Fiche de révision : Dynamique et évolution de la lithosphère

📋 Plan du Cours

1. Structure du globe terrestre
2. Composition des croûtes
3. Discontinuités sismiques
4. Mobilité horizontale des plaques
5. Dorsales et fosses de subduction
6. Preuves de la mobilité lithosphérique
7. Dynamique des dorsales
8. Formation du magma
9. Évolution de la lithosphère océanique

📖 1. Structure du globe terrestre

🔑 Notions clés & Définitions

• Distribution bimodale des altitudes : La Terre présente deux groupes distincts d'altitudes, avec une croûte continentale située à une altitude moyenne de +840 m, et une croûte océanique à une altitude moyenne de -3800 m.

• Croûte continentale (CC) : Couche de roche située sous les continents, caractérisée par une altitude moyenne de +840 m. Sa roche principale est le granite, une roche grenue riche en silice, avec une densité faible d'environ 2,7.

• Croûte océanique (CO) : Couche de roche située sous les océans, avec une altitude moyenne de -3800 m. Ses roches principales sont le basalte en surface (microlitique) et le gabbro en profondeur (grenue). La densité de la croûte océanique est plus élevée, environ 2,9.

• Discontinuités sismiques : Interfaces où la vitesse des ondes sismiques change brutalement, permettant de délimiter différentes couches internes du globe.

• Moho : Limite entre la croûte et le manteau, située à une profondeur variable (environ 7 km sous les océans, 30 km sous les continents). Elle est définie par un changement brutal de vitesse des ondes sismiques.

📝 Points essentiels

• La distribution bimodale des altitudes traduit une différence de composition et de densité entre la croûte continentale et la croûte océanique.

• La croûte continentale est principalement composée de granite, plus légère, tandis que la croûte océanique est composée de basalte et gabbro, plus denses.

• La limite entre la croûte et le manteau, appelée Moho, est identifiée par une discontinuité sismique, dont la profondeur varie selon la localisation (plus peu profonde sous les océans).

• La sismologie révèle également d’autres discontinuités importantes, comme la limite manteau/noyau (Gutenberg) et la limite noyau externe/graine (Lehmann).

💡 À retenir

La Terre possède une structure bimodale avec une croûte continentale légère et épaisse, et une croûte océanique plus dense et plus fine, séparées par des discontinuités sismiques dont le Moho marque la frontière entre la croûte et le manteau.

📖 2. Composition des croûtes

🔑 Notions clés & Définitions

• Mobilité horizontale des plaques : Mouvement de la lithosphère rigide en surface, permettant la divergence ou convergence des plaques, associé à la formation ou la destruction de la croûte (voir section 4).
• Dorsales : Zones de divergence où la lithosphère s'écarte, caractérisées par un flux géothermique fort, la production de basalte et gabbro, et la remontée de péridotite dans l'asthénosphère (voir section 7).
• Fosses de subduction : Zones de convergence où une plaque océanique plonge sous une autre, avec un flux thermique faible, des séismes selon le plan de Wadati-Benioff, et un volcanisme explosif (voir section 5).
• Preuves de la mobilité : Indices attestant du déplacement des plaques, notamment :
  • Données sédimentaires : L'âge des sédiments augmente symétriquement en s'éloignant de la dorsale.
  • Points chauds : Alignements volcaniques fixes par rapport à une source de magma, témoignant du déplacement de la plaque.
  • GPS : Mesures précises du déplacement en temps réel, de quelques cm/an.
  • Paléomagnétisme : Anomalies magnétiques symétriques par rapport à la dorsale, indiquant un déplacement passé des plaques.

📝 Points essentiels

• La croûte continentale est principalement composée de granite, avec une altitude moyenne de +840 m, tandis que la croûte océanique est formée de basaltes en surface et de gabbros en profondeur, avec une altitude moyenne de -3800 m.
• La discontinuité de Moho marque la limite entre la croûte et le manteau, située à environ 7 km sous l’océan et 30 km sous le continent.
• La sismologie révèle des discontinuités majeures : Moho, limite manteau/noyau externe (Gutenberg, 2900 km), limite noyau externe/graine (Lehmann, 5150 km), et la LVZ, zone de ralentissement des ondes entre 100 km de surface, séparant la lithosphère de l’asthénosphère.
• La mobilité horizontale est attestée par diverses preuves : la symétrie des sédiments, la présence de points chauds, et les mesures GPS, confirmant le déplacement des plaques.

