Fiche de révision : Dynamique des enveloppes terrestres

📋 Plan du Cours

1. Mouvements verticaux et isostasie
2. Forces tectoniques et subsidence
3. Plaques et frontières lithosphériques
4. Expansion des dorsales océaniques
5. Enregistrement magnétique et expansion
6. Rotation des plaques et failles transformantes
7. Subduction et signatures géologiques
8. Séismes et signatures de la subduction
9. Moteurs et magmatisme de subduction
10. Collision et limites transformantes
11. Mesurer les mouvements des plaques
12. Indices de la convection mantellique
13. Modéliser la convection du manteau
14. Dynamique et organisation de la convection

📖 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 lorsqu’un déséquilibre apparaît entre la lithosphère et l’asthénosphère.

★ À maîtriser

• En Scandinavie et au Canada, des mesures GPS enregistrent actuellement des mouvements verticaux ascendants de quelques millimètres par an, voire de quelques centimètres par an.

• Les granites formés à 10 à 15 km de profondeur lors d’une orogenèse peuvent affleurer ensuite, ce qui témoigne d’un soulèvement de la région.

• La lithosphère océanique créée aux dorsales s’enfonce avec le temps : une portion située initialement vers 3 km de profondeur atteint environ 6 km après 120 millions d’années, soit une subsidence d’environ 3 km.

• Dans le bassin de Paris, des sédiments déposés en eaux peu profondes se sont accumulés au fur et à mesure de l’enfoncement du bassin, jusqu’à une subsidence d’environ 3 km en son centre.

• La fonte des glaces qui recouvraient le Canada et la Scandinavie réduit la masse exercée sur la lithosphère et provoque son soulèvement isostatique, qui se poursuit tant que l’équilibre n’est pas rétabli.

• L’érosion d’une chaîne de montagnes réduit la pression exercée sur la surface de compensation et provoque un réajustement isostatique ascendant qui peut faire affleurer des granites profonds.

Compléments

• En Scandinavie, des terrains émergés entre 1978 et 2006 témoignent d’un soulèvement, car le niveau marin n’a pas baissé pendant cette période et a même légèrement augmenté.

• Dans l’exercice présenté, après l’érosion de 4 000 m d’une montagne et le rééquilibrage isostatique, le calcul donne une racine crustale de 29 km et un soulèvement de 3,5 km.

• Dans le modèle d’érosion présenté, transformer une montagne de 4 000 m en relief de 0 m nécessite au total l’érosion de 33 000 m de matériau, en tenant compte des réajustements successifs.

💡 Astuce mémo

Perte de masse → remontée ; gain de masse → enfoncement

📖 2. Forces tectoniques et subsidence

🔑 Notions clés & Définitions

• Rollback : Recul progressif d’une plaque qui s’enfonce dans une zone de subduction.

★ À maîtriser

• En s’éloignant d’une dorsale, la lithosphère océanique refroidit, l’isotherme 1 300 °C s’enfonce, le manteau lithosphérique se forme aux dépens de l’asthénosphère et la colonne devient plus dense, ce qui entraîne sa subsidence thermique.

• Une anomalie de Bouguer à l’air libre négative indique un déficit de masse par rapport à l’équilibre isostatique et devrait donc correspondre à une remontée, même si certaines régions observées s’enfoncent.

Compléments

• L’étalement tardif post-orogénique constitue une autre cause de remontée des roches en montagne : la chaîne s’effondre sous l’effet de la gravité et des roches profondes peuvent atteindre la surface.

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

• Dans la plaine du Pô, la pression exercée par les Apennins sur une portion de croûte associée aux Alpes contribue à l’enfoncement de la zone de Venise, malgré une anomalie négative.

💡 Astuce mémo

L’isostasie prédit une remontée, mais les forces tectoniques peuvent imposer l’enfoncement

📖 3. Plaques et frontières lithosphériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Plaque lithosphérique : Portion de lithosphère dont les limites sont définies par des zones sismiques, où se concentrent les séismes et où les plaques se déplacent les unes par rapport aux autres.

★ À maîtriser

• Les mouvements aux limites des plaques sont de trois types :
  • divergence
  • convergence
  • coulissage le long d’une faille transformante

Compléments

• Les zones de divergence et de convergence présentent du magmatisme, mais certaines zones de convergence sont surtout marquées par le plutonisme plutôt que par un volcanisme représenté en surface.

