Fiche de révision : Dynamique de la lithosphère

📋 Plan du Cours

1. Plaques et limites lithosphériques
2. Preuves du déplacement des plaques
3. Signatures thermiques des frontières
4. Formation océanique aux dorsales rapides
5. Structure des dorsales lentes
6. Évolution hydrothermale de la lithosphère
7. Transformations métamorphiques de la croûte océanique
8. Refroidissement et évolution lithosphérique
9. Indices géologiques de la subduction
10. Magmas et roches des zones de subduction
11. Déshydratation et fusion en subduction
12. Structures tectoniques de collision
13. Épaississement crustal des chaînes
14. Convection et déplacement des plaques

📖 1. Plaques et limites lithosphériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Lithosphère : Enveloppe externe rigide et cassante de la Terre, constituée de la croûte océanique ou continentale et de la partie supérieure du manteau en péridotite.

★ À maîtriser

📌 La limite entre lithosphère et asthénosphère est une limite thermique correspondant à l’isotherme de 1 300 °C, et non une limite entre deux roches différentes, car les deux enveloppes sont constituées de péridotite.

📌 Les mouvements entre plaques sont la convergence, associée aux zones de subduction et aux chaînes de montagnes, la divergence, associée aux dorsales océaniques, et le coulissage, associé aux failles transformantes.

Compléments

• Les séismes résultent des mouvements des plaques et leur répartition permet de localiser leurs frontières.

💡 Astuce mémo

Lithosphère rigide au-dessus, asthénosphère ductile au-dessous

📖 2. Preuves du déplacement des plaques

🔑 Notions clés & Définitions

• Paléomagnétisme : Aimantation acquise par les minéraux riches en fer du basalte et du gabbro lors de leur refroidissement, dans la direction du champ magnétique terrestre de l’époque, puis conservée dans la roche.
• Sédiments océaniques : Éléments détritiques provenant principalement de l’érosion des continents ou de restes d’êtres vivants, qui s’accumulent en strates successives sur la croûte océanique.

★ À maîtriser

• Les balises GPS réparties à la surface de la Terre permettent, grâce aux satellites, de mesurer en temps réel le sens et la vitesse des déplacements des plaques avec une précision de l’ordre du millimètre.

• En s’éloignant de la dorsale, la couche de sédiments océaniques s’épaissit et les sédiments au contact du basalte sont plus âgés.

• L’âge des fonds océaniques augmente avec l’éloignement de la dorsale, de part et d’autre de celle-ci, ce qui confirme l’expansion et la divergence océaniques.

📌 Une anomalie magnétique positive apparaît lorsque l’aimantation d’un basalte formé en période normale s’ajoute au champ actuel et rend le champ mesuré supérieur à la moyenne, tandis qu’une anomalie négative apparaît lorsque l’aimantation d’un basalte formé en période inverse s’y soustrait et rend le champ mesuré inférieur à la moyenne.

• Les bandes d’anomalies magnétiques positives et négatives alternent et sont symétriques de part et d’autre de l’axe de la dorsale, ce qui indique que la croûte se forme à l’axe puis s’écarte des deux côtés.

• En supposant le point chaud fixe par rapport au manteau profond, le déplacement de la plaque au-dessus forme un alignement de volcans de plus en plus anciens à mesure qu’on s’éloigne du volcan actif, ce qui permet d’estimer le sens et la vitesse absolue du déplacement de la plaque.

Compléments

📐 Formule - La vitesse d’expansion se calcule par $v = \frac{d}{t}$, où d est la distance à l’axe et t l’âge de la bande considérée.

• Une bande située à 100 km de l’axe et datée de 5 Ma correspond à une vitesse d’expansion de 2 cm/an.

• Un point chaud provient de la remontée de roches du manteau solide anormalement chaud, issues d’une source profonde, qui entrent en fusion partielle près de la surface lorsque la pression devient faible.

• Midway, âgée de 27 Ma et située à environ 2 400 km du volcan actif d’Hawaï, indique que la plaque Pacifique s’est déplacée à environ 9 cm/an.

• Les données géologiques des sédiments, du paléomagnétisme et des points chauds sont cohérentes avec les mesures GPS et confirment les modèles de mouvements des plaques, comme NUVEL1.

📖 3. Signatures thermiques des frontières

★ À maîtriser

• Le flux géothermique surfacique est maximal au niveau des dorsales, où la libération d’énergie est la plus importante.

• Dans les zones de convergence avec subduction, le flux géothermique est minimal à l’aplomb de la fosse et plus élevé dans les arcs volcaniques qui la bordent souvent.

Compléments

• Le globe libère en surface, par conduction, de l’énergie d’origine interne, et le flux géothermique est plus important dans les océans que dans les continents.

💡 Astuce mémo

Dorsale chaude, fosse froide, arc plus chaud

📖 4. Formation océanique aux dorsales rapides

🔑 Notions clés & Définitions

• Fusion par décompression : Fusion partielle d’une péridotite qui remonte et franchit son solidus parce que la pression diminue, sans réchauffement notable.
• Solidus : Courbe qui indique, pour chaque pression, la température à laquelle une roche commence à fondre.
• Liquidus : Courbe qui indique la température à laquelle une roche est totalement fondue.
• Accrétion océanique : Formation de nouvelles croûtes océaniques par les roches magmatiques qui se mettent en place au niveau des dorsales au fur et à mesure que les plaques s’écartent.

