Tectonique des plaques, l'histoire d'un modèle

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accrétion océanique mécanisme qui aboutit à la création de lithosphère océanique au niveau des dorsales. Les plaques entraînées dans le manteau , au niveau des zones de subduction, s'écartent des autres. Cet écartement entraîne la remontée de l'asthénosphère au niveau des dorsales, formation de magma et naissance d'une nouvelle lithosphère océanique.
alignement volcanique

résultat de l’activité d’un point chaud présentant les caractéristiques suivantes :

  • un seul volcan est actif ; il est situé à l’extrémité de l’ensemble de volcans ;
  • plus on s’éloigne du volcan actif, plus l’âge des édifices volcaniques augmente.

Ex : Archipel d'Hawaï.

 

Université de Laval (Quebec)
anomalie magnétique
différence d'importance du champ magnétique au niveau d'une roche (magmatique comme le basalte) par rapport au champ magnétique actuel. Elle correspond à la somme algébrique du champ magnétique actuel plus (ou moins si inverse) le champ magnétique "fossilisé" par la roche. Ces mesures au niveau des fonds océaniques permettent de reconstituer leur histoire : on parle de paléomagnétisme.

source de l'image

asthénosphère partie du manteau (donc constituée de péridotites) moins rigide parce que chaude donc non cassable mais déformable. La lithosphère, rigide, cassante, se déplace sur cette enveloppe.
basalte

roche magmatique éruptive de structure microlitique (l’échantillon est noir, avec peu de minéraux visibles à l’œil nu) qui se forme à l’axe de la dorsale (au niveau du rift).

Le magma, lors de sa remontée depuis la chambre magmatique jusqu’en surface, voit se former des cristaux dans la chambre magmatique (1) puis des microlites au cours de l’ascension (2) et enfin la roche se solidifie brutalement au contact de l’eau (3), on parle de phénomène de trempe. Les principaux minéraux sont l’olivine, le pyroxène et les plagioclases (comme dans le gabbro).

Masse volumique voisine de 2,5 g/cm 3, comparable à celle du granite.

source : images SVT
La roche
La lame mince en LPA
bimodale

qualifie la distribution des reliefs à la surface de la terre :

  • 30 % terres émergées (reliefs positifs : plaines, plateaux, montagnes...) ;
  • 70 % terres immergées (reliefs négatifs : dorsale, rift, fosse, abysses...).

Une des observations de Wegener et de ses contemporains, expliquée par la dérive des continents (Wegener : mobilité horizontale) ou la théorie des ponts continentaux (mobilité verticale).

blocs basculés

structures observables au niveau des marges passives des continents (Ex : bordure de l’Atlantique) témoignant de la rupture d’un continent par la présence de failles normales provoquant la formation de fossés d’effondrement.

Figure 1 : portion du profil de sismique réflexion multitrace migré en temps GP 101, interprétation structurale (d'après Mauffret et Montadert 1987).

Sur le site Didier.com

convection

processus qui permet un transport de la chaleur par la matière, elle-même en mouvement.

La découverte de la convection comme processus de transfert de la chaleur est due à Rumford en 1797, mais les véritables investigations expérimentales et théoriques ne datent que du début du XX ème siècle.

image Wikipedia

convergence mouvements dans les zones de subduction et de collision où les plaques disparaissent.
cordillère chaîne de montagnes constituée de formations sédimentaires, de volcans alignés, de massifs granitiques, formée dans un contexte de subduction.
coulissage

mouvements de deux blocs lithosphériques le long d'une faille transformante.
croûte

partie supérieure du globe, accessible à l’échantillonnage à partir d’affleurements terrestres ou océaniques :

  • sur les continents son épaisseur moyenne est de 30 km (jusqu’à 70 km sous les montagnes) et les roches majoritaires sont les roches métamorphiques (gneiss), le granite et enfin les roches sédimentaires.
  • au niveau des océans, on trouve de haut en bas une succession de roches (appelée ophiolite : voir TS) : basaltes, gabbros, péridotites à olivine. Des roches sédimentaires recouvrent (sauf au niveau du rift) cette série. L’épaisseur est beaucoup plus faible : 5 km environ (soit 10 km sous le niveau de la mer).

