GŽologie - La tectonique des plaques :
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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BROUILLON
EN TRAVAUX 2011 pour au moins 2 ans



Sources
L'Žcume de la Terre, Claude Allgre, Fayard, le temps des sciences, 1983
La tectonique des plaques , Jean Aubouin (Encyclopedia Universalis 2010: E.U.)
Une rŽvolution dans les sciences de la Terre, A. Hallam, Seuil Sciences, 1976
De la pierre ˆ l'Žtoile, Claude Allgre, Fayard, 1985
Enseigner la gŽologie, collge-lycŽe, Nathan, 1993
Sciences de la terre et de l'univers, AndrŽ Brahic, Michel Hoffert, AndrŽ Schaaf et Marc Tardy, Vuibert, 2000
L'histoire de la Terre, Dossier La Recherche, 25, nov 2006 - janv 2007

Un site incontournable pour l' enseignant : Planet-Terre, avec les articles de Pierre Thomas et/ou Vincent Deparis
-
la dŽrive des continents de Wegener
-
la dŽcouverte de la convection mantellique
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Histoire de la thŽorie de la tectonique des plaques

Le cours est un rŽsumŽ qui, comme le suggre le programme, est organisŽ selon une chronologie des dŽcouvertes et des idŽes.
Cependant, du point de vue pŽdagogique, il est clair qu'il est prŽfŽrable de procŽder par l'acquisiation successives de mŽthodes et de techniques utilisŽes en gŽologie qui seront utilisŽes aussi en terminale. C'est surtout en cela que le programme de 1re S est indissociable du programme de terminale S (et non sur l'aspect historique qui est clairement abandonnŽ en terminale; par contre les techniques sont reprises aussi en physique). J'ai fait le choix de traiter les techniques sous forme de TP-TD.

1 - La dŽrive des continents : de l'idŽe ˆ la thŽorie






1.1 - Alfred Wegener (1915 : Die Entstehung der Kontinente und Ozeane)


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

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).


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.
Rq2 : Wegener a comparŽ la reconstitution de la position des continents ˆ celle de fragments de journaux dont on possŽderait des ŽlŽments de lignes. La reconstitution d'une seule ligne lui paraissait un argument suffisant. Que dire alors de la reconstition de n lignes qui conduisent ˆ une probabilitŽ ˆ la puissance n.


La thŽorie* de la dŽrive des continents :
Wegener propose deux Žtapes :
- un continent unique (PangŽe) ˆ la fin du Carbonifre
(vers -300 Ma cf. Žchelle des temps gŽologiques)
- des mouvements de dŽrive des continents (constituŽs de crožte = SiAl) sur le manteau (SiMa) visqueux au-dessus d'un noyau de Ni-Fe. Les mouvements vers l'W se faisant par inertie (inverse ˆ la rotation de la terre), ceux vers l'E par frottement, et ceux vers l'Žquateur par effet axifuge (du fait de la rotonditŽ de la terre). Il propose aussi des effets de proue (montagnes plissŽes) et de proupe (arcs volcaniques) ou encore des collisions (cha”ne alpine).


* 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).
** Des observations ou des faits interprŽtŽs dans le cadre d'une thŽorie sont considŽrŽs comme des arguments (ou
preuves) en faveur de cette thŽorie. En gŽologie, comme pour l'interprŽtation de faits du passŽ, l'expŽrimentation est parfois impossible.

SchŽmas coupe de Wegener et chrobars ˆ partir d'Allgre.

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)


Wegener s'appuie sur de nombreux arguments** :
- gŽographiques (observation de la complŽmentaritŽ morphologiques des limites continentales actuelles :AmŽrique du Sud / Afrique de l'W),
- palŽontologiques (analogies de faunes ou flores dans des continents aujourd'hui sŽparŽs),
- stratigraphiques (continuitŽ des strates sŽdimentaires de part et d'autre de certains ocŽans, continuitŽ de dŽp™ts glaciaires du mme ‰ge...)
- et tectoniques (Alpes rŽsultant d'une collision continentale).





1.2 - Des arguments gŽophysiques contre la thŽorie de Wegener


TP2 - DonnŽes sismiques et comportement de la matire au sein du globe


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).


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.


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.

TP3- PalŽomagnŽtisme


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.

2 - L'expansion des fonds ocŽaniques : de nouvelles observations et une nouvelle hypothse



TP4 - Roches et minŽraux:
(roches magmatiques, mŽtamorphiques et sŽdimentaires)


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..
On cartographie (les profondeurs et reliefs);
la structure gŽnŽrale d'un ocŽan appara”t composŽe des marges et plaines, puis des dorsales dont le centre est marquŽ par un fossŽ (rift) de quelque 25-50 km de large pour 0,25 km de profondeur. Plus tard on dŽcrira des montagnes sous-marines "seamounts" volcaniques (appelŽs ensuite guyots par Hess) sur les flancs des dorsales dont le sommet est plat et comporte des sŽdiments toujours postŽrieurs au CrŽtacŽ (~60 Ma).

