chapitre 12 : la lithosphère et la tectonique des plaques

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CHAPITRE 12 – LA LITHOSPHÈRE ET LA TECTONIQUE DES PLAQUES 1-Organisation de la partie externe : les lithosphères océanique et continentale La lithosphère est constituée de la croute et de la partie supérieure du manteau. Ces deux enveloppes rocheuses étant séparées par la discontinuité de Mohorovicic. La limite inférieur de la lithosphère, c'est à dire la limite entre le manteau supérieur rigide (cassant) et le manteau supérieur ductile, est situé vers 1200 °C. Cette température correspond à la température de fusion de l'olivine un minéral constitutif de la péridotite. La profondeur de cette limite est donc variable, proche de 0 km au niveau de l'axe des dorsales océaniques jusqu'à plus de 300 Km sous les vieux continents. La transition entre la lithosphère et l'asthénosphère, se caractérise par une diminution de la vitesse des ondes sismiques, due à la présence de matériel partiellement fondu, et permet de définir la ZMV (ou LVZ) pour Zone à Moindre Vitesse (ou Low Velocity Zone). Deux types de lithosphère sont identifiables : ‐ La lithosphère continentale constituée de la croute continentale et du manteau supérieur ‐ La lithosphère océanique constituée de la croute océanique et du manteau supérieur.

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  • CHAPITRE12LALITHOSPHREETLATECTONIQUEDESPLAQUES1Organisationdelapartieexterne:leslithosphresocaniqueetcontinentaleLalithosphreestconstituedelacrouteetdelapartiesuprieuredumanteau.CesdeuxenveloppesrocheusestantsparesparladiscontinuitdeMohorovicic.Lalimiteinfrieurdelalithosphre,c'estdirelalimiteentrelemanteausuprieurrigide(cassant)etlemanteausuprieurductile,estsituvers1200C.Cettetempraturecorrespondlatempraturedefusiondel'olivineunminralconstitutifdelapridotite.Laprofondeurdecettelimiteestdoncvariable,prochede0kmauniveaudel'axedesdorsalesocaniquesjusqu'plusde300Kmsouslesvieuxcontinents.

    Latransitionentrelalithosphreetl'asthnosphre,secaractriseparunediminutiondelavitessedesondessismiques,duelaprsencedematrielpartiellementfondu,etpermetdedfinirlaZMV(ouLVZ)pourZoneMoindreVitesse(ouLowVelocityZone).Deuxtypesdelithosphresontidentifiables:

    Lalithosphrecontinentaleconstituedelacroutecontinentaleetdumanteausuprieur

    Lalithosphreocaniqueconstituedelacrouteocaniqueetdumanteausuprieur.

  • 2Lalithosphreestdcoupeenplaquesdedimensionsetdecompositionsvariables

    Larpartitiondessismeslasurfacedugloben'estpashomogne.Lacartecidessusindiquel'emplacementdufoyerdessismesdemagnitude5etdeprofondeurvariable(jaune:seimessuperficiels,rouge:sismesintermdiaires,noir:sismesprofonds).Leurrpartitionselocaliseauniveaudebandestroites,principalementlafrontiredescontinentsauniveaudeschainesdemontagnesainsiqu'auniveaudesdorsalesetfossesocaniques.

  • LacartecidessusindiquelarpartitiondesprincipauxdificesvolcaniqueslasurfacedelaTerre.Delongueschainesd'alignementvolcaniquessontlocalisesauniveaudelaceinturepripacifique("ceinturedefeu")etcorrespondentauxprincipalesfossesdesubduction(associesdesfossesocaniques).

  • Lacorrespondanceentrelalocalisationdessismesetdesdificesvolcaniquesestmiseenvidenceparcettecarte.Lesprincipauxdificesvolcaniquesl'exceptiondesvolcansaumilieudescontinentssemblentcorrespondentdeszonesdefortesactivitssismiques.