Cette enveloppe est limitée, dans sa partie inférieure, par le Moho.

crustal adjectif relatif à la croûte.
décrochement

action d'une faille transformante (ou de coulissage) le long de laquelle deux compartiments rocheux coulissent horizontalement l'un par rapport à l'autre.

densité

quotient de la masse volumique d’un corps sur la masse du même volume d’un fluide de référence (eau en général = 1). Masse volumique = quotient de la masse d’un corps sur son volume.

On peut déterminer la masse volumique d’un échantillon en le plongeant dans l’eau et en mesurant l’augmentation du volume d’eau.

dérive des continents
théorie émise par Wegener en 1912 selon laquelle les continents se seraient déplacés, les uns par rapport aux autres, au cours des temps géologiques. Pour lui, les continents auraient constitué, au début de l'ère secondaire, un bloc unique ou Pangée. Ce bloc se serait ensuite disloqué, donnant naissance à l'océan atlantique.

Cette théorie qui expliquait l'analogie des formes, des structures géologiques et des évolutions paléontologiques de part et d'autre de l'Atlantique a été longtemps controversée faute de moteur.

Entre 1960 et 1970, elle a reçu toute une série de confirmations grâce notamment à des mesures (à partir de données géologiques : points chauds, anomalies magnétiques, âges des sédiments et plus récemment grâce au GPS) et est aujourd'hui intégrée, avec des modifications et des précisions, dans la tectonique des plaques.

discontinuité

surface entre deux milieux de propriétés différentes. Les enveloppes terrestres sont séparées par des limites physiques et / ou chimiques.

divergence mouvements au niveau des dorsales océaniques où se forment les plaques : il y a création de la lithosphère océanique et expansion.
dorsale

relief allongé du fond océanique au niveau duquel celui-ci se renouvelle. Au niveau mondial, elles représentent une longueur totale de 60 000 km.

Certaines sont dites lentes car l’expansion y est de quelques centimètres par an (ex : Atlantique), d’autres sont qualifiées de rapides avec une vitesse d’expansion de l’ordre de 10 voire 15 cm par an (ex : Pacifique, Est-indienne).

 

 

source de l'image ci-contre

évaporites

roches formées par évaporation intense, témoins d’un climat chaud. (on les retrouve de part et d'autre de l'océan atlantique, cela confirme l'hypothèse de dérive des continents de Wegener)

 

exemple : la rose des sables

expansion océanique

augmentation de la surface du fond des océans par apport de matériaux profonds (roches magmatiques) au niveau des dorsales océaniques.

 

source de l'image

 

La tectonique des plaques définit trois stades :

  • stade de distension ou rifting continental : observable en Alsace, en Limagne et dans la région des grands lacs africains. Il y a création de fossés, au centre de vastes bombements topographiques présentant un flux géothermique supérieur à la moyenne, un volcanisme basaltique, une sismicité élevée, une sédimentation épaisse et souvent évaporitique.
  • stade océan étroit : il y a eu création d'un fond océanique, mais la faible largeur de l'océan interdit le renouvellement de l'eau profonde par les courants, ce qui entraîne leur stagnation, empêche leur oxygénation et engendre un milieu où la matière organique se conserve (boues noires). Ce stade est aujourd'hui en partie illustré par la mer Rouge.
  • stade océan large : comme l'actuel Atlantique, la circulation des eaux entraînées par les courants y est aisée et, sur les fonds, l'oxygène se renouvelle : la matière organique s'y oxyde et disparaît. La répartition de la sédimentation est alors essentiellement gouvernée par 3 paramètres : la quantité des apports détritiques, la productivité biologique du milieu océanique, l'éloignement de la dorsale, qui conditionne l'âge du fond océanique et donc sa profondeur.
faille

accident tectonique (cassure de terrain) avec déplacement relatif des parties séparées.