• Les exemples de régions associées à des points chauds cités sont :

  • près de La Réunion
  • les îles Kerguelen
  • le Massif central
  • l’Eifel

📖 4. Expansion des dorsales océaniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Faille normale : Fracture liée à l’extension dans laquelle le déplacement des blocs accompagne l’allongement de la croûte.

★ À maîtriser

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

Compléments

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

• Une succession de failles normales peut former un fossé d’effondrement, ou rift, à l’axe d’une dorsale.

• Le flux géothermique est élevé aux dorsales parce que le gradient géothermique y est fort : l’isotherme 1 300 °C se situe à environ 6 km, contre environ 100 km pour une lithosphère classique.

• 🔄 L’océanisation se déroule selon les étapes suivantes :

  1. Le rifting continental crée des failles normales et un rift.
  2. La lithosphère continentale se rompt.
  3. La fusion produit une croûte océanique qui sépare les continents.

💡 Astuce mémo

Décompression → fusion → magma → basaltes et gabbros

📖 5. Enregistrement magnétique et expansion

🔑 Notions clés & Définitions

• Magnétisation thermorémanente : Aimantation acquise par des minéraux lors du refroidissement du magma, qui enregistre la direction et l’orientation du champ magnétique terrestre.

★ À maîtriser

• Aux dorsales, la remontée rapide du manteau diminue la pression sans échange thermique important avec l’environnement ; cette décompression adiabatique fait franchir le solidus et provoque la fusion partielle.

• Le champ magnétique terrestre inverse sa polarité au cours du temps ; le cours cite une inversion survenue il y a environ 0,7 million d’années.

• Les basaltes formés de part et d’autre d’une dorsale enregistrent la polarité du champ magnétique au moment de leur refroidissement et s’éloignent ensuite symétriquement avec l’expansion océanique.

📌 Une anomalie magnétique positive apparaît lorsque l’aimantation rémanente des basaltes renforce le champ actuel, tandis qu’une anomalie négative apparaît lorsqu’elle lui est opposée.

Compléments

• En associant les anomalies magnétiques aux âges connus des inversions, le cours situe un repère à 150 km de la dorsale à 3,55 millions d’années et donne une vitesse d’expansion de 8,4 cm par an, en tenant compte de l’écartement des deux côtés.

💡 Astuce mémo

Anomalie positive : polarité actuelle ; anomalie négative : polarité inversée

📖 6. Rotation des plaques et failles transformantes

🔑 Notions clés & Définitions

• Axe d’Euler : Axe de rotation d’une plaque par rapport à une autre ; il passe par le centre du globe et coupe sa surface au pôle d’Euler.

★ À maîtriser

• La direction des failles transformantes indique la direction des vecteurs de vitesse du mouvement relatif des plaques.

📌 Pour une plaque en rotation, la vitesse angulaire est constante sur la plaque, mais la vitesse linéaire augmente avec la distance à l’axe de rotation.

📐 Formule - La vitesse linéaire d’un point en rotation vérifie $v=\omega R$, où $\omega$ est la vitesse angulaire et $R$ la distance à l’axe de rotation.

Compléments

• Dans l’exemple numérique du cours, une rotation à 0,2 radian par seconde donne une vitesse linéaire de 2 m/s à un rayon de 10 cm et de 4 m/s à un rayon de 20 cm.

📖 7. Subduction et signatures géologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Subduction : Enfoncement d’une lithosphère dans l’asthénosphère située sous une autre lithosphère.
• Slab : Panneau lithosphérique qui plonge dans une zone de subduction.

★ À maîtriser

• Les principales signatures d’une zone de subduction sont : une fosse océanique, la convergence des plaques, une zone de Wadati-Benioff où s’alignent les foyers sismiques de la plaque plongeante

Compléments

• Dans l’exemple de la plaque Nazca et de la plaque sud-américaine, la convergence est de 7,8 cm par an.

📌 Les séismes d’une plaque en subduction peuvent traduire la compression au contact des plaques, l’extension liée à la flexure de la plaque et l’extension provoquée par sa traction vers le bas ; une compression peut aussi se produire lorsque la plaque rencontre le manteau inférieur.