  • Lessismesetlesvolcansnesontpasrpartiesdemanirehomognelasurfaceduglobe:ilssontconcentrssurdesbandestroitesettrslongues.Danscesbandes,lesdformationssontimportantes,alorsqu'ailleurs,ilyatrspeudedformations.Cesbandesdlimitentdescalottessphriquesrigidesetpeudformesl'exceptiondeleursfrontires:lesplaqueslithosphriques.

  • Cesplaqueslithosphriquessontrigidesetontuncomportantcassantloellessontsoumisesdescontraintes.Ellessontaunombrede16.

  • Lesplaqueslithosphriquespeuventtreentirementocaniques(plaquePacifiqueparexemple),ouentirementcontinentale(plaqueturqueparexemple)oumixtes(plaqueeurasiatiqueparexemple).

    Lescourbehypsomtrique(relevdesreliespositifsetngatifs)cumulemontreunerpartitionbimodaledesaltitudescorrespondantsauxdeuxtypesdecroutesetdoncaudeuxtypesdelithosphres.Lalithosphrealtitudepositivecorrespondlalithosphrecontinentale

    Lalithosphrealtitudengativecorrespondlalithosphreocanique,partirdutaluscontinentaleseulement.

    3Lamobilithorizontaledelalithosphre:laThoriedelatectoniquedesplaquesJusqu'lafindu19mesicle,aucungologueougophysicienneremettaitenquestionledogmedelaconstanceetdelafixitdesairescontinentalesetocaniques.L'Afriqueavaittoujourstdanssapositionactuelle;leSaharaavaittoujourstundserttraversparletropiqueduCancer.L'ocanAtlantiqueavaittoujourssparlesAmriquesdel'Europeetdel'Afrique.CettevisionfixisteadominlesSciencesdelaTerrependantdessicles.Pourtantuncertainnombred'observationscorrespondaientmallathoriefixiste:desformationsgologiquestoutfaitidentiquespouvaienttreobservessurdescontinentsaujourd'huisparspardesmilliersdekilomtres;desrochesanciennes,dposetrshautelatitudepardescalottesglaciaires,seretrouvaientaujourd'huidanslabandeintertropicale.Commentexpliquercestrangesobservations? 31Deladrivedescontinentsd'AlfredWegener(1912).UnesuccessiongologiqueprsenteenIndecentrale,s'talantsurlapriodede370Ma175Maetprsentantunesuccessioncaractristique(facisglaciaire,charbons,dpotsdesel,rochesclastiquesrouges,basaltes,..)atretrouveenAfriqueduSud,enAustralie,enAmriqueduSudetplustardenAntarctique.Orcommentexpliquerquecettesuccesionsoitprsentesurdescontinentssparsactuellementdeplusieursmiliersdekilomtres?Wegeners'appuyasurlestravauxdel'autrichienEduardSuessquiavaitsuggrerquelorsdudptdecettesquencel'ensembledescontinentstaientrassemblsenunsupercontinentleGondwanaetquelespartiesmanquantes(expliquantl'loignementactuelledescontinents)s'taientenfoncesdanslesocans.Wegenerallaplusloinenexpliquantquelacroutecontinentaledeplusfaibledensitquelacrouteoceanique(2,9)nepouvaitpass'treenfoncedanscelleci.Aprsledptdela"squencegondwanienne"lescontinentsontdrivsversleurpositionactuelle.C'estainsiqu'estneladrivedescontinents.

  • PourcelaWegeners'appuyasur3typesd'observations:

    Lacomplmentaritdutracdesctesorientaled'Afriqueetorientaled'AmriqueduSudainsiqueladispositiondesensemblesderochesd'gessuperieursouinferieurs2000Ma

    Larpartitiondecertainesfaunesetflores.LesfossilesdeMesosaurusnesontconnusquedans

    despartiessuddel'AmriqueduSudetdel'Afrique.Cetterpartitiongographiquesecomprendmieuxsil'onadmetquecesdeuxcontinentstaientreuniscettepoque.

