COURS ÉLÈVES 06/12/17

3 LA TECTONIQUE DES PLAQUES : L’HISTOIRE D’UN MODÈLE

Au XIXème siècle, le fonctionnement du globe terrestre fait l'objet de nombreuses discussionspassionnées. Des observations communes (présence de montagnes, d'océans) ou moins communes (chaleurinterne de la Terre, reculs et avancées de la mer) sont à l'origine des modèles explicatifs admis à l'époque.

Un de ces modèles défendu en particulier par le géologue Suess admet que l'intérieur de la Terre serefroidit et que ce refroidissement provoque sa contraction. La couverture extérieure froide devient trop grande,se plisse dans certaines zones (donnant naissance aux montagnes) et s'effondre par ailleurs (donnant naissance àdes océans). Le modèle de Suess est donc basé essentiellement sur des mouvements verticaux de la croûte.

3.1 La construction du modèle de la tectonique des plaques Le modèle de Suess suppose une couche rigide de surface de même nature partout. Le constat d'une

distribution bimodale des altitudes va à l'encontre de cette nature uniforme (pour des raisons physiques, si les roches desurface étaient toutes de même nature, les altitudes devraient osciller autour d’une seule valeur moyenne).

3.1.1 La naissance de l’idée de déplacement horizontalAu début du XXème siècle, les premières idées évoquant la mobilité horizontale de

la surface du globe sont formulées (Wegener en particulier) . Elles s’appuient surplusieurs constatations :

- la distribution bimodale des altitudes (continents/océans).- les tracés des côtes (complémentaires dans certaines régions); - la distribution géographique des paléoclimats (zones de même climat très séparées).- la distribution géographique de certains fossiles (zones de mêmes fossiles très séparées) .

Observations fondant l'idée d'une mobilité horizontale à la surface du globe

Ces idées se heurtent au constat d’un état solide de la quasi-totalité du globe terrestre établi, à lamême époque, par les études sismiques. Pour cette raison en particulier, l’idée de mobilité horizontale estalors rejetée par l’ensemble de la communauté scientifique.

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Le modèle de Suess

Distribution des altitudes à la surface

du globe

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3.1.2 Déterminer l'age des fonds océaniques pour valider le modèle

3.1.2.1 Par l'étude des anomalies magnétiques

Au début des années 1960, les découvertes dela topographie océanique et des variations du fluxthermique permettent d’imaginer une expansionocéanique conséquence d’une convection profonde(voir suite du cours) et associée à une accrétion(ajout) de matériaux remontant à l’axe des dorsales.

La mise en évidence de bandes d’anomaliesmagnétiques symétriques par rapport à l’axe desdorsales océaniques associée aux faits que lesroches magmatiques de la dorsale (basaltes enparticulier) sont d'age actuel et de plus en plus âgéesquand on s'en éloigne , s'explique par cetteexpansion.

Cette expansion a également pour conséquenceun déplacement des continents. Cela valide doncl'idée de dérive des continents et de mouvementsde plaques. Les failles transformantes, quant à elles nepeuvent s'expliquer que par des mouvements horizontaux

3.1.2.2 Par l'utilisation des sédiments

Si le fond océanique est formé à un moment donné puis sedéplace latéralement, le modèle prévoit que la croûte océaniqueest d’autant plus vieille qu’on s’éloigne de la dorsale. Si c'estbien le cas, les sédiments devraient en témoigner par laprésence de sédiments déposés sur ce fond de plus en plusanciens en s'éloignant de la dorsale .

Les âges des sédiments en contact avec le plancherocéanique (programme de forage sous-marins JOIDES)confirment ces présupposés, en effet :

les roches sont actuelles sur les dorsaleselles sont de plus en plus vieilles quand on s’en éloigneles ages sont symétriques de part et d’autre de la dorsale

Ces mesures confirment également les vitesses déterminées par les autres techniques.

Avec l’utilisation des techniques de positionnement par satellites (GPS), à la fin du XXèmesiècle, les mouvements horizontaux sont devenus directement observables et leurs vitesses ont étéconfirmées. Le modèle construit à partir de ces données considérant que des plaques solides sedéplacent à la surface du globe est nommé modèle de la tectonique des plaques.

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Age des fonds océaniques de part et d'autre de la dorsale Atlantique

Dépôts successifs de sédiments sur un fond océanique en expansion.

Anomalies magnétiques et age des fonds océaniques.

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3.2 Un premier modèle global: des plaques en déplacement à la surface du globe.

