Fiche de révision : Dynamique des enveloppes terrestres

📋 Plan du Cours

1. Mouvements verticaux et isostasie
2. Forces tectoniques et subsidence
3. Plaques et limites lithosphériques
4. Dorsales et expansion océanique
5. Magnétisme et vitesse d’expansion
6. Rotation des plaques et failles transformantes
7. Subduction et signatures géologiques
8. Indices sismiques et tomographiques
9. Origine de la subduction
10. Magmatisme des zones de subduction
11. Types de subduction
12. Collision et failles transformantes
13. Mesure des mouvements des plaques
14. Preuves de la convection mantellique
15. Modèles et dynamique mantellique

📖 1. Mouvements verticaux et isostasie

🔑 Notions clés & Définitions

• Rééquilibrage isostatique : Mouvement vertical de la lithosphère qui tend à rétablir l’équilibre des pressions sur la surface de compensation.

★ À maîtriser

📌 Les mouvements verticaux de la lithosphère comprennent des soulèvements et des affaissements, ces derniers étant appelés subsidence.

• Dans le Massif armoricain, des granites formés à 10 à 15 km de profondeur affleurent après le soulèvement de la région.

• La lithosphère océanique créée aux dorsales s’enfonce d’environ 3 km en 120 millions d’années, passant d’une profondeur proche de 3 km à environ 6 km.

• Dans le bassin de Paris, des sédiments déposés en eaux peu profondes se succèdent tandis que le bassin s’enfonce progressivement jusqu’à environ 3 km au centre.

• La fonte des glaces qui recouvraient notamment le Canada et la Scandinavie réduit la charge exercée sur la lithosphère et provoque son soulèvement isostatique, encore en cours.

• L’érosion d’une chaîne de montagnes réduit la pression sur la surface de compensation et entraîne une remontée isostatique qui peut faire affleurer des granites profonds.

Compléments

• En Scandinavie et au Canada, des mesures GPS montrent des soulèvements actuels de quelques millimètres par an, voire de centimètres dans certains cas.

• Dans l’exercice présenté, l’érosion de 4 000 m d’une montagne entraîne une remontée calculée à 3,5 km ; après les cycles successifs d’érosion et de réajustement, 33 000 m de matériaux ont été retirés lorsque la montagne atteint 0 m.

💡 Astuce mémo

Perte de glace ou érosion → déficit de masse → remontée isostatique

📖 2. Forces tectoniques et subsidence

★ À maîtriser

• Lors du refroidissement de la lithosphère océanique qui s’éloigne d’une dorsale, l’isotherme 1 300 °C s’enfonce, le manteau lithosphérique s’épaissit et plus dense remplace de l’asthénosphère, ce qui alourdit la colonne et provoque sa subsidence thermique.

📌 À une fosse de subduction, une anomalie de l’air libre négative indique un déficit de masse et suggère un soulèvement isostatique, alors que la région observée s’enfonce.

• Dans une subduction avec recul de la plaque plongeante, le slab dense tire mécaniquement les régions qui lui sont liées vers le bas, même si l’isostasie seule suggérerait leur soulèvement.

Compléments

• Dans l’exemple de calcul donné, la création de 162 km de manteau lithosphérique entraîne une subsidence de 5 km.

• Dans la plaine du Pô, la poussée des Apennins sur une portion de croûte liée aux Alpes contribue à l’enfoncement de la région de Venise, ensuite comblée par des sédiments.

💡 Astuce mémo

Des glaçons reliés par un fil s’enfoncent ensemble lorsqu’on en tire un

📖 3. Plaques et limites lithosphériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Limite de plaque : Zone sismique où les plaques se déplacent les unes par rapport aux autres.

★ À maîtriser

• Les mouvements aux limites des plaques sont : la divergence, où les plaques s’écartent, la convergence, où elles se rapprochent, le coulissage, où elles glissent latéralement le long d’une limite transformante

Compléments

• Les limites divergentes correspondent notamment aux dorsales, tandis que les limites convergentes comprennent les zones de subduction et de collision.

• Le magmatisme se rencontre aux limites divergentes et convergentes ; certaines limites convergentes présentent surtout du plutonisme plutôt que du volcanisme représenté sur les cartes.

• Un volcanisme intraplaque peut être associé à des points chauds, notamment près de La Réunion, des îles Kerguelen, du Massif central et de l’Eifel.