    Situationactuelledescontinentsetrpartitionsdesfossilesdereptilesetdevgtaux

    LasolutiondeWegener

  • Larpartitiondessquencesglaciairesd'gepermocarbonifre(360245MA).CellescionttidentifiessurlescinqcontinentsissusdelafragmentationduGondwana.Aujourd'hui,enInde,ellessesituentsousleTropiqueduCancer;enAmriqueduSud,sousletropiqueduCapricorne;etenAfrique,entreletropiqueduCapricorneetl'quateur.

    SelonWegener,lapartiesuprieureduglobeestformed'unecouchecontinue,SIMA(Silice+magnsium),quiconstituait,entreautres,lacroteocanique.LacrotecontinentaleouSIAL(Silice+Aluminium)drivaitouglissaitsurleSIMA.

  • 32AladrivedesplaqueslithosphriquesdeHarryHess(1962)Durantlasecondeguerremondiale,l'importancedeladtectiondessousmarinsabeaucoupfaitprogressernotreconnaissancedesfondsocaniques.Enparticulier,onadcouvertunreliefaccentu,avecdevritableschainesdemontagnessousmarines,lesdorsalesocaniques,etdeprofondesdpressions,lesfossesocaniques.Recoupantd'autresobservationssurl'existencedecellulesdeconvectiondanslemanteau,HarryHessrunitdansuneseulehypothsetroistypesd'informationsapparemmentdisparates:

    L'existenceauniveaudesgrandesfossesocaniquesbordantlesarcsinsulairesd'uneimportanteanomaliengativedepesanteurqu'ilinterprtecommelamanifestationdelabranchedescendanted'uncourantdeconvection.

    Lefaitquelesdragagesocaniquesn'aientjamaisremontderochesoudesdimentsantrieursauMsozoque(ancienneairesecondaire25565Ma)

    L'existencedesdorsalesmedioocaniquesqu'ilinterprtecommelamanifestationd'uncourantascendant,remontantdumatrielmantellique.SelonHessilyauraitdoncremontdematrielprofondchaudvenantformerlalithosphreocaniqueauniveaudesdorsales.Commelasuperficieduglobeterrestreresteconstante,unequantitdelithosphreocaniquegalecelleproduiteauxdorsalesdoitdisparatre.Leplancherocaniqueserpanddonclatralementcommeuntapisroulantjusqu'auxfossesocaniquesoils'enfoncedanslemanteau,constituantlaportiondescendantedescellulesdeconvection.Pourlapremirefois,nousvoyonsapparatreladualitd'unelithosphrecontinentaleprenneopposeunelithosphreocaniqueenperptuellerenouvellement.

    Bienquecettethoriepermetted'abordersousunanglenouveaulagologieglobale,ellenedclenchapassonpoqueungrandenthousiasmedanslemondegologique.Denouvellespreuvesenfaveurdecettethorievontdevoiralorstreapportes