★ À maîtriser

• Les dorsales rapides présentent un bombement du plancher océanique et correspondent à une expansion supérieure à 10 cm/an.

• La lithosphère océanique des océans rapides comprend une croûte de 6 à 8 km d’épaisseur, constituée de basaltes surmontant des gabbros, reposant sur un manteau lithosphérique de péridotite.

• Dans le manteau, le liquidus n’est jamais atteint et la fusion de la péridotite reste partielle, sans dépasser 20 %.

• Sous les dorsales, le manteau chaud remonte par convection sans échanger assez de chaleur avec les roches voisines pour changer notablement de température, tandis que sa pression diminue et que la péridotite franchit son solidus.

📌 Le refroidissement lent du magma en profondeur produit des gabbros plutoniques à texture grenue, tandis que son refroidissement rapide en surface produit des basaltes volcaniques à texture microlitique.

Compléments

• La présence de basaltes en surface et de chambres magmatiques en profondeur indique une activité magmatique sous les dorsales rapides.

• Sous les dorsales, le géotherme recoupe le solidus de la péridotite entre environ 100 km et 20 km de profondeur, alors que sous une plaine abyssale il reste du côté solide du solidus.

• Les minéraux les plus fusibles de la péridotite fondent pour former un magma de composition différente de celle de la péridotite, tandis que les autres minéraux restent solides, puis les gouttelettes de magma remontent et s’accumulent dans des chambres magmatiques.

💡 Astuce mémo

Remontée → décompression → fusion partielle

📖 5. Structure des dorsales lentes

★ À maîtriser

• Les dorsales lentes correspondent à une expansion de 1 à 5 cm/an et présentent un rift axial effondré, bordé de blocs limités par des failles normales, ainsi qu’une faible activité magmatique.

• La divergence des plaques et l’activité magmatique discontinue produisent une croûte océanique souvent moins épaisse que celle des océans rapides, composée de basalte et de gabbro en proportions très variables.

Compléments

• Lorsque le basalte et le gabbro sont absents au niveau d’une dorsale lente, les péridotites du manteau entrent directement en contact avec l’eau de mer et se serpentinisent.

📖 6. Évolution hydrothermale de la lithosphère

🔑 Notions clés & Définitions

• Métamorphisme : Transformation d’une roche à l’état solide, sans passage par un magma, sous l’effet d’un changement de température, de pression ou de la circulation de fluides.
• Métamorphisme hydrothermal : Transformation minéralogique causée par la circulation d’eau de mer chaude, dans des conditions de basse pression et de basse température.
• Minéraux hydroxylés : Minéraux dont la formule chimique contient de l’eau sous forme de groupements -OH et qui se forment lorsque les minéraux des roches réagissent au contact de l’eau de mer.

★ À maîtriser

• Dès leur formation à la dorsale, la croûte océanique et les roches du manteau superficiel sont traversées par l’eau de mer infiltrée dans les failles, qui se réchauffe au contact des roches profondes puis remonte et est expulsée par des cheminées hydrothermales appelées fumeurs noirs.

Compléments

• Lors du métamorphisme, la composition chimique globale de la roche change peu, mais ses minéraux sont transformés.

• La stabilité de chaque minéral dépend des conditions de pression et de température, et chaque minéral ne reste stable que dans un domaine défini de ces conditions.

💡 Astuce mémo

Infiltration, réchauffement, remontée, transformation

📖 7. Transformations métamorphiques de la croûte océanique

★ À maîtriser

• En s’éloignant de la dorsale, le gabbro se transforme successivement en métagabbro à hornblende, puis en schiste vert à chlorite et actinote.

Compléments

📌 Le gabbro R1 contient du plagioclase et du pyroxène, tandis que le métagabbro R2 présente des minéraux transformés, notamment la chlorite.

• Les péridotites du manteau océanique se transforment en péridotites serpentinisées au contact de l’eau de mer.

💡 Astuce mémo

Gabbro → métagabbro à hornblende → schiste vert

📖 8. Refroidissement et évolution lithosphérique

★ À maîtriser

• En s’éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit, l’isotherme 1 300 °C s’abaisse, le manteau lithosphérique s’épaissit et la densité moyenne de la lithosphère augmente.

📌 Lorsque la lithosphère océanique devient plus dense que l’asthénosphère, elle est en déséquilibre gravitaire et peut plonger, ce qui rend possible la subduction.

Compléments

• Le manteau lithosphérique, constitué de péridotites de densité approximative 3,3, est plus dense que la croûte océanique basaltique et gabbroïque, de densité approximative 2,9.

• L’enfoncement progressif du plancher océanique accompagne le vieillissement et la densification de la lithosphère océanique.

💡 Astuce mémo

Refroidissement → épaississement → densification → enfoncement

📖 9. Indices géologiques de la subduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Plan de Wadati-Benioff : Plan incliné selon lequel se distribuent les foyers sismiques dans une zone de subduction.

