Fiche de révision : Dorsales et convergence lithosphérique

📋 Plan du Cours

1. Mobilité horizontale des plaques
2. Indices géologiques des déplacements
3. Marqueurs des frontières de plaques
4. Magmatisme des dorsales
5. Formation et diversité des dorsales
6. Transformations hydrothermales et métamorphiques
7. Refroidissement et vieillissement océanique
8. Subduction et magmatisme associé
9. Mécanisme de la subduction
10. Collision et épaississement continental

📖 1. Mobilité horizontale des plaques

📝 Points essentiels

• La surface terrestre est découpée en 14 plaques principales et une quarantaine de microplaques, peu déformables mais mobiles les unes par rapport aux autres.

• La géodésie spatiale mesure en continu la longitude, la latitude et l’altitude de balises à la surface des plaques avec une précision inférieure au millimètre, ce qui permet de calculer leurs vitesses absolues par rapport aux méridiens et parallèles terrestres.

📌 Le déplacement absolu d’une plaque est mesuré par rapport au repère terrestre des méridiens et parallèles, tandis que le déplacement relatif décrit le mouvement d’une plaque par rapport à une autre.

📌 Les frontières de plaques peuvent présenter une divergence, correspondant à leur éloignement aux dorsales, une convergence, correspondant à leur rapprochement en zone de subduction ou de collision continentale, ou un coulissage, correspondant à leur glissement horizontal l’une contre l’autre.

💡 Astuce mémo

Divergence écarte, convergence rapproche, coulissage fait glisser

📖 2. Indices géologiques des déplacements

★ À maîtriser

• Le champ magnétique terrestre a connu de nombreuses inversions au cours des temps géologiques, durant lesquelles les pôles magnétiques Nord et Sud étaient inversés par rapport à leur situation actuelle.

• Les anomalies magnétiques du plancher océanique forment des bandes de largeur variable, grossièrement parallèles et symétriques par rapport à l’axe de la dorsale, en un profil dit en peau de zèbre.

• La comparaison du profil magnétique du plancher océanique avec le calendrier des inversions permet de dater indirectement les basaltes, dont l’âge augmente à mesure que l’on s’éloigne de l’axe de la dorsale de chaque côté.

• La répartition des âges des basaltes montre que la croûte océanique se forme à l’axe des dorsales, puis s’éloigne latéralement de part et d’autre.

• Les alignements de volcans intraplaques associés à un point chaud fixe présentent des édifices d’autant plus vieux qu’ils sont éloignés du volcan actif, ce qui permet de déduire la direction et la vitesse du déplacement de la plaque.

Compléments

• Certaines roches magmatiques, notamment les basaltes, conservent les caractéristiques du champ magnétique terrestre au moment de leur formation, appelées champ paléomagnétique.

• L’expansion de l’Atlantique Nord durant les 2 derniers millions d’années est d’environ 4 cm/an, soit une divergence de 4 cm/an entre les plaques nord-américaine et eurasiatique.

• Les sédiments les plus profonds des forages océaniques ont le même âge que les basaltes qu’ils recouvrent, et les sédiments deviennent plus épais et plus anciens au contact des basaltes à mesure que l’on s’éloigne de la dorsale.

• Dans l’Atlantique Nord, la croûte océanique la plus ancienne est proche des continents américain et européen et date du Jurassique, vers -175 Ma ; les basaltes sont de plus en plus récents en se rapprochant de la dorsale.

• La vitesse de divergence varie selon les dorsales, d’environ 2 à 3 cm/an pour les plus lentes à 16 cm/an pour les plus rapides.

• Dans le Pacifique, la plaque s’est déplacée vers le nord de -65 Ma à -44 Ma, puis a changé de direction et se déplace vers le nord-ouest à environ 8,5 cm/an, avec Hawaï comme volcan actif de l’alignement.

💡 Astuce mémo

Des bandes magnétiques en peau de zèbre de part et d’autre d’une dorsale

📖 3. Marqueurs des frontières de plaques

★ À maîtriser

• Aux dorsales, le flux thermique supérieur à la moyenne est lié à la remontée de l’asthénosphère et à la présence de magma à l’origine de la croûte océanique.