  • 4LespreuvesdelaThoriedelatectoniquesdesplaquesparVineetMatthews(1963) 41Lemagntismefossileetladatationdessdimentsocaniquesviennentconfirmerl'expansiondesfondsocaniques ADfinitionetcaractristiquesduchampmagntiqueterrestre.Entoutpointduglobe,danslairousousterre,uneaiguilleaimantesorienteselonunedirectionbiendfinie:ilexistedoncunchampmagntiqueterrestre.Sadirectionestlongitudinale,cestdireparallleauxlongitudes,ceslignesimmatriellesquirelientlepleNordauplesud.LaTerresecomportecommeunaimantgigantesqueDanslanature,lechampmagntiqueterrestrepeuttreassimilceluiproduitparunbarreauaimantgantplacaucentredelaTerreet,prsentantdeuxplesmagntiques.Onappellediplelaxedecebarreau.DanslecasdelaTerre,ledipleformeunanglede11aveclaxederotationdelaTerre:lesplesmagntiquesnesontdoncpassuperpossauxplesgographiques,qui,eux,correspondentlaxederotationdelaTerre.(Coordonnesduplenordmagntique:75N101W;coordonnesduplesudmagntique:67s143E.Enconsquenceuneboussolenindiquepaslenordgographiquemaislenordmagntique.Certainsanimaux,enparticulierlesoiseauxmigrateursontdesrcepteurscontenantdelamagntite(oxydedefercomplexeFe3O4)quiagitcommeuncorpsmagntiqueetleurpermetdesorienteretderetrouverainsileurairedevie.LintensitdecechampestexprimeenTeslaousonsousmultiplelenannotesla(nT=109T).CechampestpositifdanslhmisphreNordoleslignesdechamprentrentdanslaTerre,ilestngatifdanslhmisphreSudoleslignesdechampensortent.LavaleurmoyenneactuelleenFrance:46000nTesla.Lhypothseactuellesurlorigineduchampmagntiqueestlasuivante:Lenoyauexterne,liquidemtalliqueseraitlesigeactueldecourantshydrodynamiquesengendrantdescourantslectriquesprovoquantleurtourunchampmagntique.

  • BLemagntismermanentdesrochesCertainesrochescontiennentdesminrauxferromagnsiensquisaimantentdansunchampmagntiqueetenconservelammoire.Silsagitderochesmagmatiques,laimantationsestfaitelorsdurefroidissementaudessousdunetempraturenommepointdeCurie(500700selonlesminraux),nettementinfrieurelatempraturedefusiondelaroche(900100C).Leplancherocaniqueestformdebasaltequisaimanteaumomentdeleurformationetconserventainsilammoireduchampmagntiqueterrestredumomentdeleurmiseenplace

    Lesminrauxontfossilistouslescaractresduchampmagntique:intensit,dclinaisonetinclinaisonDepuisledbutdusicle,onsaitquelechampmagntiquesinversedesintervallesrguliersOndfinit:

    despoquesnormales:priodependantlaquellelesensduchampestidentiqueausensactuel(uneboussoleindiquelenord)

    despoquesinverses:priodependantlaquellelesensduchampmagntiqueestcontraireausensactuel(uneboussoleindiqueraitlesudcommeilya1Ma)

    UnechellemagntostratigraphiqueattablieallantduJurassiquelactuel.ElleavaleurmondialeAlintrieurdespoques,leschangementstrscourtssontappelsvnements,onleurdonnelenomdunergion.Lenregistrementencontinudecechamprvledesanomaliesparrapportauchampactuel.

  • Ondfinitalors:

    Desanomaliespositives:champrelsuprieurauchampthorique(ennoir)Uneanomaliepositivesignifiequelebasalteafossilisunchampdemmesensquelechampactueldonclaimantationrmanentesajouteauchampactuel

    Desanomaliesngatives:champrelinfrieurauchampthorique(enblanc)Uneanomaliengativesignifiequelebasalteafossilisunchampmagntiquedesensinversedeceluiduchampactueldonclaimantationrmanentesesoustraitauchampactuel.

    Lesrsultatssontcartographis;cenestpaslechampquiestcartographimaislesanomalies

  • CLesgesdessdimentsocaniquesconfirmentlerenouvellementdesfondsocaniquesLadatationdessdimentsdepartetd'autresdesdorsalesocaniquesl'aidedesmthodesdedsintgrationradioactivemontrequeplusons'loignedeladorsalepluslessdimentsdposssurleplancherocaniquesontanciens.Parconsquent,tantdonnqueledptsdimentaireestcontemporaindelamiseenplacedesrochesduplancherocanique,celaimpliquequeplusons'loignedeladorsalepluslerochesduplanchersontges.Onretrouvelasymtrieconstateauniveaudesanomaliesmagntiques.