- 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.
- Les gravimtres dŽtectent des variations du champ de gravitŽ terrestre de l'ordre de quelques mGal (interprŽtŽes comme des dŽfauts/excs de masse) et permettent d'Žvaluer aussi densitŽ des couches trouvŽes.
Lors de la premire annŽe gŽophysique internationale : 07/1957-12/1958 les gravimtres embarquŽs et la mise en Ïuvre de tirs sismiques depuis le navire (avec une cha”ne de gŽophones tra”nŽe permettant d'interprŽter des rŽsultats de sismique-rŽfraction) permettent d'Žvaluer la densitŽ des roches de la crožte et
la profondeur du Moho : 35 km sous les continents en plaine et 12 km sous les ocŽans. On dŽtecte aussi une zone ˆ faible vitesse entre 100 et 200 km de profondeur partout.
- la sismique-rŽflexion utilisŽe ds 1965 (associŽe ˆ des carrottages) permet de prŽciser la composition gŽologique de la crožte ocŽanique : basaltes, gabbros et amphibolites; les sŽdiments qui la recouvrent sont toujours plus jeunes que le CrŽtacŽ.
- Les magnŽtomtres dŽtectent des variations du champ magnŽtique terrestre (anomalies magnŽtiques) de l'ordre du mGauss (interprŽtŽes comme des magnŽtismes rŽmanents de certaines roches qui se superposent au signal actuel en augmentant ou en diminuant sa valeur selon leur direction).
Les anomalies magnŽtiques enregistrŽes vers 1950 de chaque c™tŽ de l'axe de la dorsale et qui prŽsentent une assez bonne symŽtrie sont prŽcisŽes avec des profils E-O sur la dorsale Pacifique Est (par le Scripps Institution of Oceanography). (Cartes de rŽpartition publiŽes par Ronald G. Mason vers 1958 pour le Pacifique, confirmŽes aussi pour la ride mŽdio-atlantique ensuite).

Quelques Žtapes de l'exploration des ocŽans


Avant 1950

1858 - premier laboratoire de biologie marine au monde ˆ Concarneau.


1872 -DŽpart de la premire campagne ocŽanographique mondiale, menŽe jusqu'en 1876 par le scientifique Sir Charles Wyville Thomson ˆ bord du navire ˆ voiles HMS Challenger. Au cours des 127 000 km parcourus, l'expŽdition remonta ˆ la surface les premiers nodules polymŽtalliques, dŽcouvrit plus de 4000 nouvelles espces marines, ou encore rŽalisa des sondages de plus de 8000 m de profondeur. Il faudra une vingtaine d'annŽes ˆ une centaine de savants pour dŽpouiller toutes les observations faites.

image externe


1904 -Premire Ždition de la carte bathymŽtrique du fond des ocŽans sur une proposition du prince Albert Ier de Monaco. Le prince crŽŽ l'Institut ocŽanographique en 1906.

1915 -Paul Langevin, physicien franais auteur de nombreux travaux sur les ultrasons, met au point un systme de dŽtection des sous-marins (Asdic). Cette dŽcouverte est ˆ l'origine des sonars utilisŽs aujourd'hui pour la cartographie des fonds marins. Le navire ocŽanographique allemand, le Meteor, est le premier ˆ tre ŽquipŽ en 1925 d'un sondeur ˆ ultrasons. Il rŽalise en 3 ans la premire Žtude hydrographique d'un ocŽan entier (l'Atlantique Sud).

1923 - mesure de pesanteur en mer (en sous-marin) par le nŽerlandais F.A. Vening-Meinesz ; la crožte ocŽanique est sans conteste diffŽrente de la crožte continentale

1924 - B. Gutenberg, Žtudiant la dispersion des ondes de surface, en dŽduisait que la crožte ocŽanique devait tre d'une Žpaisseur trs infŽrieure ˆ celle de la crožte continentale.

1937 - M. Ewing utilise pour la premire fois la mŽthode de sismique-rŽfraction dans les ocŽans et confirme que la crožte est beaucoup plus mince sous les zones ocŽaniques profondes qu'elle ne l'est sous les continents.


Aprs 1950 jusqu'ˆ 1970


1953 - exploration des trs grands fonds : 2 bathyscaphes, le FRS III et le Trieste, imaginŽs par Auguste Piccard (son FNRS II Žtait descendu ˆ &endash; 1380 m en 1948 au cours de son unique plongŽe ˆ vide). Le 15 fŽvrier 1954, le FNRS III construit par la Marine Nationale atteint 4000 m de profondeur au large de Dakar.

1954 - G. Dupouy dŽcide que le CNRS subventionnera, d'une part, l'exploitation scientifique du bathyscaphe FNRS 3, d'autre part, des campagnes de haute mer ˆ bord de la Calypso du commandant Jacques-Yves Cousteau ˆ raison de six ˆ sept mois de campagne par an, ces dernires ˆ frais partagŽs avec la direction gŽnŽrale de l'Enseignement supŽrieur.