3.2.1 La nature des plaquesLa différence d’altitude observée entre

continents et océans met en évidence ladifférence de nature des roches qui lesconstituent.

Les études pétrographiques (des roches)permettent de caractériser et de limiter deuxgrands types de croûtes terrestres selon la nature desroches les constituant: une croûte océaniqueessentiellement formée de basalte (1) en surface et degabbro (2) sous le basalte et une croûte continentaleconstituée entre autres de granite (3). La croûte repose sur lemanteau, constitué de péridotite 4).

3.2.2 L'épaisseur des plaquesLa vitesse des ondes sismiques à différentes profondeurs

confirme les études pétrographiques et les complète. Elle permet dese faire une idée de la nature des matériaux (basalte, granite …) etde l'état de ces matériaux (liquide solide ductile).

En particulier les ondes S ne se propagent pas dans le liquideet les ondes sont ralenties dans le ductile (visqueux). Les plaquesauraient l'épaisseur de la lithosphère (solide) et se déplaceraient surl'asthénosphère (ductile) .

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L'épaisseur des plaques

Distribution des altitudes à la surface du globe

Structure de la Terre en coupe

Différentes couches vers la surface du globe

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3.2.3 Les limites des plaquesLes mouvements de plaques se traduisent par une

activité aux frontières de plaques (séismes, volcans,montagnes). Inversement, la présence de signes d'activité estdonc généralement un marqueur de limite de plaque .

3.2.4 Les mouvements des plaques

3.2.4.1 Le moteur du mouvement

Depuis sa formation, l'intérieur de la Terre présente unetempérature élevée par rapport à son environnement. Deséchanges de chaleur ont donc lieu en permanence de la Terre versson environnement qui ont conduit à son refroidissement.

Ce refroidissement a permis la formation d'une coucherigide en surface, la lithosphère. Mais sa présence gène lesdégagements de chaleur.

Les zones de frontières de plaques sont des lignes oùs'effectuent préférentiellement les échanges de chaleur depuiscette période. Le matériau chaud remonte sous les limites deplaques puis s'écarte sur les côtés entraînant la plaque sus-jacente.Une petite fraction du matériau chaud entre en fusion et sort auniveau des dorsales.

3.2.4.2 Les différents types de déplacement des plaques.

Les plaques lithosphériques sedéplacent à la surface du globe. Elless'écartent dans certaines zones(divergence), se rapprochent dansd'autres zones (convergence) et enfin,coulissent parfois latéralement l'unecontre l'autre (limite transformante,coulissement) .

Les frontières de plaquescorrespondent parfois avec lesbordures de continents (margescontinentales) mais ce n'est pas le cas le plusfréquent.

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Différents types de frontières de plaques

Courbe d'évolution de la température en profondeur

Les limites de plaques

Les mouvements de convection, conséquence du refroidissement de la

Terre

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3.3 La tectonique des plaques au niveau des océans

3.3.1 La naissance d'une plaque océanique, les zones de riftingLorsque des remontées de chaleur ont lieu sous un continent, elles peuvent conduire à un

amincissement de la lithosphère continentale.

Cet amincissement peut être suivie d'une fracturation du continent avec formation de failles normales(zone de rift continental) puis d’une divergence des 2 morceaux du continent. Cette divergence est suivie deremontées de magma .

Un magma d'origine asthénosphérique s'infiltre alors dans lesfractures de la zone du rift formant alors une nouvelle croûte océanique.

La bordure des continents ainsi séparés (marge continentale)devient pour une courte durée une marge continentale active . Les 2marges continentales sont alors séparées par une dorsale, zone où seforme la nouvelle croûte océanique.

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Rift est Africain

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3.3.2 La croissance d'une plaque océanique et ses conséquences

3.3.2.1 Le fonctionnement des dorsales

En permanence, de la lithosphère océanique est produite au niveau des dorsales. Ladivergence des plaques de part et d’autre de la dorsale permet la mise en place d’une lithosphèrenouvelle à partir de matériaux d’origine mantellique .

Un manteau plus chaud remonte sous les dorsales, en remontant il subit une baisse de pressionce qui entraîne sa fusion partielle et donc la production de magma. Le magma produit remonte parles failles liées à la zone d'écartement et forme la nouvelle lithosphère. Elle est constituéede basalte en surface (refroidissement rapide ) gabbro sous les basaltes (refroidissement lent)et péridotite sous le gabbro (reste du manteau non fondu).

3.3.2.2 Transformation des marges actives en marges passives

L'écartement des 2 plaques nouvellement formées au niveau de la dorsale écarte la margecontinentale de la zone d'activité transformant les marges actives en marges passives. Les faillesnormales créées dans la phase initiale demeurent comme témoin de la phase de divergence initiale.