    Connaissantl'gedelacroteocanique,ilestpossiblededduiremavitessedel'expansionocanique.Parexemplepourl'ocanAtlantique:

    ducotAfricain:distancedorsalecrotedatede150Ma=1600Km;lavitessededivergencecotAfriqueestdoncdev=1,06cm.an1.

    ducotAmricain:distancedorsalecrotedatede150Ma=1785Km;lavitessedel'expansioncotAmriqueestdev=1,19cm.an1.Ladivergencetotaleestdoncde2,25cm.an1.C'estdirequechaquemilliond'annel'Afriqueetl'Amriques'loignede22,5Km.Lavitessed'expansiondesfondsocaniquesmondiauxpeuttrecalculsdelammemanire.Lesvitessesdedivergences(d'expansion)varientaulongd'unemmedorsaleocaniqueetsurtoutd'unocanl'autre.Parexemplel'expansiondeladorsalepacifiquepeutlocalementatteindre20cm.an1alorsquelavitessed'expansiondansl'ocanatlantiqueestbeaucoupplusfaible(entre1,5et2,5cm.an1)L'absencedelithosphreocaniqued'geinfrieure180Maimpliqueunedisparitiondecelleciauniveaudezonedesubduction.

  • 42Lespointschaudspermettentdecalculerlavitessedeladrivedesplaqueslithosphriques

    Wilsonen1963,puisMorganen1971seposeleproblmed'unrfrentielpourmesurerle

    dplacementdesplaqueslithosphriques.

    Pourdcrirelemouvementabsolusdesplaquesonutiliselerfrentieldespointschauds(vucommeunreprefixelilaTerre).Leprincipereposesurl'existenced'alignementsvolcaniqueocaniquesconsidrscommelatracelaisselasurfacedelalithosphremobilepardespanachesdemanteauchaudd'origineprofondeetfixedansunrepreliauglobe.Aintervallerguliercespanachespercentlalithosphreocaniquelaissantcesalignementscaractristiquesdevolcans.

    Schmatisationd'unpointchaud

    Connaissantl'gedeslavesdelachainedesvolcansparlesmmesmthodesradiochronologiquequeprcdemment,ilestpossiblededterminerl'orientationetlavitessededplacementdesplaquesaudessusdespointschauds.

  • PrenonsparexempledelaportiondechainevolcaniqueHawaMidway.Cettechaineenpartiesousmarine,orienteESEWNW,mesureenviron4200Kmdelongueur.LevolcanismeHawaestactuel,alorsqu'ilestgde27,4MaMidway.Laplaquepacifiques'estdoncdplacedeL'ENE(EstNordEst)versl'WSW(OuestSudOuest)unevitessedev=9,7cm.an1.Sionappliquesemmeraisonnementl'alignementvolcaniquedesmontsdel'Empereur,unpeuplusaunordmaistoujoursliaummepointchaud,onconstateundplacementduSSEversleNNWunevitessedev=10,25cm.an1.Onendduitquelavitessededivergenceocaniquevarielgrementaucoursdutempsetqueladirectiond'expansionestsujettedebrusqueschangement.Cesdplacementsdesplaqueslithosphriquesimpliquentdesmouvementsrelatifsdesplaqueslesunesparrapportauxautres.5LesmouvementsrelatifsdesplaqueslithosphriquesLesplaquessedplacentlesunesparrapportauxautresetchangentsanscessedesuperficie.Leursmouvementsetleursmodificationsdpendentdesphnomnesintervenantleurslimites. 51Desmouvementsauxfrontiresdesplaques3typesdemouvementspeuventtreobservsauxfrontiresdesplaqueslithosphriques:

    desmouvementsdedivergence desmouvementsdeconvergence desmouvementsdecoulissage

  • 511lesdorsales,deszonesdedivergencesLadivergencealieuauniveaudesdorsalesocaniquesquisontdesreliefscaractrissparuneactivitmagmatique.Elleestmatrialiseparl'cartementensensopposdedeuxpointssituschacunsuruneplaque.