1960 - La Thalassa premier navire ocŽanographique franais

1965 - lancement du Jean Charcot, nouveau navire ocŽanographique franais

1965- Premire carte bathymŽtrique moderne du fond des ocŽans. Elle est l'oeuvre des amŽricains Heezen et Tharp.

1969 - premiers essais de la soucoupe franaise Cyana, sous-marin habitŽ pouvant plonger ˆ &endash; 3000 m, conu par le commandant Cousteau, et dotŽe d'une manoeuvrabilitŽ jusqu'ici inconnue pour les sous-marins profonds


la Calypso de Cousteau en l'Žtat actuel


soucoupe
Cyana

1952 - E.C. Bullard et ses collaborateurs mesurent le flux de chaleur ˆ travers le fond de la mer sans trouver de diffŽrence marquŽe entre continents et ocŽans en ce qui concerne le flux de chaleur moyen. Toutefois, le flux moyen ˆ travers les dorsales est ŽlevŽ ainsi que dans certains bassins situŽs ˆ l'intŽrieur des arcs insulaires.

1953 - Premires mesures dŽtaillŽes de l'intensitŽ du champ magnŽtique terrestre par B.C. Heezen et col., permettant l'Žtablissement de cartes d'anomalies en mer ˆ l'aide des sondes ˆ saturation inventŽes pour la chasse aux sous-marins de la Seconde Guerre mondiale.
1954 -invention des
magnŽtomtres ˆ protons permettant de multiplier les Žtudes gŽomagnŽtiques sur les ocŽans.

1958 puis 1961 - R.G. Mason seul, puis avec A.D. Raff dŽcouvre les bandes d'anomalies magnŽtiques le long de la dorsale pacifique Nord.

1961- premire utilisation systŽmatique en profils continus ˆ l'aide de la sismique-rŽflexion par J. Ewing et G.B. Tirey,

1965- utilisation de la sismique rŽflexion embarquŽe ˆ l'aide des techniques des prospecteurs pŽtroliers permettant d'obtenir des profils dŽtaillŽs dans les couches sŽdimentaires de la crožte ocŽanique.


Aprs 1970

1984 - crŽation de l'Ifremer, nŽ de la fusion du CNEXO (centre national pour l'exploitation des ocŽans) et de l'ISTPM (Institut scientifique et technique des pches maritimes).

 


l'Atalante


le Pourquoi Pas ?

 

12/2012-02/2013
Une exploration du navire
JOIDES Resolution avec
un enseignant de SVT ˆ bord
blog du service Žducatif franais ˆ bord


1974 -PlongŽes franco-amŽricaines FAMOUS au coeur de la dorsale mŽdio-atlantique au sud-ouest des Aores (avec les submersibles Archimde, Cyana et Alvin) ; les premires cartes suggŽrant l'existence de cette barrire sous-marine dataient de 1854.

1977 - faune hydrothermale de la dorsale des Galapagos ˆ 2500m de profondeur (Alvin)

1978 - lancement du premier satellite ocŽanographique Seasat (durŽe de vie : 100 jours). Geosat (1985), ERS-1 (1991) et ERS-2 (1995), ainsi que Topex-Poseidon (1992), en ont ŽtŽ ses successeurs.

1980 -Le systme de positionnement et de transmission Argos est opŽrationnel. Il permet, entre autres, de dŽterminer les courants dŽduits des trajectoires des flotteurs dŽrivants.

1984 -mise ˆ l'eau du Nautile pouvant plonger jusqu'ˆ 6000 m de fonds.

1990 -Lancement du navire ocŽanographique L'Atalante qui remplace le Jean Charcot.

2005 -lancement du navire ocŽanographique de l'Ifremer Pourquoi pas ?, capable de dŽployer simultanŽment le sous-marin Nautile et le robot Victor 6000.

FAMOUS (in E.U.)