★ À maîtriser

• Les marqueurs de surface des zones de subduction comprennent une fosse océanique liée à la flexion de la plaque plongeante et des alignements de volcans explosifs.

• Les marqueurs sismiques et thermiques s’expliquent par le plongement d’une lithosphère océanique froide, rigide et cassante dans l’asthénosphère ductile.

Compléments

• La tomographie sismique révèle sous la fosse une zone anormalement froide, où les isothermes plongent obliquement.

📖 10. Magmas et roches des zones de subduction

★ À maîtriser

• Dans les zones de subduction, un magma riche en silice est visqueux, remonte lentement et retient les gaz, essentiellement de la vapeur d’eau, ce qui provoque des explosions volcaniques.

📌 L’andésite et la diorite ont la même composition chimique, tout comme la rhyolite et le granite.

Compléments

• L’andésite et la rhyolite sont des roches volcaniques à texture microlitique formées lorsque le magma atteint la surface.

• La majeure partie du magma cristallise en profondeur et forme des roches plutoniques grenues, notamment le granite et la diorite.

• Les amphiboles et les micas contiennent des groupements hydroxyles (-OH), qui révèlent l’hydratation du magma.

💡 Astuce mémo

En surface, volcanique microlitique ; en profondeur, plutonique grenue

📖 11. Déshydratation et fusion en subduction

★ À maîtriser

• Lors de la subduction, l’augmentation de pression et le faible réchauffement déstabilisent les minéraux hydroxylés de la croûte océanique, qui libèrent leur eau au cours de transformations métamorphiques.

• La péridotite hydratée recoupe le géotherme de subduction, ce qui entraîne sa fusion partielle et la formation de magma à l’origine du volcanisme explosif.

Compléments

• Le passage du schiste vert au schiste bleu produit du glaucophane et de l’eau à partir de plagioclase, de chlorite et d’actinote.

• Le passage du schiste bleu à l’éclogite produit du grenat, de l’omphacite et de l’eau à partir de plagioclase et de glaucophane.

• Le grenat et l’omphacite de l’éclogite ne sont pas des minéraux hydroxylés, et leur formation accompagne la déshydratation de la croûte océanique.

• L’eau libérée par la croûte océanique hydrate la péridotite de la plaque chevauchante vers 80 km de profondeur.

💡 Astuce mémo

Déshydratation de la plaque → hydratation du manteau → fusion partielle

📖 12. Structures tectoniques de collision

🔑 Notions clés & Définitions

• Faille inverse : Cassure où le compartiment supérieur remonte par-dessus l’autre, rapprochant les blocs et provoquant un raccourcissement horizontal ainsi qu’un épaississement vertical.
• Pli : Déformation souple des roches.
• Chevauchement : Faille inverse de grande dimension qui amène un ensemble de terrains au-dessus d’un autre.
• Nappe de charriage : Ensemble de terrains déplacés le long de chevauchements sur plusieurs kilomètres à plusieurs dizaines de kilomètres et reposant sur des terrains sans lien d’origine avec eux.

📝 Points essentiels

• La disparition complète d’une lithosphère océanique par subduction peut conduire à la collision de deux plaques continentales de densité identique et à la formation de chaînes de montagnes, comme les Pyrénées, les Alpes et l’Himalaya.

• Les structures caractéristiques du raccourcissement horizontal sont :

  • Les plis
  • Les failles inverses
  • Les chevauchements
  • Les nappes de charriage

📖 13. Épaississement crustal des chaînes

🔑 Notions clés & Définitions

• Racine crustale : Épaississement de la croûte sous une chaîne de montagnes, marqué par l’enfoncement du Moho.

★ À maîtriser

• Le Moho se situe vers 30 km de profondeur sous une croûte continentale normale, vers 45 à 50 km sous les Pyrénées et jusqu’à 70 km sous l’Himalaya.

• La convergence provoque un raccourcissement horizontal qui déforme les roches et épaissit verticalement la croûte continentale.

Compléments

• Les profils ECORS des Alpes et des Pyrénées révèlent un empilement de fragments de croûte appelés écailles crustales, limités par des chevauchements.

📖 14. Convection et déplacement des plaques

🔑 Notions clés & Définitions

• Convection : Phénomène où le transport de matière est couplé au transport d’énergie.

★ À maîtriser

• La traction du panneau plongeant, due au poids de la lithosphère océanique froide et dense, est le moteur principal du déplacement des plaques.

📌 La traction du panneau plongeant provoque l’écartement des plaques aux dorsales, tandis que le manteau y remonte passivement et forme une nouvelle lithosphère océanique.

Compléments

• En vieillissant, la lithosphère océanique refroidit, s’épaissit et devient plus dense que l’asthénosphère, ce qui permet son enfoncement dans le manteau.

• Dans la convection mantellique, la lithosphère océanique refroidie constitue la branche descendante, tandis que les remontées de manteau chaud sous les dorsales et les points chauds constituent les mouvements ascendants.

💡 Astuce mémo

La traction du panneau moteur les plaques ; la dorsale en est la conséquence