💡 Astuce mémo

Divergence : les plaques s’écartent ; convergence : elles se rapprochent

📖 4. Dorsales et expansion océanique

★ À maîtriser

• Aux dorsales, la fusion du manteau produit du magma qui remonte et refroidit pour former du basalte en surface et du gabbro en profondeur ; l’expansion océanique éloigne ensuite ces roches de part et d’autre de la dorsale.

• Les dorsales présentent une divergence des plaques, des failles normales et un flux géothermique élevé ; leur succession de failles normales peut former un fossé d’effondrement ou rift axial.

• À une dorsale, la remontée rapide du manteau entraîne une baisse de pression sans échange thermique important avec l’environnement ; cette décompression adiabatique peut faire franchir le solidus et provoquer la fusion.

Compléments

• Les dorsales sont des chaînes de montagnes sous-marines dont la longueur cumulée est d’environ 60 000 km.

📐 Formule - Le flux géothermique est le produit de la conductivité thermique par le gradient géothermique : $q = \lambda \times \nabla T$.

• Lors de l’océanisation, un rift continental marqué par des failles normales évolue jusqu’à la rupture de la lithosphère continentale, puis du magma forme une croûte océanique entre les continents séparés.

💡 Astuce mémo

Décompression → fusion → basalte et gabbro → expansion du plancher

📖 5. Magnétisme et vitesse d’expansion

★ À maîtriser

• En refroidissant, les minéraux de certains basaltes et gabbros acquièrent une aimantation thermorémanente qui enregistre la direction et l’orientation du champ magnétique terrestre au moment de leur formation.

• La polarité du champ magnétique terrestre s’inverse au cours du temps ; le cours situe une inversion vers 0,7 million d’années et indique qu’à 0,9 million d’années le champ avait l’orientation opposée à l’actuelle.

• La croûte océanique formée à une dorsale enregistre alternativement les périodes de polarité normale et inversée ; les bandes magnétiques obtenues sont disposées de façon symétrique de part et d’autre de la dorsale.

📌 Une anomalie magnétique positive correspond à une aimantation des roches dans le sens du champ actuel, tandis qu’une anomalie négative correspond à une aimantation de sens opposé.

• La comparaison des anomalies magnétiques du plancher océanique avec l’échelle datée des inversions permet de dater les roches et de calculer la vitesse d’expansion à partir de leur distance à la dorsale.

Compléments

• Dans l’exemple du cours, une distance de 150 km parcourue en 3,55 millions d’années conduit à une vitesse d’expansion de 8,4 cm par an en tenant compte de l’éloignement des deux côtés de la dorsale.

💡 Astuce mémo

Anomalie positive : polarité enregistrée normale ; négative : polarité inversée

📖 6. Rotation des plaques et failles transformantes

🔑 Notions clés & Définitions

• Pôle d’Euler : Point où l’axe de rotation d’une plaque, passant par le centre du globe, perce la surface terrestre.

📝 Points essentiels

• Les failles transformantes segmentent les dorsales ; leur orientation indique la direction des vecteurs de vitesse relatifs des plaques.

• Une plaque en rotation autour d’un axe d’Euler possède une vitesse angulaire constante sur la plaque, mais sa vitesse linéaire est plus grande loin du pôle et maximale à l’équateur d’Euler.

📐 Formule - La vitesse linéaire d’un point en rotation est égale au produit de sa vitesse angulaire par sa distance à l’axe : $v = \omega R$.

📖 7. Subduction et signatures géologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Subduction : Enfoncement d’une lithosphère dans l’asthénosphère située sous une autre lithosphère.
• Zone de Wadati-Benioff : Alignement des foyers sismiques le long de la plaque lithosphérique rigide qui plonge en subduction.
• Slab : Panneau lithosphérique qui plonge dans une zone de subduction.

★ À maîtriser

• Les zones de subduction présentent une fosse océanique et une convergence des plaques ; l’exemple donné associe les plaques Nazca et sud-américaine à une convergence de 7,8 cm par an.

Compléments

📌 Les séismes de subduction peuvent être compressifs au contact des plaques, extensifs dans la zone de flexure et extensifs dans la plaque entraînée vers le bas ; une compression peut aussi survenir lorsque la plaque bute contre le manteau inférieur.

• La mesure des profondeurs des foyers sismiques et de leurs distances en surface permet de calculer le pendage du slab, notamment à l’aide de la tangente de l’angle.

• En tomographie sismique, une vitesse supérieure de 5 % à la vitesse théorique attendue d’après le modèle PREM est présentée comme un exemple d’accélération des ondes dans une zone étudiée.