Le sigle F.A.M.O.U.S. dŽsigne la premire exploration scientifique d'une dorsale ocŽanique ˆ partir de submersibles profonds, expŽdition rŽalisŽe en collaboration entre la France et les ƒtats-Unis en 1973 et 1974. F.A.M.O.U.S. constitue la premire Žtude directe selon des techniques issues de la gŽologie de terrain de la vallŽe centrale de la dorsale mŽdio-atlantique et de son intersection avec une faille transformante dans une zone situŽe ˆ 700 kilomtres au sud-ouest des Aores, par des profondeurs variant entre 2?500 et 2?800 mtres.
Trois submersibles ont ŽtŽ utilisŽs pour l'Žtude dŽtaillŽe de cette zone reprŽsentant quelques centaines de kilomtres carrŽs de surface : du c™tŽ amŽricain, l'Alvin portŽ par un grand catamaran spŽcialisŽ, le Lulu ; du c™tŽ franais, l'Archimde remorquŽ par le Marcel Le Bihan et la soucoupe 3000 Cyana portŽe par le Noro”t. La premire plongŽe de la campagne 1973 a eu lieu le 2 aožt avec le bathyscaphe Archimde, et c'est aussi l'Archimde qui effectua dans les premiers jours de septembre 1974 la cinquante et unime et dernire plongŽe de l'expŽdition F.A.M.O.U.S. (dont 19 pour Archimde, 15 pour Cyana et 17 pour Alvin). Quatre-vingt-onze kilomtres ont ŽtŽ parcourus au fond, ˆ une altitude infŽrieure ˆ cinq mtres, dans un relief extraordinairement tourmentŽ. Deux tonnes de roches ont ŽtŽ prŽlevŽes en 167 sites diffŽrents dans un environnement gŽologique bien dŽfini. Plus de 100 heures de tŽlŽvision sur bande magnŽtique ont ŽtŽ enregistrŽes au cours des 228 heures passŽes sur le fond, et 23.000 photographies ont ŽtŽ prises.
Le premier apport positif de F.A.M.O.U.S. est certainement la mise au point d'un outil d'exploration gŽologique du fond des ocŽans, permettant l'Žtablissement d'une carte topographique prŽcise ˆ quelques mtres prs, prŽcision jamais atteinte ˆ partir des opŽrations conduites depuis la surface.
Au plan proprement scientifique, F.A.M.O.U.S. a permis la premire vŽrification directe du mouvement le long des frontires de plaques, comme le prŽdisait la thŽorie de la tectonique des plaques. Un deuxime rŽsultat est la dŽlimitation de la largeur des zones frontires des plaques. Cette largeur est particulirement faible, puisqu'elle ne dŽpasse pas un kilomtre. En dŽpit de cette largeur restreinte, les zones frontires se sont rŽvŽlŽes trs complexes, et l'interprŽtation est rendue plus difficile par une Žvolution trs rapide de leur gŽomŽtrie au cours du temps.
Un troisime rŽsultat concerne la dŽcouverte de gisements hydrothermaux en grande profondeur, sous la forme d'un champ de petite dimension (15 ˆ 40 m) situŽ autour d'une fissure Žmissive d'une cinquantaine de centimtres de largeur, et longue de plusieurs mtres. Les dŽp™ts hydrothermaux sont constituŽs de fer prs de la bouche Žmissive, et de manganse plus bas.
Les rŽsultats scientifiques de l'opŽration F.A.M.O.U.S. ont eu de nombreuses retombŽes : tout d'abord ans le domaine scientifique, pour l'Žtude de l'hydrothermalisme sous-marin dans une rŽgion plus active, la dorsale du Pacifique oriental ; ensuite, en matire de collaboration franco-amŽricaine ; enfin, dans le domaine industriel, les techniques de navigation prŽcise mises au point durant l'opŽration s'appliquant facilement ˆ des travaux de reconnaissance de trajets de conduites sous-marines par exemple.
Pour toutes ces raisons l'exploration F.A.M.O.U.S reste une grande page historique o le visuel conforte la thŽorie. Exploration que certains n'ont pas hŽsitŽ ˆ comparer avec l'Žcart qu'il peut y avoir d'observer la Lune et d'y poser effectivement le pied.



2.2 - L'hypothse de Hess (l'expansion des fonds ocŽaniques) et ses dŽveloppements


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.


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.






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.



dessin de Wilson prŽsentant une faille transformante et l'ouverture de l'Atlantique





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.






Ds 1966 la majoritŽ des gŽologues se rallient ˆ l'hypothse de Hess.
En 1968, Heitzler, Pitman et Le Pichon, au Lamont Laboratory Žtablissent une chronologie des inversions du champ magnŽtique remontant au dŽbut du tertiaire (en supposant une vitesse d'expansion constante).


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.


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.

3 - La thŽorie de la tectonique des plaques : une thŽorie encore moderne




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).
On peut la rŽsumer ainsi:


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:
Les plaques lithosphŽriques, solides et rigides, se dŽplacent sur l'asthŽnosphre solide et dŽformable.
Elles croissent (par l'arrivŽe de roches du manteau chaudes ou par Žpaississement lors du chevauchement de deux plaques l'une sur l'autre), sont entra”nŽes (par gravitŽ et par les mouvements du manteau), et disparaissent (elles plongent dans l'asthŽnosphre).



3.1 - Les limites de plaques ne sont pas dŽterminŽes par les reliefs terrestres, mais par l'activitŽ sismique et volcanique.


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).


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).




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)


Dans la thŽorie des plaques, les mouvements des plaques sont des rotations autour d'un axe dŽfini pour chaque frontire de plaque.



d'aprs Nathan 2000, fig1, p 304 ou voir Bordas p 120-121

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.

 
Carte scolaire (in Nathan 2000) des mouvements relatifs des plaques


>
De petits "crobards" sans aucun souci de respect des modles que nous verrons ensuite...



3.3 - Les plaques lithosphŽriques solides et rigides se dŽplacent sur l'asthŽnosphre solide et dŽformable






3.3.1 - Limites



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.