💡 À retenir

La croûte terrestre, divisée en continentale et océanique, est en mouvement constant, comme en témoignent la sédimentation, le magmatisme, et les mesures modernes, illustrant la dynamique de la lithosphère.

📖 3. Discontinuités sismiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Formation du magma : Processus par lequel la péridotite de l'asthénosphère remonte sous la dorsale, entraînant une décompression adiabatique qui provoque la fusion partielle de la péridotite (voir section 7). La fusion partielle génère du magma basaltique ou gabbroïque selon le refroidissement rapide ou lent (voir section 8).

• Fusion partielle de la péridotite : Mécanisme où la décompression adiabatique lors de la remontée de la péridotite sous la dorsale entraîne une fusion partielle, produisant du magma. La péridotite résiduelle devient une péridotite appauvrie du manteau lithosphérique (voir section 7).

• Différence entre dorsales rapides et lentes : Les dorsales rapides (ex : Pacifique) présentent une forte activité magmatique, avec une production importante de basalte et gabbro, tandis que les dorsales lentes (ex : Atlantique) ont une activité magmatique plus faible, laissant souvent affleurer directement la péridotite serpentinisée par l’eau de mer (voir section 7).

📝 Points essentiels

• La fusion partielle de la péridotite est induite par la remontée de cette dernière sous la dorsale, où la décompression adiabatique abaisse l'isotherme de fusion, permettant la génération de magma.
• La formation du magma se traduit par la production de roches volcaniques en surface (basalte, pillow lavas) ou en profondeur (gabbro).
• La différence entre dorsales rapides et lentes réside dans leur activité magmatique : les premières ont une forte production de magma, tandis que les secondes peuvent laisser affleurer la péridotite serpentinisée par l’eau de mer.

💡 À retenir

La fusion partielle de la péridotite lors de la formation du magma est essentielle à la dynamique des dorsales, avec une activité magmatique plus intense dans les dorsales rapides que dans les lentes.

📖 4. Mobilité horizontale des plaques

🔑 Notions clés & Définitions

Vieillissement de la lithosphère océanique : Processus par lequel la lithosphère océanique se refroidit, s'hydrate et se métamorphose en s'éloignant de la dorsale, entraînant une augmentation de sa densité et une évolution vers sa disparition par subduction (voir section 4).

Métamorphisme hydrothermal : Transformation de la lithosphère océanique en réponse à l'hydratation et au passage d'eau de mer chaud lors de son éloignement de la dorsale, conduisant à la formation de métagabbro (faciès Schistes Verts à chlorite/actinote) et de serpentine à partir de la péridotite (voir section 4).

Disparition de la lithosphère océanique par subduction : Phénomène où la lithosphère océanique refroidie, dense et épaissie, dépasse la densité de l'asthénosphère, ce qui entraîne son plongement dans le manteau supérieur, accompagné de déshydratation, fusion partielle et volcanisme explosif (voir section 4).

📝 Points essentiels

• La lithosphère océanique se refroidit et s'hydrate en s'éloignant de la dorsale, ce qui entraîne un métamorphisme hydrothermal : gabbro → métagabbro, péridotite → serpentine.
• La densité de la lithosphère augmente avec l'âge, ce qui favorise sa disparition par subduction lorsque sa densité dépasse celle de l'asthénosphère (> 3,25).
• La subduction s'accompagne d'un déshydratation de la plaque plongeante, libérant de l'eau qui abaisse le point de fusion du manteau supérieur, provoquant un magmatisme de subduction.
• La preuve de cette évolution inclut la formation de volcans explosifs, la présence d'ophiolites, et la métamorphose progressive du matériel lithosphérique.
• La dynamique de la subduction est liée à l'épaississement de la lithosphère et à la déshydratation, qui favorisent la fusion partielle et la production de magmas andésitiques.

💡 À retenir

L'évolution de la lithosphère océanique, de sa formation à sa disparition par subduction, résulte d'un processus de refroidissement, d'hydratation et de métamorphisme hydrothermal, aboutissant à son plongement dans le manteau lorsque sa densité devient trop élevée.