• La pente du slab peut être estimée à partir de la profondeur des foyers sismiques et de leur distance en surface en calculant la tangente de l’angle, égale au côté opposé divisé par le côté adjacent.

• En tomographie sismique, une vitesse supérieure de quelques pour cent, par exemple de 5 %, à la vitesse théorique du modèle PREM indique une accélération des ondes dans la zone étudiée.

📖 8. Séismes et signatures de la subduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Prisme d’accrétion : Accumulation de sédiments détachés de la plaque océanique dans une zone de fort frottement mécanique.

★ À maîtriser

• La zone de Wadati-Benioff correspond à la distribution des foyers sismiques dans la plaque froide et rigide qui plonge et permet d’estimer son pendage.

📌 Dans une zone de subduction, la compression se produit au contact des plaques et lorsque la plaque plongeante bute sur le manteau inférieur, tandis que l’extension apparaît à la surface de la flexure et dans la plaque entraînée vers le bas.

📌 La subduction d’une lithosphère océanique sous une lithosphère continentale forme souvent une cordillère avec volcanisme et plutonisme, tandis que la subduction océanique sous une autre lithosphère océanique forme souvent un arc insulaire volcanique avec plutonisme.

Compléments

• La tomographie sismique révèle la lithosphère froide en subduction par des vitesses sismiques accélérées, par exemple de 5 % par rapport à la vitesse théorique du modèle PREM.

💡 Astuce mémo

Compression au contact, extension dans la flexure

📖 9. Moteurs et magmatisme de subduction

★ À maîtriser

• Le refroidissement de la lithosphère océanique approfondit l’isotherme 1300 °C, épaissit le manteau lithosphérique et augmente la densité de la colonne, qui passe d’environ 2,8–2,9 à près de 3,3.

• La lithosphère océanique devient plus dense que l’asthénosphère lorsque sa densité dépasse 3,25.

• La déshydratation des basaltes et péridotites métamorphisés libère de l’eau dans le coin mantellique, abaisse le solidus des péridotites et permet leur fusion puis la remontée du magma.

📌 Les zones de subduction de type chilien associent un slab à faible pendage, une compression de la plaque supérieure, un fort couplage mécanique et souvent des prismes d’accrétion, tandis que les zones de type Mariana associent un slab à fort pendage, un retrait de la plaque, une extension et souvent une érosion tectonique sans prisme d’accrétion.

Compléments

• Dans l’exercice présenté en cours, la lithosphère devient plus dense que l’asthénosphère vers 28 millions d’années, mais sa rigidité, l’inertie et des « flotteurs » continentaux peuvent retarder la subduction.

• Lors de la subduction, le basalte peut évoluer en schiste vert, puis en schiste bleu et en éclogite, dont la densité plus élevée favorise l’enfoncement de la croûte.

• À 160 km de profondeur et à 1000 °C, une péridotite sèche ne fond pas, tandis qu’une péridotite hydratée fond.

💡 Astuce mémo

Refroidissement → densification → plongée

📖 10. Collision et limites transformantes

🔑 Notions clés & Définitions

• Faille transformante : Limite où deux plaques coulissent l’une par rapport à l’autre, comme la faille de San Andreas entre les plaques Pacifique et nord-américaine.
• Obduction : Chevauchement de portions de lithosphère océanique sur la lithosphère continentale dans une zone de convergence, comme pour l’ophiolite d’Oman.

★ À maîtriser

• Lors d’une collision continentale, la croûte continentale, trop peu dense pour s’enfoncer durablement, peut subir une subduction forcée, se fracturer et produire des écailles crustales et de grands chevauchements, comme dans l’Himalaya.

• Les chaînes de collision présentent des failles inverses et des chevauchements qui superposent des portions de croûte et raccourcissent la chaîne.

Compléments

• La compression d’une chaîne peut créer des bassins flexuraux, notamment la plaine du Pô et le bassin molassique suisse entre le Jura et les Alpes externes.

• La poussée de la plaque indienne provoque de grands décrochements latéraux et l’expulsion de matériel de part et d’autre de l’Himalaya.