3.3.2 - CaractŽristiques et composition




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.



Remarque:
Les cellules ˆ enclumes de diamant (qui permettent d'atteindre 120 GPa et 3600 ¡C, soit presque les conditions que l'on pense rŽgner ˆ l'interface manteau-noyau) ont conduit ˆ proposer 2 transitions.
- vers 400 km l'olivine (tŽtraŽdrique) serait remplacŽe par un minŽral de type spinelle dont le nom serait la wadsleyite;
- vers 700km, ˆ la base de l'asthŽnosphre, le spinelle laisserait la place ˆ une structure de type pŽrovskite, octaŽdrique.



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.

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 :


* 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:
- les chondrites (mŽtŽorites chondritiques) qui contiennent, dans une matrice ferreuse, des petites sphres (les chondres, du grec chondrion = "petit grain") de silicates de type pŽridots ou pyroxnes
- les achondrites (ou non-chondritiques) qui peuvent tre mŽtalliques, pŽridotitiques ou basaltiques et gabro•ques, par ordre de frrŽquence croissante.
On rapporte les mŽtŽorites achondritiques aux diffŽrentes enveloppes du globe, crožte basaltique ou gabbro•que, manteau pŽridotitique et noyau ferreux, et les chondrites ˆ des corps stellaires initiaux indiffŽrenciŽs.
En effet, les chondrites ont la mme composition chimique globale que la terre, si l'on considre les masses et compositions respectives des 3 enveloppes principales. On pense donc qu'elles correspondraient ˆ des fragments d'un corps stellaire initial non diffŽrenciŽ de mme composition que la terre. Les mŽtŽorites chondritiques sont donc dites indiffŽrenciŽes.
Certains de ces corps stellaires initiaux auraient alors fondu, tout comme la terre et, en se diffŽrenciant, auraient prŽsentŽ les 3 enveloppes citŽes. L'enveloppe ferreuse la plus dense au centre et l'enveloppe basaltique et gabbro•que la moins dense, vers l'extŽrieur, la pŽridotitique entre les deux. Les mŽtŽorites issues de ces corps diffŽrenciŽs tardifs sont qualifiŽes de mŽtŽorites diffŽrenciŽes ou achondritiques.


Remarque:
Une des plus grandes difficultŽs dans notre comprŽhension de la structure du globe est sans aucun doute venue de l'apparente incompatibilitŽ entre un modle solide (o se propagent les ondes sismiques) et la nŽcessaire dŽformation afin de rendre compte de phŽnomnes aussi variŽs que la forme de l'ellipso•de, le volcanisme ou le mouvement des plaques (bref: la dynamique terrestre). La comprŽhension ne vint que vers 1950, pour les physiciens, avec les progrs de la physique du solide qui, en rhŽologie, admettaient le fluage d'un solide sous contrainte, sans passer par un Žtat liquide. Il ne faut pas oublier que la terre est plus rigide que l'acier (une terre liquide, entourŽe d'une mince crožte aurait des "marŽes terrestres"(c'est-ˆ-dire qui dŽformeraient la surface terrestre) de plusieurs kilomtres d'amplitude); cette remarque avait ŽtŽ faite par Ampre au tout dŽbut du XIXme sicle.
En tout cas pour nous il est absolument indispensable de bien comprendre que la terre est UN SOLIDE. Certaines couches sont rigides et ne peuvent tre dŽformŽes que trs lentement (sur des milliers d'annŽes) avec des contraintes et des tempŽratures trs ŽlevŽes. D'autres couches sont ductiles, c'est-ˆ-dire facilement dŽformables, ˆ haute pression, ˆ haute tempŽrature, sur des durŽes de temps faibles (dŽplacements visibles sur des durŽes infŽrieures ˆ l'annŽe).





3.3.3 Dynamique




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.

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).


 
Sur ce schŽma les zones mantelliques
rouges sont des masses de pŽridotite SOLIDES et CHAUDES, qui montent donc,
alors que les zones lithosphriques
violettes sont des masses de pŽridotite SOLIDES et FROIDES (avec un peu de crožte) qui descendent.
Il ne s'agit en aucun cas de magma.




3.4 - Les plaques croissent au niveau des dorsales par accrŽtion de roches du manteau chaudes (du latin accretio = accroissement; accrŽtion = agglomŽration d'ŽlŽments)

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
(film, solidus-liquidus, LVZ...)


Un essai de reprŽsentation d'un modle de dorsale en respectant l'ECHELLE.
(en bas ˆ gauche) coupe partielle du globe prŽsentant l'origine mantellique d'une dorsale ; (en haut) coupe partielle de la dorsale prŽsentant la limite asthŽnosphre-lithosphre peu profonde au niveau de l'axe (remontŽes asthŽnosphŽrique),(et en bas ˆ droite) coupe de la zone axiale de la dorsale.

(ce modle correspond ˆ celui d'une dorsale lente - voir ci-dessous pour le modle d'une dorsale rapide)

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).