📌 En zone de subduction, le flux thermique est inférieur à la moyenne à l’aplomb des fosses à cause de la plaque océanique froide plongeante, mais supérieur au niveau de l’arc volcanique en raison du magma présent dans la croûte.

• En zone de subduction, les foyers sismiques s’approfondissent de la fosse vers l’arc volcanique et peuvent atteindre 700 km de profondeur.

📌 Aux dorsales, les gabbros plutoniques à texture grenue se forment en profondeur et les basaltes volcaniques à texture microlitique en surface ; ces roches sombres contiennent entre 45 et 52 % de SiO2.

📌 En zone de subduction, les roches magmatiques plus claires que celles de la croûte océanique sont plus riches en silice, avec SiO2 supérieur à 53 % ; les diorites et granites plutoniques se forment en profondeur, tandis que les andésites et rhyolites volcaniques se forment en surface.

Compléments

• Le flux géothermique moyen à la surface de la Terre est de 87 mW/m² et il est en moyenne plus élevé en domaine océanique qu’en domaine continental.

📌 Aux dorsales et dans les chaînes de montagnes, les séismes restent superficiels jusqu’à 50 km ; ils sont dispersés dans les chaînes de montagnes mais concentrés près de l’axe des dorsales.

• Dans les zones de collision, des magmas peuvent se former dans la croûte continentale et produire principalement des roches claires plutoniques de la famille du granite, souvent à plus de 66 % de silice.

💡 Astuce mémo

La fosse est froide, l’arc volcanique est chaud

📖 4. Magmatisme des dorsales

★ À maîtriser

• Sous une dorsale, la remontée convective des péridotites entraîne leur décompression presque sans échange thermique avec l’environnement ni baisse significative de leur température.

• Le géotherme typique d’une dorsale recoupe le solidus des péridotites entre environ 100 et 20 km de profondeur, permettant leur fusion partielle sous l’axe de la dorsale.

• La fusion partielle sous une dorsale ne concerne pas plus de 20 % de la péridotite, et les éléments Si et Ca passent plus facilement dans le liquide que le fer et le magnésium.

Compléments

• Les dorsales forment un réseau long de 60 000 km, dominent les plaines abyssales et se trouvent en moyenne à 2 500 m de profondeur.

• Les dorsales présentent des séismes peu profonds, des failles normales dues à l’extension, une production annuelle de 21 km³ de roches volcaniques et plutoniques et une activité hydrothermale avec des fumeurs noirs.

• Les gouttelettes de magma issues de la fusion partielle, moins denses que la roche solide, remontent et s’accumulent dans une chambre magmatique située entre 2 et 7 km sous l’axe de la dorsale, où se forment des cristaux.

💡 Astuce mémo

Remontée, décompression, fusion partielle, remontée du magma

📖 5. Formation et diversité des dorsales

🔑 Notions clés & Définitions

• Gabbro : Roche plutonique grenue formée en profondeur, dans laquelle prédominent le pyroxène et le plagioclase.
• Basalte : Roche volcanique microlitique riche en pyroxène et en plagioclase, qui cristallise dans les filons ou en laves en coussins au contact de l’eau de mer.
• Péridotites serpentinisées : des péridotites fortement hydratées et altérées par une circulation hydrothermale importante

★ À maîtriser

📌 Le magmatisme décrit concerne les dorsales rapides, situées aux frontières de plaques dont la vitesse de divergence est d’au moins 9 cm/an ; les dorsales moins actives ont un fonctionnement différent.

• Aux dorsales rapides, une production permanente et abondante de magma crée l’essentiel de la nouvelle surface océanique par accrétion de roches magmatiques.

• Les dorsales rapides, comme la dorsale Est-Pacifique, produisent une croûte océanique épaisse de 5 à 7 km, principalement par magmatisme.

• À la dorsale Atlantique, le bombement est étroit et une vallée axiale ou rift est formée par de nombreuses failles normales et des failles de détachement qui mettent des péridotites à l’affleurement.

• La faible production de magma aux dorsales lentes met en place peu de basaltes et de gabbros, si bien que la croûte océanique est peu épaisse, discontinue ou totalement absente.