Ex : celle de VEMA permet de connaître la composition des roches de la lithosphère océanique, en recueillant des échantillons grâce à des submersibles.

(de l’ancien français faillir car, après cette structure, le mineur ne retrouve plus le filon ou la veine qu’il exploitait).

 

source des schémas

Faille dans du goudron.

 Loma Prieta, faille de San Andreas, Californie, auteur inconnu. Décrochement la long de la faille de San Andreas. Source
faille transformante frontière entre deux plaques lithosphériques, où il n'y a ni création ni destruction de croûte, mais coulissement (ou coulissage).
failles normales

cassure de terrain prouvant une expansion. L’activité de ces structures, héritage de rifts continentaux, témoigne de l’amincissement de la lithosphère et de sa subsidence (enfoncement).

Faille normale dans les grès de Trèves
(Allemagne) cJYB		 http://dino53.free.fr/pages/photos/e2.html
flux géothermique

quantité de chaleur provenant des profondeurs de la Terre et traversant une surface donnée en un temps donné. Au sol il est en moyenne de 0,05 W/m 2. Il existe surtout en surface.

Au niveau de la dorsale, on remarque une anomalie de positionnement des isothermes : on parle d’anomalie positive qui prouve la remontée de l’asthénosphère (isotherme 1300°C) à la verticale du rift.

fosse profonde dépression étroite (jusqu'à 11 000 m de profondeur sur quelques km de large et plusieurs milliers de km de long) du plancher océanique se formant lors de la plongée d'une plaque lithosphérique sous une autre : subduction.
fossiles

restes ou moulages naturels d’organismes conservés dans une roche sédimentaire.

Grâce au principe d’actualisme, ils permettent de reconstituer des paléoenvironnements (faciès récifal par exemple : chaud) ou de dater les roches (on parle alors de f. stratigraphique : ci-contre un fragment d'Ammonite).

foyer lieu d'origine de la rupture des roches en profondeur, responsable d'un séisme, à la verticale de l'épicentre.
frontières de plaques

bandes étroites :

  • au « milieu » des océans : on parle de dorsales océaniques (Ex : Atlantique), en expansion.
  • à la limite océan-continent (ou océan-océan) : ex Andes (subduction)
  • à l’intérieur des continents : au niveau des chaînes de montagnes (Ex : Himalaya), il y a collision.
gabbro

roche magmatique grenue donc plutonique (refroidissement lent en profondeur) que l’on trouve sous les basaltes au sein de la croûte océanique. Elle est principalement composée de deux minéraux : plagioclases (blancs à l’œil nu, «maclés » en LPA) et de pyroxène (noir à l’œil nu, clivages à 87° au microscope) donnant à l’échantillon une teinte sombre plus ou moins mouchetée de blanc.

Un échantillon de gabbro à l'oeil nu, x 1. Une lame mince de gabbro observée au microscope en LP.

De superbes photographies de C. Nicollet.
GPS

technique de positionnement par satellites (Global Positioning System) qui mesure les directions et vitesses des plaques sur des échelles de temps de quelques années.

Ces mesures pratiquement instantanées valident et affinent le modèle des déplacements globaux des plaques, fondé et construit sur des observations géologiques et géophysiques.

 

Ci-contre, image obtenue grâce au logiciel SISMOLOG.

granite

roche issue d’un refroidissement lent (roche plutonique et donc grenue), consécutif à une cristallisation du magma en profondeur, au sein de la croûte continentale. Les minéraux constitutifs, de taille sensiblement égale, sont le quartz, les feldspaths (plagioclases et/ou orthose) et la biotite ou mica noir.

lame mince observée en LPA.

remarque : la roche observée ici était en cours d'altération.