📖 5. Dorsales et fosses de subduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Discontinuités sismiques : Interfaces où la vitesse des ondes sismiques change brutalement, révélant des différences de composition ou d’état physique entre deux couches terrestres. (Source : apport de la sismologie)
• Limite manteau/noyau externe : Limite à environ 2900 km de profondeur où les ondes S disparaissent, indiquant la passage d’un manteau solide à un noyau liquide. (Gutenberg, 2900 km)
• Limite noyau externe/graine : Limite à environ 5150 km de profondeur, où les ondes P se réfractent, indiquant la transition d’un noyau externe liquide à une graine solide. (Lehmann, 5150 km)

📝 Points essentiels

• La discontinuité sismique est un marqueur fondamental pour délimiter les différentes couches internes de la Terre.
• La limite manteau/noyau externe est caractérisée par la disparition des ondes S, preuve du passage d’une matière solide à liquide.
• La limite noyau externe/graine est identifiée par la réfraction des ondes P, indiquant la transition d’un noyau liquide à une graine solide.
• Ces discontinuités sont essentielles pour comprendre la structure interne du globe terrestre et la dynamique des zones de divergence et convergence.

💡 À retenir

Les discontinuités sismiques, notamment celles du manteau/noyau externe et du noyau externe/graine, révèlent la stratification profonde de la Terre, essentielle pour comprendre sa dynamique interne.

📖 6. Preuves de la mobilité lithosphérique

🔑 Notions clés & Définitions

• Flux thermique en dorsale : La remontée de la péridotite de l'asthénosphère sous la dorsale entraîne une décompression adiabatique, favorisant la fusion partielle et la production de magma. Ce processus est associé à un flux thermique élevé, visible par la présence de séismes superficiels et par la production de roches magmatiques comme le basalte et le gabbro.

• Séismes superficiels : Séismes dont l’épicentre se situe en surface ou à faible profondeur (environ 0 à 70 km). Ils sont caractéristiques des zones de divergence comme les dorsales, où la remontée de magma et la fracturation de la lithosphère provoquent des secousses proches de la surface.

• Séismes profonds : Séismes localisés à grande profondeur (au-delà de 300 km), principalement observés dans les zones de convergence, notamment en zone de subduction. Ils résultent du plongement de la plaque lithosphérique dans le manteau, où la déformation se concentre à différentes profondeurs selon la plan de Wadati-Benioff.

• Volcanisme explosif en zone de subduction : Volcanisme associé à la subduction de la plaque océanique sous une plaque continentale ou océanique. La déshydratation de la plaque plongeante libère de l’eau, abaissant le point de fusion du manteau supérieur et provoquant une fusion partielle. Cela génère un magma riche en silice, qui donne lieu à un volcanisme explosif, notamment avec des roches comme l’andésite et la rhyolite.

📝 Points essentiels

• La remontée de la péridotite sous la dorsale provoque une fusion partielle par décompression adiabatique, produisant du magma qui cristallise en surface en basalte ou gabbro, témoignant de la dynamique de divergence.

• La présence de séismes superficiels en dorsale indique la fracturation de la lithosphère lors de la formation de nouvelle croûte océanique.

• La disparition des séismes profonds en zone de subduction** est liée à la plongée de la plaque lithosphérique dans le manteau, où la déformation se concentre à différentes profondeurs, formant le plan de Wadati-Benioff.

• Le volcanisme explosif en zone de subduction est causé par la fusion partielle de la péridotite déshydratée, générant des magmas riches en silice, responsables des éruptions violentes.

💡 À retenir

Les flux thermiques élevés en dorsale, combinés aux séismes superficiels, attestent de la remontée de magma et de la formation de nouvelle croûte océanique, tandis que les séismes profonds et le volcanisme explosif en zone de subduction illustrent la plongée et la déshydratation de la plaque lithosphérique dans le manteau.

📖 7. Dynamique des dorsales

🔑 Notions clés & Définitions

• Dorsale (dynamique des zones de divergence) : Zone de séparation entre deux plaques lithosphériques où se produit une divergence, caractérisée par un flux géothermique fort, des séismes superficiels, et la production de roches volcaniques comme le basalte et le gabbro. La formation du magma y est liée à la remontée de la péridotite de l'asthénosphère, entraînant une fusion partielle par décompression adiabatique.

• Remontée de la péridotite : Mouvements ascendants de la roche mantellique composée de péridotite, sous la dorsale, provoqués par la divergence des plaques. Cette remontée entraîne une décompression adiabatique, favorisant la fusion partielle de la péridotite.

• Fusion adiabatique : Processus de fusion de la péridotite lors de sa remontée sous la dorsale, dû à la décompression sans échange de chaleur avec l'extérieur. Elle permet la génération du magma qui forme le basalte et le gabbro en surface ou en profondeur.