• Aux dorsales lentes, l’essentiel de la divergence est assuré par des failles normales et des failles de détachement, tandis que le magmatisme joue un rôle secondaire.

Compléments

• Dans la chambre magmatique, les courants brassent le magma et le contact des parois plus froides que le cœur favorise sa lente cristallisation en profondeur.

• La divergence étire l’axe de la dorsale et provoque des failles normales dans le toit de la chambre magmatique, où le magma s’infiltre en filons verticaux vers la surface.

• Le refroidissement rapide du magma au contact ou à proximité de l’eau de mer froide forme une roche volcanique microlitique constituée d’une pâte minérale et de cristaux, principalement microscopiques.

• Les dorsales rapides présentent un bombement de plusieurs milliers de kilomètres de large et une vallée axiale peu marquée ou absente, caractéristiques associées à un manteau très chaud sous la croûte.

• Aux dorsales rapides, la croûte océanique continue comprend environ 2 km de basaltes en coussins et en filons reposant sur 3 à 5 km de gabbros.

• Sous les dorsales lentes, le manteau est moins chaud que sous les dorsales rapides et les chambres magmatiques peuvent être absentes ou petites et intermittentes.

💡 Astuce mémo

Dorsale rapide : magma abondant ; dorsale moins active : fonctionnement différent

📖 6. Transformations hydrothermales et métamorphiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Métamorphisme : une transformation minérale à l’état solide due à l’hydratation et à des changements de pression et de température

★ À maîtriser

• 🔄 La circulation hydrothermale suit ces étapes :

  1. L’eau froide s’infiltre par les failles.
  2. Elle se réchauffe au contact des roches profondes.
  3. Elle ressort par des cheminées hydrothermales appelées fumeurs noirs.

• Au cours de l’hydrothermalisme, l’eau se charge en éléments métalliques, des molécules d’eau pénètrent dans les cristaux et les roches subissent des transformations chimiques et minéralogiques.

• Sous 700 °C, le pyroxène et le plagioclase réagissent entre eux et avec l’eau pour former de la hornblende.

Compléments

• L’eau des fumeurs noirs ressort à une température comprise entre 300 et 400 °C.

• Sous 500 °C, la hornblende réagit avec d’autres minéraux et de nouveaux minéraux plus hydratés, comme la chlorite et l’actinote, apparaissent.

• Les roches métamorphiques du faciès schistes verts sont :

  • les métabasaltes
  • les métagabbros
  • les métapéridotites

💡 Astuce mémo

Pyroxène et plagioclase → hornblende → chlorite et actinote.

📖 7. Refroidissement et vieillissement océanique

★ À maîtriser

• Quand la température du manteau superficiel passe sous 1 300 °C, la péridotite devient rigide et un manteau lithosphérique se forme.

• Le refroidissement par hydrothermalisme puis par conduction thermique approfondit l’isotherme de 1 300 °C et épaissit le manteau lithosphérique au cours du vieillissement de la lithosphère océanique.

• Après 25 Ma, le manteau lithosphérique dépasse 40 km d’épaisseur, et à 100 Ma son épaisseur dépasse 100 km.

• Le vieillissement augmente la densité de la lithosphère océanique parce que les roches métamorphiques sont plus denses que les roches magmatiques initiales et que le manteau lithosphérique s’épaissit.

Compléments

• Les circulations hydrothermales refroidissent rapidement les roches sur une dizaine de kilomètres d’épaisseur.

• Le manteau lithosphérique a une densité de 3,3, supérieure à celle du manteau asthénosphérique ductile, qui est de 3,25.

• Quand la densité moyenne de la lithosphère océanique dépasse celle du manteau asthénosphérique sur lequel elle repose, le plancher océanique s’abaisse et l’océan devient plus profond en s’éloignant de la dorsale vers les plaines abyssales.

💡 Astuce mémo

Refroidissement → manteau lithosphérique épaissi et lithosphère plus dense.