📖 8. Indices sismiques et tomographiques

★ À maîtriser

• La distribution des foyers sismiques au sein d’une plaque froide et rigide matérialise la plaque plongeante et la zone de Wadati-Benioff.

📌 Les séismes d’une zone de subduction peuvent être compressifs au contact des plaques et au niveau du manteau inférieur, mais extensifs dans la zone de flexure et dans la plaque étirée vers le bas.

Compléments

📐 Formule - Le pendage du panneau subduit se calcule à partir de la tangente de l’angle, égale à la distance verticale divisée par la distance horizontale : $\tan(\theta)=\frac{\text{distance verticale}}{\text{distance horizontale}}$.

• En tomographie sismique, une vitesse supérieure de quelques pour cent, par exemple de 5 % à la vitesse théorique du modèle PREM, indique une zone froide qui accélère les ondes et peut matérialiser la lithosphère subduite.

📖 9. Origine de la subduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Lithosphère : La lithosphère océanique refroidit et s’épaissit avec l’âge parce que l’isotherme de 1 300 °C s’enfonce et augmente la proportion de manteau lithosphérique dans la colonne.

★ À maîtriser

• La densité de la lithosphère jeune est d’environ 2,8 à 2,9 et peut tendre vers 3,3, alors que celle de l’asthénosphère est de 3,25.

Compléments

• La croûte océanique a une épaisseur d’environ 5 à 6 km, tandis que la densité moyenne de la colonne lithosphérique augmente avec la proportion croissante de manteau.

• Dans l’exercice du cours, le calcul indique qu’une lithosphère devient plus dense que l’asthénosphère après environ 28 millions d’années.

📌 Une lithosphère océanique dense peut ne pas s’enfoncer immédiatement en raison de sa rigidité et de son attachement à une lithosphère continentale moins dense, mais une rupture peut amorcer la subduction.

💡 Astuce mémo

Refroidissement → épaississement du manteau lithosphérique → densification → enfoncement.

📖 10. Magmatisme des zones de subduction

★ À maîtriser

• Lors de la subduction, les roches métamorphisées de la croûte et du manteau lithosphérique perdent l’eau de leurs minéraux hydratés, notamment les amphiboles, la serpentine et les argiles, ce qui hydrate le coin mantellique.

• L’eau apportée au coin mantellique abaisse le solidus de la péridotite et permet sa fusion à une température où une péridotite sèche ne fondrait pas.

Compléments

• Le magma produit dans le coin mantellique remonte et peut former des roches volcaniques ou plutoniques.

• Les roches plus acides citées sont :

  • les andésites
  • les rhyolites
  • les granites

💡 Astuce mémo

Les minéraux hydratés libèrent H₂O, qui abaisse le solidus et favorise la fusion.

📖 11. Types de subduction

★ À maîtriser

• Les subductions de type chilien associent un faible pendage du slab à une compression de la plaque chevauchante, un fort couplage mécanique, des reliefs importants et de nombreuses failles inverses.

• Les subductions de type marianais associent un fort pendage du slab à son retrait (rollback), à l’extension de la plaque chevauchante et parfois à la formation d’un bassin arrière-arc de croûte océanique.

• La convergence désigne le rapprochement de plaques, tandis que la compression désigne une contrainte qui raccourcit un matériau ; une zone convergente peut donc comporter de l’extension sur la plaque chevauchante.

Compléments

📌 Les subductions chiliennes présentent souvent des prismes d’accrétion et une flexure relativement douce, tandis que les subductions marianaises sont davantage associées à l’érosion tectonique, à l’absence de prisme d’accrétion et à une flexure prononcée.

💡 Astuce mémo

Pendage faible : compression ; pendage fort : rollback et extension.

📖 12. Collision et failles transformantes

🔑 Notions clés & Définitions

• Faille transformante : Une faille transformante est une limite coulissante où deux plaques ont un déplacement relatif parallèle à la faille ; elle peut segmenter une dorsale ou relier d’autres limites, comme la faille de San Andreas entre les plaques Pacifique et nord-américaine.

★ À maîtriser

• Lors d’une collision continentale, la croûte continentale peu dense résiste à la subduction ; elle peut être entraînée en subduction forcée, se fracturer et former des écailles crustales et de grands chevauchements.

• Les chaînes de collision présentent des failles inverses, des chevauchements et des nappes de charriage qui traduisent le raccourcissement crustal.