Echantillon observé à l'oeil nu

source : images SVT

grenu c'est-à-dire formée de minéraux jointifs (grins). Ex : le gabbro car il a cristallisé en profondeur (le granite également).
intraplaque qui n'est pas situé au niveau d’une frontière entre 2 plaques mais au sein d'une plaque. Ex : les volcans de l’archipel de Hawaï sur la plaque Pacifique (voir point chaud)
isotherme courbe joignant les points qui sont à même température. Ex : la courbe 1 300 °C correspond à la limite lithosphère / asthénosphère qui s’abaisse lorsque la lithosphère s’éloigne de la dorsale par expansion.
JOIDES ambitieux programme de forages (270) sous-marins ayant permis de dater les sédiments profonds au contact avec les basaltes (et par conséquent dater les basaltes : parfaite corrélation avec le paléomagnétisme).
lame mince échantillon de roche aminci jusqu’à le rendre transparent afin d’en permettre l’observation en lumière transmise au microscope optique (généralement en lumière polarisée : LP, ou polarisée et analysée : LPA).
lave roche en fusion provenant d'un magma et émise à la surface d'un volcan.
lithosphère couche superficielle de la Terre scindée en plaques rigides, mobiles, épaisse de 70 km sous les océans à 150 km environ sous les continents. Elle est composée par la croûte (continentale ou océanique) surmontant la partie supérieure du manteau supérieur (péridotites rigides parce que froides donc cassantes). En dessous se situe l’asthénosphère, moins rigide.
lithosphère océanique

couche superficielle de la Terre, au fond des océans (ou sous forme de lambeaux dans les chaînes de montagnes : on parle alors d’ophiolites). Elle est constituée :

  • de basaltes en coussins, caractéristiques des dorsales océaniques  ;
  • de gabbros recoupés de basaltes en filons ;
  • de gabbro ;
  • et de la péridotite du manteau supérieur.

Il s’agit de roches magmatiques.

magma

liquide à haute température (au moins 600° C) qui donne des roches par solidification :

  • à une certaine profondeur au cours d’un refroidissement lent (roches plutoniques comme le granite, le gabbro) ;
  • en surface (dans le cas du basalte, cela signifie sous 5 km d’eau !) par refroidissement rapide de laves donnant des roches volcaniques ou éruptives.
source disparue
magnétite

oxyde de fer présent dans la lave à l'origine de la formation du basalte des dorsale et "fossilisant" le champ magnétique tessrestre au moment de la solidification de la roche.

 

Des grains de magnétites ramassés à l'aide d'un aimant dans le sable des plages entre la Pointe du Bil et la Plage de la Mine d'Or à Pénestin dans le Morbihan. source

manteau

enveloppe de la Terre située sous la croûte continentale ou océanique. Couche très épaisse (de 5 - 30 km à 2 900 km) constituée de péridotite (homogénéité chimique), composée de minéraux différents selon la profondeur et donc plus ou moins rigide. On distingue 3 parties (de haut en bas) :

  • la partie supérieure appartient à la lithosphère ;
  • en dessous c’est l’asthénosphère ;
  • enfin on trouve la partie inférieure (limitée à sa base par le noau externe).
microlitique qualifie la structure (= texture) des roches constituées de verre (non cristallisé) et de microlites c'est-à-dire de petits minéraux sous formes de baguettes (de pyroxène, d’olivine ou de feldspaths plagioclases…) et de quelques cristaux de taille plus importante (souvent de l'olivine). Le basalte présente cette structure.
minéral Espèce chimique naturelle se présentant le plus souvent sous forme de cristal. Une roche est composée de minéraux comme un organe est composé de cellules (si vous me permettez cette comparaison !).
mobilité horizontale déplacement latéral (ou dérive) des continents à la surface de la terre (modèle de Wegener très controversé au début du XX° siècle).
Moho discontinuité terrestre de Mohorovicic à quelques dizaines de km de profondeur ( vers 5 km sous les fonds océaniques à 70 km sous les continents) au-delà de laquelle les ondes s’accélèrent, il s’agit de la limite entre la croûte et le manteau.
noyau

partie interne de la Terre séparée en 2 parties :