    512DesfrontiresconvergentesLaconvergencealieudansleszonesdesubduction(LOLOouLOLC)etleschainesdecollision(LCLC);elleestmatrialiseparlerapprochementdedeuxpointssituschacunsuruneplaque,ellecompenseaudformationprs,lacrationdelithosphredansleszonesdedivergence.

  • 513Lesfaillestransformantes:deszonesdecoulissageCertaineszonesduglobesontenmouvementsbienqu'ellesnesoientnideszonesdedivergence,nideszonesdeconvergences.Lesmouvementsdesplaquesleurniveausetraduisentpardescoulissageshorizontauxraliseauniveaudefailles.Lesdeuxlaquessedplacentensensinversedepartetd'autredecesfaillesqualifiesdetransformantes.

    52LesapportsdusystmeGPSdanslacinmatiquedesplaqueslithosphriquesLacinmatiquecorrespondl'tudedumouvementdesplaquesindividuellementetlesunesparrapportauxautres.LesystmeduGPS(GlobalPositionningSystem)reposesurdesmesuresfaitesparsatellite.Unsatelliteenvoieunsignalunebotederceptionsitueausol.Lavitessedul'ondemisetantconnue,letempsdeparcoursdusatellitelabaliseetdelabaliseausatellitepermetdecalculerladistancesparantlesatellitedelabalise.Desmesureseffectuerdesintervallesdetempsdiffrentspermetdesavoir,silabaliseausols'estdplace.Onpeutainsicalculersavitessededplacementainsiqueladirectiondesondplacement.Pourquelamesuresoitefficacelamesuredoittreeffectuepar4satellitesdiffrents.

  • LecumuldesdonnesGPSsurplusieursannespermetderaliserlacaredelacinmatiqueglobaledesplaqueslithosphriquesetnotammentdudplacementrelatifsdesplaqueslesunesparrapportauxautres.

    Conclusion:Desobservations,essentiellementralisesdanslesocans,etdontledbutaplusd'unsicle,ontpermisd'laborerlathoriedelatectoniquedesplaquesselonlaquellelalithosphreestdcoupeenplaquesanimesdemouvementsrelatifsdedivergence,convergenceetcoulissage.Ellessebasentsurlaformedescontinents,lafauneetlaflorefossiles,desformationsgologiquescontinentales,lessdimentsocaniquesetlesanomaliesmagntiquesdesfondsocaniques.CesinformationssontrelayesactuellementparlatechniquemoderneduGPS.Complterleschmabilansuivantl'aidedesconnaissancesdecechapitre

  • CHAPITRE 12 LA LITHOSPHRE ET LA TECTONIQUE DES PLAQUES1-Organisationde la partie externe : les lithosphres ocanique et continentale2-La lithosphre est dcoupe en plaques de dimensions et de compositions variables3-La mobilit horizontale de la lithosphre : la Thorie de la tectonique des plaques3-1-De la drive des continents d'Alfred Wegener (1912).3-2-A la drive des plaques lithosphriques de Harry Hess ( 1962)

    4-Les preuves de la Thorie de la tectoniques des plaques par Vine et Matthews (1963)4-1-Le magntisme fossile et la datation des sdiments ocaniques viennent confirmerl'expansion des fonds ocaniquesA-Dfinitionet caractristiques du champ magntique terrestreB-Le magntisme rmanent des rochesC-Les ges des sdiments ocaniques confirment le renouvellement des fonds ocaniques

    4-2-Les points chauds permettent de calculer la vitesse de la drive des plaqueslithosphriques

    5-Les mouvements relatifs des plaques lithosphriques5-1-Des mouvements aux frontires des plaques5-1-1-les dorsales, des zones de divergences5-1-2-Des frontires convergentes5-1-3-Lesfailles transformantes : des zones de coulissage

    5-2-Les apports du systme GPS dans la cinmatique des plaques lithosphriques