Compléments

• Les collisions continentales peuvent préserver des fragments de croûte océanique pris dans des sutures ophiolitiques.

• Parmi les structures associées aux chaînes de collision figurent : de grands décrochements, des bassins flexuraux liés à la charge des chevauchements, des bassins associés à l’extension

• L’obduction est un régime de convergence où des fragments de lithosphère océanique chevauchent la lithosphère continentale, comme dans l’ophiolite d’Oman évoquée dans le cours G1.

📖 13. Mesure des mouvements des plaques

★ À maîtriser

📌 La vitesse absolue d’une plaque est mesurée dans un référentiel fixe, ici le référentiel des points chauds, tandis que la vitesse relative décrit son mouvement par rapport à une autre plaque.

• Les anomalies magnétiques et l’âge de la croûte océanique de part et d’autre d’une dorsale permettent de calculer les vitesses d’expansion ; si l’expansion est symétrique, la vitesse relative totale est le double de la vitesse mesurée d’un côté.

• Le GPS détermine la position d’un repère par triangulation à partir des distances aux satellites, calculées avec la vitesse du signal et ses temps d’émission et de réception ; le suivi temporel des positions fournit les vitesses.

• Pour calculer une vitesse GPS, on traite séparément les composantes en latitude et en longitude, puis on calcule la norme du vecteur avec le théorème de Pythagore ; pour une vitesse relative, on soustrait les composantes de même sens et on additionne celles de sens opposés.

Compléments

• Un point chaud fixe peut produire, au fil du déplacement de la plaque sus-jacente, une succession de volcans qui révèle le mouvement absolu de cette plaque.

• La chaîne hawaïenne permet d’estimer un déplacement de plaque de 9 cm par an entre 65 et 44 millions d’années, et son coude a aussi été interprété comme la migration du point chaud plutôt que comme un changement de direction de la plaque.

💡 Astuce mémo

Absolu : référentiel fixe ; relatif : déplacement d’une plaque par rapport à une autre.

📖 14. Preuves de la convection mantellique

★ À maîtriser

• Le nombre de Rayleigh calculé pour le manteau sous-lithosphérique dépasse largement la valeur théorique de 2 000, ce qui indique que la convection y est possible.

• La tomographie sismique révèle des zones chaudes et froides dans le manteau, une hétérogénéité compatible avec la convection plutôt qu’avec une conduction seule latéralement homogène.

Compléments

• Les anomalies du géoïde à grande longueur d’onde indiquent des hétérogénéités de densité dans le manteau, mais leur interprétation précise comme mouvements convectifs reste délicate.

• La tomographie anisotrope exploite les différences de vitesse des ondes selon l’orientation des cristaux d’olivine étirés pour inférer la direction du mouvement mantellique, avec une corrélation parfois imparfaite avec le déplacement des plaques.

📖 15. Modèles et dynamique mantellique

★ À maîtriser

📌 La modélisation analogique reproduit des mouvements à l’aide de matériaux physiques, tandis que la modélisation numérique fait évoluer sur ordinateur des cellules auxquelles sont appliquées des lois physiques.

• La convection du manteau sous-lithosphérique est estimée à environ 1 à 2 cm par an et est liée aux mouvements horizontaux des plaques.

📌 La subduction des plaques froides et denses peut entraîner la convection, tandis que les remontées convectives peuvent aussi contribuer au mouvement des plaques en favorisant l’ouverture des dorsales.

📌 Le régime de convection mantellique reste débattu : il peut être globalement mélangé, compartimenté entre manteau supérieur et inférieur, ou combiner les deux comportements selon les zones.

Compléments

• Dans les modèles de convection décrits, la couche limite superficielle refroidit par conduction puis plonge, tandis que des remontées passives compensent la matière descendue et que le chauffage basal peut produire d’autres remontées.

• Les observations tomographiques montrent des matériaux froids plongeants en subduction, de petites remontées sous les dorsales et des remontées profondes sous certains points chauds comme Hawaï et Tahiti.

• La poussée de la dorsale, ou glissement gravitaire, correspond à la tendance de la lithosphère à glisser sur l’asthénosphère depuis la dorsale sous l’effet de son poids, et constitue un moteur secondaire proposé de la tectonique des plaques.

💡 Astuce mémo

Les plaques froides plongent et entraînent la convection ; les remontées compensent leur descente.

📊 Tableaux de synthèse

Types de subduction

Méthodes de mesure des mouvements