  • la partie externe, liquide (les ondes S ne le traversent pas), surtout composé de fer, de 2 900 à 5 150 km de profondeur, de densité élevée, séparé du manteau par une discontinuité ;
  • la partie interne ou graine, formée aussi de fer mais également de nickel, de 5 150 à 6 370 km (centre de la Terre), solide.
ondes P

ondes de volume qualifiées aussi de premières (car plus rapides que les ondes S) ou de compression et décompression (responsables du grondement lors d’un séisme). Permettent de déterminer la structure du globe.

ondes S ondes de volume qualifiées aussi de secondaires (car plus lentes que les P, elles arrivent donc plus tard) ou de cisaillement (ou transversales). Permettent de déterminer la structure du globe mais ne se propagent que dans les solides (donc pas dans le manteau supérieur).
paléoclimats reconstitution des climats passés grâce aux fossiles (coraux = chaud...) et aux roches (tillites = froid ; évaporites = chaud...). Un des arguments de la théorie de Wegener.
paléomagnétisme ensemble des effets du champ magnétique terrestre dans le passé. Le champ magnétique, "fossilisé" par les roches magmatiques lors de leur refroidissement (vers 600°C = point de Curie), s'est périodiquement inversé au cours des temps géologiques : périodes de champ normal ou inverse. Ces études ont permis de conforter l'hypothèse de l'expansion des fonds océaniques et de reconstituer les mouvements des plaques et la dislocation de la Pangée.
Pangée

continent unique existant à la fin du Paléozoïque (ère primaire) et qui s'est ensuite fracturé selon le modèle de la dérive des continents de Wegener et plus récemment par la tectonique des plaques.

 

 

source du schéma (BRGM)
péridotite

roche grenue constituée principalement de deux minéraux : l’olivine et le pyroxène (+ amphibole, biotite, grenat).

Masse volumique des roches accessibles à l’échantillonnage : 3,3 à 3,5 g/cm3.

Celles du manteau profond ont des compositions minéralogiques différentes mais une composition chimique identique.

lame mince observée en LPA.

les principaux minéraux visibles ici : le péridot, variété d'olivine.

source : images SVT

plan de Benioff plan incliné ( pendage de 20° à 80°) signant la subduction et correspondant aux profondeurs des foyers sismiques . Il traduit l'enfoncement d'une plaque lithosphérique océanique sous une autre plaque (continentale ou océanique).
plaque

partie rigide superficielle de la Terre, épaisse d’une centaine de km, qui, avec d’autres, constitue la lithosphère. Elles peuvent se déplacer horizontalement sur leur substratum plus visqueux (moins rigide) : l’asthénosphère. Les limites entre elles (frontières) sont de trois types : dorsale océanique, zone de subduction et faille transformante.

point chaud

région fixe située dans le manteau (profond) qui envoie vers la surface « un panache » de magma perforant périodiquement la plaque sus-jacente.

Sachant qu'ils sont fixes et que leur activité est quasiment permanente , les alignements de volcans (ex Hawaï) traduisent le mouvement de la plaque sus-jacente au cours des temps géologiques.

 

Crédit : Université de Laval (Québec)

point de Curie

température en dessous de laquelle les roches magmatiques comme le basalte acquièrent leur aimantation et "fossilisent" ainsi le champ magnétique terrestre.