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.
Le moteur de la formation de la crožte ocŽanique est donc bien la remontŽe de roche solide (pŽridotite) et chaude du manteau et donc la convection mantellique.



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).

Remarque:


+ On peut distinguer, selon la vitesse de divergence, deux types de dorsales:


* 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.


* 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).


RedessinŽ d'aprs Allgre, 1983, fig; 59

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.
(voir
ici pour la taille d'une chambre magmatique de dorsale rapide).

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).


3 structures de dorsales trs schŽmatiques du plus rapide au moins rapide...



Une petite animation montrant les Žtapes du fonctionnement de la dorsale ˆ fonctionnement alternatif
(voir dŽtails ci-dessous pour un fonctionnement alternatif dans l'espace le long de l'axe, conduisant ˆ des Ždifices volcaniques sous-marins plus ou moins embo”tŽs)



Une petite animation montrant les Žtapes du fonctionnement de la dorsale

Un petit schŽma ILLUSTRATIF du modle de fonctionnement alternatif d'une dorsale ocŽanique relativement lente
(ˆ partir du film du CNDP: Oman, la plus belle ophiolite du monde -les codes couleurs sont les mmes que ceux du schŽma au-dessus).
11 Žtapes numŽrotŽes de 1 ˆ 11

1 et 2 - Ct1, Ct2 = remontŽe d'un diapir asthŽnosphŽrique de pŽridotite chaude prŽsentant une fusion partielle (5-25%).
3, 4 et 5 -
Ct3, Ct4, Ct5, Bt1, Bt2, At1= par migration du magma ˆ la faveur de fractures, formation d'une chambre magmatique au sein de la crožte o s'accumule le magma basaltique; la pŽridotite qui perd son magma est appelŽe "pŽridotite rŽsiduelle", c'est une dunite voir classification des pŽridotites, TP5-6)
6 -
Ct6, Bt3, At2= Žruption volcanique : au toit de la chambre magmatique, le magma basaltique est injectŽ entre les roches de la crožte par des fissures et forme les laves en coussins en surface (pillow-lavas) et un complexe de filons verticaux de basaltes (dykes). En dessous, arrive un nouveau diapir de pŽridotite chaude.
7-
Ct7, Bt4, At3= l'Žruption est terminŽe, le magma de la chambre va se cristalliser entirement et donner un gabbro (Žquivalent plutonique du basalte); les gabbros peuvent tre litŽs du fait des contraintes lors de leur mise en place; le diapir suivant de pŽridotite chaude se met en place et lamine la pŽridotite rŽsiduelle qui se retrouve coincŽe ˆ la base de la crožte et s'Žpanche sur les c™tŽs.
8 -
Bt5, At4 = la chambre ne contient presque plus de magma (le gabbro cristallise aux parois de la chambre)
9,10 et 11 -
Bt6, Bt7, At5, At5, At7 = tout le magma est cristallisŽ, la crožte est totalement solide au niveau de l'ancienne zone d'Žruption ; le nouveau diapir de pŽridotite chaude qui remonte se place lŽgrement ˆ l'Est et va probablement donner naissance, dans quelques milliers d'annŽes (ou beaucoup moins) ˆ une nouvelle injection de magma basaltique.


Remarques complŽmentaires:


+ 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).
Mais l'axe de la dorsale est aussi recoupŽ transversalement par les failles transformantes qui sont des zones de COULISSAGE (du point de vue de la tectonique de plaques) qui prŽsentent des
extensions et des compressions du point de vue tectonique.

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.


Les manifestation de cette tectonique en extension sont visibles au niveau des enregistrements sismiques et des failles.
* Il existe une microsismicitŽ permanente. En effet, les sŽismes enregistrŽs au niveau des dorsales sont trs nombreux mais d'assez faible intensitŽ et souvent superficiels.
Je rappelle qu'un sŽisme est dŽfini comme Žtant une libŽration brusque d'une contrainte. Deux types de contraintes existent: des compressions et des extensions. On peut retrouver ces contraintes dans les enregistements sismiques. En effet, on peut rŽpŽrer sur un enregistrement sismique le type de contrainte principale (extension ou compression) ˆ l'origine du sŽisme (on apelle cela le mŽcanisme au foyer): si le premier mouvement du sol (enregistrŽ sur le sismogramme) est vers le haut, il s'agit d'une extension, si le premier mouvement est vers le bas, il s'agit d'une compression. Dans le cas des sŽismes situŽs principalement le long des failles transformantes, on retrouve des compressions et des extensions.
* Les failles normales (avec des plans de failles plus ou moins parallles ˆ l'axe de la dorsale) sont la rgle au niveau des dorsales. Elles correspondent ˆ une tectonique en extension de direction perpendiculaire ˆ l'axe de la dorsale. Les dŽcrochements sont associŽs aux coulissages avec des plans de faille perpendiculaires ˆ l'axe de la dorsale (failles transformantes). Les miroirs de faille, bien que souvent cachŽs par des dŽp™ts sŽdimentaires, permettent parfois de voir in situ ou d'Žchantillonner les roches profondes de la crožte ocŽanique. Les mouvements sont toujours de direction perpendiculaire ˆ l'axe de la dorsale.