📖 8. Subduction et magmatisme associé

🔑 Notions clés & Définitions

• Zone de subduction : une frontière de plaques convergentes où une plaque lithosphérique océanique plonge obliquement dans l’asthénosphère sous une plaque chevauchante océanique ou continentale

★ À maîtriser

• Dans une zone de subduction, des séismes dessinent un plan incliné de foyers qui peut atteindre 700 km de profondeur, appelé plan de Wadati-Benioff.

• Les magmas riches en silice des zones de subduction sont visqueux, remontent lentement et dégazent difficilement, ce qui favorise des éruptions explosives souvent accompagnées de nuées ardentes.

• La déshydratation métamorphique de la croûte océanique en subduction libère de l’eau, qui hydrate les péridotites du coin de manteau sous la plaque chevauchante et rend possible leur fusion partielle.

Compléments

• Le relief d’une zone de subduction comprend souvent une fosse océanique du côté de la plaque subduite, puis des îles volcaniques ou une cordillère parallèle à la côte sur la plaque chevauchante.

• La tomographie sismique montre des isothermes qui plongent obliquement sous la fosse, indiquant la lithosphère océanique froide qui s’enfonce dans l’asthénosphère chaude.

• Les roches volcaniques formées en zone de subduction comprennent l’andésite et la rhyolite, tandis que le magma cristallisé en profondeur forme des roches plutoniques de type granitique comme le granite et la diorite.

• La cristallisation fractionnée enrichit le magma en silice pendant sa remontée et son refroidissement, et la contamination par les roches de la croûte environnante contribue aussi à la diversité des roches magmatiques.

💡 Astuce mémo

Déshydratation de la plaque plongeante → hydratation du manteau chevauchant → fusion partielle.

📖 9. Mécanisme de la subduction

★ À maîtriser

• Après environ 15 à 20 Ma, la lithosphère océanique devient plus dense que le manteau asthénosphérique, mais ce déséquilibre ne déclenche pas immédiatement sa plongée.

📌 Des accidents tectoniques liés aux mouvements des plaques sont nécessaires pour déclencher la subduction d’une lithosphère océanique âgée.

• L’augmentation de densité de la plaque en subduction est le principal moteur de la subduction et tracte la lithosphère océanique située en surface jusqu’à l’axe de la dorsale.

Compléments

• La subduction ne commence pas immédiatement sous l’effet de la densité, car les matériaux sont solides, les différences de densité sont faibles et la lithosphère susceptible de sombrer reste solidaire d’un continent moins dense.

• Lors de la subduction, les transformations métamorphiques de la croûte océanique augmentent la densité des métagabbros lors de leur passage du faciès schistes verts au faciès schistes bleus puis au faciès éclogite.

• La plaque plongeante provoque des mouvements descendants de convection mantellique, qui participent à leur tour aux mouvements ascendants sous la dorsale.

📖 10. Collision et épaississement continental

★ À maîtriser

• La fermeture d’un océan par subduction peut conduire à la collision des continents situés de part et d’autre, car la lithosphère continentale, peu dense, ne peut poursuivre la subduction dans les mêmes conditions.

• Lors d’une collision continentale, le raccourcissement des continents est compensé par un épaississement de la croûte.

• Sous les plus hautes chaînes de montagnes, la croûte continentale peut dépasser 100 km d’épaisseur et former une racine crustale.

Compléments

• Près de la surface, la compression lors d’une collision continentale produit généralement des failles inverses, tandis qu’en profondeur la chaleur permet des plis-failles et des plis.

• Les nappes de charriage sont des formations rocheuses décollées de leur contexte originel et déplacées sur des dizaines de kilomètres au-dessus d’autres roches, parfois plus récentes.

• Les failles majeures peuvent empiler des écailles crustales, dont une partie forme les reliefs et une plus grande partie se trouve en profondeur.

• Dans les écailles crustales, le métamorphisme lié à l’augmentation de pression et de température fait apparaître des minéraux souvent orientés par la compression et produit des roches foliées ou schisteuses, comme les micaschistes et les gneiss.

💡 Astuce mémo

Des écailles crustales empilées forment une racine sous la chaîne de montagnes.

📊 Tableaux de synthèse

Roches magmatiques selon le contexte