Température de 585°C pour les magnétites. Cette température tire son nom de Pierre Curie , physicien français qui l'a découverte en 1895 .

polarisé qualifie la lumière permettant d’observer une lame mince à l’aide d’un microscope polarisant c'est-à-dire muni d’un polariseur (que l’on place souvent sous la lame mince) : LP. On peut y ajouter un analyseur au niveau de l’oculaire pour les observations en lumière polarisée et analysée : LPA.
ponts continentaux théorie sur laquelle se fondent les opposants à Wegener postulant que les continents aujourd'hui séparés étaient jadis réunis par des ponts continentaux, ensuite effondrés (mouvements verticaux opposés à la mobilité horizontale de la dérive des continents).
réflexion phénomène par lequel des ondes sismiques sont renvoyées par une surface de discontinuité.
réfraction changement de vitesse et de direction d’un rayon vibratoire (ici une onde sismique). Ce phénomène se produit brutalement à l’interface entre deux milieux de nature différente (au niveau d’une discontinuité) ou progressivement lorsque les propriétés d’une couche varient dans l’espace (dans le manteau par exemple).
rifting continental stade de distension observable aujourd’hui en Alsace, en Limagne et dans la région des grands lacs africains. Il y a création de fossés, au centre de vastes bombements topographiques présentant un flux géothermique supérieur à la moyenne, un volcanisme basaltique, une sismicité élevée, une sédimentation épaisse et souvent évaporitique.
sismique réfraction méthode de recherche géophysique utilisant les ondes réfractées issues d’explosions. Inventée pour rechercher des ressources naturelles (pétrole notamment) c'est-à-dire pour la prospection, elle est utile pour connaître la structure du globe en surface (localisation d’une chambre magmatique, observation des failles et blocs basculés d’une marge passive). Plus d'informations.
sismogramme

 

enregistrement réalisé par un sismomètre, montrant les différents types d’ondes enregistrées suite à un séisme naturel ou artificiel. enregistrement du Séisme de Sumatra à Luçon : plus grand ici.
structure ou texture : arrangement relatif des minéraux. On parle de texture microlitique, grenue, foliée…
subduction

enfoncement de grande ampleur d'une portion de lithosphère sous une autre.

Il y a formation d'une zone (ou plan) de Bénioff matérialisant le plongement de la plaque par la répartition des foyers sismiques, d'un volcanisme actif, d'une fosse (relief négatif).

coupe à proximité de Sumatra, obtenue grâce au logiciel SISMOLOG. Les points jaunes représentent les foyers sismiques superficiels, les points rouges matérialisent les foyers plus profonds : l'ensemble permet de visualiser le plan de Bénioff.

tectonique des plaques

hypothèse, solidement étayée aujourd’hui, selon laquelle la partie superficielle de la Terre (lithosphère) est formée de plaques rigides d’une centaine de kilomètres d’épaisseur, en mouvements sur l’asthénosphère déformable.

Ces plaques sont constituées d’une partie du manteau supérieur surmontée, suivant les cas, de croûte continentale ou océanique.

 

animation ci-contre : biologie en flash (géologie interne : valse des continents)

texture synonyme de structure signifiant l’arrangement relatif des minéraux dans une roche. Ex : grenue, microlitique…
topographie (étymologiquement "écrire à propos d'un lieu") représentation graphique d'un lieu avec l'indication du relief.
Wegener

Scientifique allemand né à Berlin en 1880, docteur en astronomie puis météorologue. C'est en 1915 qu'il publie sa théorie de la dérive des continents qui rencontre beaucoup d'opposition.

En 1924, on lui offre la chaire de météorologie et de géophysique de l'université de Graz, en Autriche, où ses idées y sont mieux accueillies qu'à Hambourg. Il meurt au cours d'une troisième expédition au Groenland en 1930.

zone d’ombre
quel que soit le lieu du séisme, tous les sismographes situés dans une bande entre 104 et 144° (angle à l’épicentre) ne reçoivent aucune onde sismique à cause des discontinuités terrestres et en particulier de la limite manteau / noyau.

image obtenue avec le logiciel ONDES P.

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