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).

Terminologie et reprŽsentation schŽmatique des trois cas principaux de failles obliques;
rejet horizontal dominant (dŽcrochement, ici reprŽsentŽ avec un rejet vertical nul) et deux cas de rejet vertical dominant reprŽsentŽs ici avec un rejet horizontal latŽral nul (sans composante dŽcrochante). On dit qu'une faille joue, c'est-ˆ-dire que les compartiments affectŽs par la faille ont un mouvement relatif (rejet ou jeu), selon trois composantes: une composante verticale, une composante horizontale latŽrale (ou composante dŽcrochante) et une composante horizontale transversale (qui indique l'obliquitŽ de la faille, Žtant nulle pour une faille verticale). Dans la nature, les plans de failles sont courbes et ne sont donc des plans que sur de petites surfaces; il est souvent nŽcessaire de prŽciser l'Žchelle ˆ laquelle on se place.





3.5 - Les plaques peuvent cro”tre par Žpaississement lors du chevauchement de 2 plaques l'une sur l'autre (mouvement de collision)

voir TS


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.


Lorsqu'une des lithosphres tend ˆ surmonter l'autre (cisaillement oblique tendant vers l'horizontalitŽ) on parle d'obduction.


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)




3.6 - En s'Žcartant de l'axe de la dorsale, la lithosphre s'Žpaissit, se refroidit et s'hydrate

 

 


L'Žpaississement de la lithosphre se fait par le bas et le haut :
- par le haut s'ajoutent des sŽdiments - qui se transforment en roches sŽdimentaires par diagŽnse. C'est la crožte qui s'Žpaissit.
- par le bas s'intgrent des pŽridotites mantelliques refroidies du fait du refroidissement de la plaque. L'isotherme 1300¡C s'abaisse progressivement de 10 ˆ 100 km (ˆ 1000 km de l'axe) au fur et ˆ mesure que la lithosphre se refroidit. C'est le manteau lithosphŽrique qui s'Žpaissit.

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.
L'olivine, bien cristallisŽe dans le basalte, est serpentinisŽe par hydratation (la serpentine est une argile (minŽral en feuillets) qui cristallise aux dŽpens de l'olivine).
Le gabbro est aussi altŽrŽ sous les contraintes de type extension et prŽsente un mŽtamorphisme (transformation de la roche ˆ l'Žtat solide, sans passer par l'Žtat magmatique liquide) qui se traduit par une foliation (alternance de couches de minŽraux en feuillets) et l'apparition de minŽraux comme l'amphibole (qui cro”t ˆ partir des plagioclases et des pyroxnes). 





3.7 - Les plaques disparaissent en plongeant dans l'asthŽnosphre dans les zones de subduction.

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


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.
C'est Griggs qui, dans les annŽes 1950, rŽalisa des modles qui liaient la convection mantellique descendante ˆ la gense de cha”nes de montagnes. Il utilisait l'observation faite par le japonais Wadati d'un plan oblique dans lequel Žtait rŽpartis les sŽismes de plus en plus profonds lesquels et qu'il reliait ˆ l'enfoncement d'une surface terrestre froide dans un manteau chaud. Ces plans sismiques sont apelŽs les plans de Benioff-Wadati, ayant ŽtŽ confirmŽs ultŽrieurement par les observations d'Hugo Benioff. Lors de la publication par Hess de l'expansion des fonds ocŽaniques (1960) le modle de Griggs est prŽsent dans tous les esprits. Le modle publiŽ par Arthur Holmes en 1978 n'a pas subi de changement majeur.



Image provisoire, in Allgre 1983, Fig 63


Deux petits "chrobars" comme apŽritif trs thŽorique en vue de la terminale


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.


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).


4 - NouveautŽs et difficultŽs

les donnŽes prŽsentŽes ici sont issues des articles de Pierre Thomas et/ou Vincent Deparis
-
la tectonique des plaques de 1970 ˆ 2011 (accs restreint)
-
la dŽcouverte de la convection mantellique



4.1 - Les apports de la tomographie sismique


Remarque :
Principe de la tomographie sismique

TD6 - La tomographie sismique
(Bordas p 142-143)


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).


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.


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.


figure externe


Coupe tomographique allant de l'Europe orientale ˆ l'Asie.
Les anomalies de vitesse sismique sont reprŽsentŽes par des couleurs (en % de la vitesse thŽorique). Le retard maximal (rouge) correspond aux zones les plus chaudes, l'avance maximale (bleu) correspond aux zones les plus froides.

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.