💡 Astuce mémo

Collision : raccourcissement ; faille transformante : coulissement

📖 11. Mesurer les mouvements des plaques

★ À maîtriser

📌 La quantification des mouvements des plaques distingue les mouvements actuels des mouvements à l’échelle géologique, ainsi que les mouvements absolus des mouvements relatifs.

• Le référentiel utilisé pour mesurer le mouvement absolu des plaques est le référentiel des points chauds, considérés comme fixes par rapport aux plaques qui se déplacent au-dessus d’eux.

• Les anomalies magnétiques et l’âge de la croûte océanique de part et d’autre d’une dorsale permettent de calculer la vitesse relative d’expansion, en tenant compte de la symétrie ou de l’asymétrie de l’expansion.

• Le GPS détermine la position tridimensionnelle d’une balise par triangulation à partir des distances calculées entre la balise et plusieurs satellites.

• Pour calculer une vitesse relative avec le GPS, on compare séparément les composantes de latitude et de longitude des deux balises, puis on combine les composantes obtenues avec le théorème de Pythagore.

Compléments

• La chaîne volcanique d’Hawaï permet d’estimer le déplacement absolu de la plaque Pacifique à partir de l’âge et de la position des édifices formés au-dessus du point chaud.

📖 12. Indices de la convection mantellique

★ À maîtriser

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

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

Compléments

• Les anomalies de géoïde à grande longueur d’onde indiquent des hétérogénéités de densité dans le manteau, mais leur interprétation en termes de convection reste délicate.

• La tomographie anisotrope mesure les vitesses sismiques selon différentes directions : leur différence révèle l’orientation des cristaux d’olivine étirés, qui renseigne sur la direction du mouvement mantellique.

📖 13. Modéliser la convection du manteau

★ À maîtriser

📌 La modélisation analogique reproduit les mouvements avec des objets physiques, tandis que la modélisation numérique simule sur ordinateur l’évolution de pixels auxquels sont attribuées des lois physiques.

• Dans les modèles numériques décrits, la couche limite froide en surface s’enfonce et constitue un moteur actif de la convection, tandis que des remontées chaudes peuvent remplacer passivement le matériau qui a plongé.

Compléments

• Dans un modèle analogique simple du manteau, on chauffe le matériau par-dessous, on le refroidit par-dessus et on observe ses mouvements, par exemple avec la shadowgraphie.

• Les modèles analogiques simplifiés ne reproduisent pas nécessairement les rapports de viscosité, de longueur ou de chauffage du manteau réel.

• Les modèles numériques peuvent représenter des couches limites dominées par la conduction et un intérieur où la température moyenne est relativement homogène.

• Les observations tomographiques montrent des plaques froides plongeant aux zones de subduction et des remontées chaudes profondes sous certains points chauds, tandis que les remontées sous les dorsales ont souvent des racines moins profondes.

💡 Astuce mémo

Modèle analogique : objets physiques ; modèle numérique : pixels calculés

📖 14. Dynamique et organisation de la convection

★ À maîtriser

• Les vitesses de convection du manteau sont estimées à environ 1 à 2 cm par an.

📌 La convection mantellique et les mouvements des plaques sont liés : la plongée des plaques alimente la convection, tandis que la convection peut entraîner l’ouverture passive des dorsales.

• La traction des plaques plongeantes est présentée comme le moteur principal de la tectonique des plaques, et la poussée de dorsale ou glissement gravitaire comme un moteur secondaire proposé dans certains documents.

• Le modèle actuel présenté combine un découplage entre manteaux supérieur et inférieur dans certaines zones et un mélange dans d’autres, notamment lorsque des plaques subduites s’accumulent à la base du manteau ou que des points chauds traversent tout le manteau.

Compléments

📌 Les observations de plaques subduites qui s’arrêtent à la limite entre manteau supérieur et manteau inférieur, la franchissent ou ne s’y arrêtent pas soutiennent des scénarios différents de mélange entre les deux manteaux.

• Si le manteau supérieur et le manteau inférieur convectent séparément, une couche limite conductrice entre eux entraîne une rupture de pente du géotherme.

💡 Astuce mémo

Plaques plongeantes → convection ; convection → ouvertures passives aux dorsales

📊 Tableaux de synthèse

Types de subduction