nicollet.free.fr/ page/enseignement/ modele.html )
t1 - amincissement lithosphŽrique, failles normales, volcanisme t2 - accrŽtion (basaltes et gabbros), bombement asthŽnosphŽrique t3 - subduction ocŽan/ocŽan t4 - collision (ophiolites) t5 - collision, magmatisme et mŽtamorphisme t6 - chevauchements, plis, cha”ne t7- Žrosion, magmatisme t8 - distension, magmatisme Lors de l'expansion ocŽanique, la gen�se de crožte ocŽanique se fait par formation de magma gabbro•ques (gŽotherme Arc) et le mŽtamorphisme (BP-HT) est pratiquement isobare (A) . Lorsque la lithosph�re est assez ancienne, elle plonge dans l'asthŽnosph�re. La lithosph�re subductŽe subit un mŽtamorphisme HP-BT. Lorsqu'une portion de la crožte est prise dans la collision (B) elle peut atteindre le solidus du granite hydratŽ et former un granite d'anatexie (B-t6). En fin de phase de collision, on observe une fusion partielle de l'asthŽnosph�re chaude avec des magmas basaltiques et parfois de magmas granitiques (t8). Silicates d'alumine marqueurs du mŽtamorphisme SiAl2O5: andalousite (And), sillimanite (Sil), disth�ne (Dis). |
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L'origine des granite est donc finalement tr�s variŽe et l'on peut aussi bien obtenir un granite ˆ partir d'une pŽridotire mantellique seule (par cristallisation fractionnŽe, voir TD4) que d'une roche tant sŽdimentaire que magmatique. |
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5.3 - Exploitation |
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Le site du granite breton est bien renseignŽ. Voir par exemple l'extraction, le fa�onnage, les traitements de surface, l'utilisation. |
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Il serait incohŽrent de parler de l'exploitation des granites, comme matŽriau de construction prinicipalement, sans citer l'utilisation de l'ar�ne granitique comme granulat et les tr�s nombreuses ressources mini�res ASSOCIƒES AU GRANITE : gisements stanif�res et uranif�res, gisements dans les aurŽoles de mŽtamorphisme ... |
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