Le schŽma ci-dessous prŽsente une vision moderne de la convection mantellique :


On notera 2 points essentiels:
- les dorsales sont superficielles: elles ne sont pas enracinŽes profondŽmment dans le manteau mŽsosphŽrique. Le bombement asthŽnosphŽrique provoquant la fusion partielle de la pŽridotite mantellique est situŽ dans les 150 km de profondeur. La dŽcouverte des dorsales sans crožte ocŽanique tend aussi ˆ diminuer l'importance du volcanisme (l'accrŽtion de "pousse" pas les plaques). L'accrŽtion compense la subduction.
- le moteur de l'expansion ocŽanique est principalement la gravitŽ (les plaques ocŽaniques froides et denses s'enfoncent dans l'asthŽnosphre) et donc la disparition de la lithosphre ocŽanique dans les zones de subduction; le r™le des courants de convection mantelliques que l'on pensait entra”ner la lithosphre ocŽanique est minimisŽ ; ce sont au contraire les mouvements de la plaque ocŽanique qui entra”nent le manteau asthŽnosphŽrique; on notera aussi que la subduction se continue trs profondŽmment jusqu'ˆ l'interface manteau-noyau (couche D");


Fig 11 externe

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.


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

 


Ancien schŽma simpliste prŽsentant une
DORSALE telle qu'on pensait qu'elle Žtait ENRACINƒE dans les modles d'il y a une dizaine d'annŽes. Vous noterez l'enracinement trs profond, comme pour un panache.



 4.2 - Complexification du modle


Je place ici des donnŽes rŽcentes au fur et ˆ mesure de leur vulgarisation

La rigiditŽ des plaques


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.


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).


Des subductions de crožte continentale


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.


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)).


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


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.



d'aprs Schmerr 2012 - modifiŽe (+/- traduite)


image externe


http://geophysics.wustl.edu/2012_ Schmerr_Science.pdf


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


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).


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.



image externe

 

Conclusion



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.


5 - Application du modle ˆ la recherche et ˆ l'exploitation du granite en Bretagne

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

Remarque:
il est certain que l'on doit sŽparer la gŽologie des sciences de la vie. du fait de cette orientation Žconomique et du fait aussi du c™tŽ non expŽrimental de certains pans de la gŽologie (comme science du passŽ et comme science de l'observation non testable). On peut concevoir de vraies sciences du vivant sans autre but que la connaissance, mme si les dŽveloppements les plus rŽcents sont souvent orientŽs vers les biotechnologies (qui produisent) ou vers le domaine flou de la santŽ (qui vend quelquechose) qui tend de plus en plus ˆ se substituer au domaine mŽdical (qui soigne).


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.


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.



5.1 - Un exemple de granite breton : le granite de TrŽgunc




TD7- Les granites bretons


Qu'est-ce qu'un granite ? Comment le granite arrive-t-il ˆ l'affleurement ? Quelles sont les caractŽristiques de quelques granites bretons exploitŽs ?


Fin 2011 l'appellation "granite breton" est ou sera (?) protŽgŽe par le label IGP (Indication GŽographique ProtŽgŽe).

Cette partie est Žvidemment ˆ cheval sur le programme de terminale.



5.2 - Contexte gŽodynamique de la formation des granites




Comment peut-on atteindre une tempŽrature suffisante pour obtenir un magma granitique ?
Quelles sont les roches fondues, et en quelle proportion, pour donner un magma ganitique ?
Pourquoi 90% des granites (lato sensu) ont une composition chimique trs voisine ?
Pourquoi la composition de la crožte continentale est-elle granitique (ou gneissique si l'on considre qu'elle est majoritairement mŽtamorphisŽe) ?

Trois crobras (mal) redessinŽs d'aprs Mattauer, p47, 49
La crožte continentale est en ocre. Le manteau lithospŽrique est en vert plus foncŽ. Le plan courbe dŽfinit une zone de cisaillement au niveau de crožte qui est associŽ, en profondeur au plan de subduction ou de collision... Dans le crobar de droite on a reprŽsentŽ les zones les plus chaudes et profondes qui alimentent une bulle de magma granitique sui va donner le massif grantique. Enfin, ˆ l'extrme droite l'Žrosion a dŽgagŽ le pluton qui appara”t ˆ l'affleurement.


 

 


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 :
- dans un contexte de subduction continentale, la crožte continentale est entra”nŽe ˆ des profondeurs qui peuvent atteindre plus de 100 km.
- dans un contexte de remontŽe thermique, associŽe ˆ une collision ou une subduction. Au cours de l'histoire d'une cha”ne de montagne, on observe une remontŽe de chaleur (avec un bombement asthŽnosphŽrique ?) qui mŽtamorphise les roches mais peut aussi atteindre la fusion. Dans ce cas un magma granitique peut appara”tre au niveau de la racine profonde de la cha”ne de montagne.


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.


Modle d'Žvolution d'une cha”ne de montagne
(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).

Vademecum sur l'origine des granites, Pierre Thomas


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.




5.3 - Exploitation




Le site du granite breton est bien renseignŽ. Voir par exemple l'extraction, le faonnage, les traitements de surface, l'utilisation.


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 ...