Les marges passives s'enfoncent sous l'accumulation de sédiments provenant en particulier ducontinent, on parle de subsidence (= enfoncement). Elles constituent de ce fait des zones favorablesà la formation des hydrocarbures liquides et gazeux.

L'exploitation nécessite, après identification d'ungisement, de creuser un puits pour y accéder.

Ce puits doit traverser la roche piégeant leshydrocarbures et atteindre la roche réservoir.

Pour les gisements conventionnels, leshydrocarbures, libres de toute contrainte et sous pression,remontent sans autre intervention humaine une fois lepuits creusé.

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Formation de la lithosphère océanique sous les dorsales

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3.3.3 Des modifications de la lithosphère océanique au cours du temps

3.3.3.1 Modification des roches au fond des océans

Pendant leur déplacement au fond de l'océan, les roches de la lithosphère océanique serefroidissent et s'imprègnent d'eau. Ces changements de conditions (température et eau)déstabilisent certains minéraux des basaltes/gabbros (pyroxènes, plagioclases) et provoquent laformation de nouveau minéraux (chlorite, actinote, hornblende) .

Ces transformations de minéraux à l'état solide (sans passer à l'état liquide) sont qualifiées demétamorphisme. Le métamorphisme subi par les roches des fonds océaniques est unmétamorphisme de basse pression et de basse température en présence d'eau aboutissant à desminéraux verdâtres d’où le qualificatif de schistes verts donné à ce type de roches métamorphiques. La présence de schistes verts est un indicateur des conditions de formation de la roche (bassepression, basse température et eau).

3.3.3.2 Les points chauds océaniques

Des remontées de matériaux chaudsponctuelles et fixes (points chauds)peuvent conduire à la formation de lignes devolcans au milieu d'une plaque dont un seulest actif . La direction de la ligne devolcans et la position du volcan actif indique la direction de déplacement de la plaque.

3.3.3.3 Destruction de la plaque océanique dans une zone de subduction

Au voisinage des fosses océaniques, les foyers desséismes se répartissent en profondeur selon un plan incliné(plan de Benioff).

L’interprétation de ces données sismiques est que lalithosphère s’enfonce dans l'asthénosphère au niveau desfosses dites de subduction . La limite inférieure de lalithosphère correspond généralement à l’isotherme 1300°C. Dans les zones de subduction, les matériaux de la vieillelithosphère océanique s’incorporent au manteau. Voirschémas de la partie 322.

En s 'éloignant de la dorsale, la lithosphère océaniquese refroidit, s'épaissit, ce qui augmente sa densité. Lorsque celle ci est plus forte que celle del'asthénosphère, la lithosphère s'enfonce en profondeur.

Conclusion : Le modèle de la tectonique des plaques constitue un cadre intellectuel utile pour rechercher des gisements

pétroliers. La tectonique globale peut permettre de déterminer : - La position de bassins favorables au dépôt d'une matière organique abondante - L'existence d’une tectonique (subsidence) qui permette l’enfouissement et la transformation de lamatière organique puis la mise en place d'un gisement.La rare coïncidence de toutes ces conditions explique la rareté des gisements dans l’espace et le temps.

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Fonctionnement d'un point chaud.

Répartition des foyers de séismes sous la Japon

Gabbro Metagabbro

Frontières de plaques et marges continentales

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Table des matières

3 LA TECTONIQUE DES PLAQUES : L’HISTOIRE D’UN MODÈLE...................................................1

3.1 La construction du modèle de la tectonique des plaques.................................................................................................13.1.1 La naissance de l’idée de déplacement horizontal........................................................................................................13.1.2 Déterminer l'age des fonds océaniques pour valider le modèle....................................................................................2

3.2 Un premier modèle global: des plaques en déplacement à la surface du globe.............................................................33.2.1 La nature des plaques....................................................................................................................................................33.2.2 L'épaisseur des plaques.................................................................................................................................................33.2.3 Les limites des plaques..................................................................................................................................................43.2.4 Les mouvements des plaques........................................................................................................................................4

3.3 La tectonique des plaques au niveau des océans..............................................................................................................53.3.1 La naissance d'une plaque océanique, les zones de rifting............................................................................................53.3.2 La croissance d'une plaque océanique et ses conséquences.........................................................................................63.3.3 Des modifications de la lithosphère océanique au cours du temps...............................................................................7

Conclusion :...............................................................................................................................................................................7

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