📝 Points essentiels

• La dorsale est une zone de divergence où la lithosphère se fragmente et s'écarte, laissant remonter la péridotite de l'asthénosphère.
• La fusion partielle de la péridotite résulte d'une décompression adiabatique lors de la remontée, ce qui génère du magma.
• La différence entre dorsales rapides (ex : Pacifique) et lentes (ex : Atlantique) réside dans leur activité magmatique et leur mode de refroidissement du magma.
• La formation du magma se traduit par la cristallisation rapide en surface (basalte) ou plus lente en profondeur (gabbro).
• La vie de la lithosphère océanique s'achève par son refroidissement, son métamorphisme hydrothermal, puis sa subduction.

💡 À retenir

La dynamique des dorsales repose sur la remontée de la péridotite de l'asthénosphère, dont la fusion adiabatique lors de la divergence des plaques génère le magma, façonnant la croûte océanique.

📖 8. Formation du magma

🔑 Notions clés & Définitions

• Données sédimentaires : Informations provenant de l'étude des sédiments accumulés au contact des roches en bordure ou au sein des zones de divergence, permettant de dater l'âge des sédiments et de suivre l'évolution de la croûte océanique (ex : augmentation de l'âge des sédiments en s'éloignant de la dorsale).

• Points chauds : Alignements volcaniques (ex : Hawaii) indiquant le déplacement d'une plaque au-dessus d'une source de magma fixe, permettant de repérer la mobilité des plaques lithosphériques.

• Mesures GPS : Techniques de suivi en temps réel des vitesses de déplacement des plaques lithosphériques, exprimées en centimètres par an, fournissant des données précises sur la dynamique de la mobilité horizontale.

📝 Points essentiels

• Les données sédimentaires montrent que l'âge des sédiments au contact du basalte augmente symétriquement en s’éloignant de la dorsale, témoignant de la divergence des plaques et de la création de nouvelle croûte océanique.

• Les points chauds sont des marqueurs de la mobilité des plaques, illustrant leur déplacement au-dessus d'une source de magma fixe, ce qui est confirmé par leur alignement et leur âge croissant en direction du mouvement.

• Les mesures GPS permettent de quantifier en temps réel la vitesse de déplacement des plaques, généralement de quelques centimètres par an, confirmant la théorie de la mobilité horizontale.

💡 À retenir

Les données sédimentaires, points chauds et mesures GPS constituent des preuves essentielles de la mobilité des plaques lithosphériques, illustrant la dynamique de divergence et la formation du magma en zone de dorsale.

📖 9. Évolution de la lithosphère océanique

🔑 Notions clés & Définitions

• Discontinuités sismiques : Zones où la vitesse des ondes sismiques change brusquement, indiquant une variation de composition ou d'état physique dans le globe terrestre. Elles permettent de délimiter différentes couches ou zones internes, comme la limite croûte/manteau ou la limite noyau/manteau. (Source : apport de la sismologie)

• Limite croûte/manteau (Moho) : Discontinuité située à la surface du manteau, séparant la croûte de la partie supérieure du manteau. La profondeur du Moho varie : environ 7 km sous les océans, environ 30 km sous les continents. Elle est caractérisée par une augmentation significative de la vitesse des ondes sismiques. (Source : apport de la sismologie)

• Moho : La limite entre la croûte et le manteau, définie par une discontinuité sismique. Elle marque la transition entre ces deux couches, avec une augmentation de la vitesse des ondes P et S. La profondeur du Moho est variable selon la localisation (≈7 km sous l’océan, ≈30 km sous les continents). (Source : apport de la sismologie)

📝 Points essentiels

• La Terre présente une distribution bimodale des altitudes, avec une croûte continentale plus épaisse et moins dense, et une croûte océanique plus fine et plus dense.
• La limite croûte/manteau (Moho) est définie par une discontinuité sismique, dont la profondeur varie selon la localisation (environ 7 km sous les océans, 30 km sous les continents).
• La discontinuité sismique du Moho est détectée par une augmentation brusque de la vitesse des ondes P et S, permettant de délimiter la croûte du manteau.
• La compréhension de cette discontinuité est essentielle pour étudier l’évolution de la lithosphère océanique, notamment lors de son vieillissement et de sa subduction.

💡 À retenir

La discontinuité sismique du Moho est la frontière essentielle qui sépare la croûte du manteau, dont la profondeur varie selon le contexte géologique, et elle est détectée par une variation brusque des vitesses des ondes sismiques.

📊 Tableaux de Synthèse

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confondre la composition de la croûte continentale (granite) avec celle de la croûte océanique (basalte, gabbro).
2. Assimiler à tort la discontinuité de Moho à une simple différence de profondeur sans considérer la variation selon la localisation.
3. Confondre la fusion partielle de la péridotite avec la fusion totale du manteau.
4. Penser que la lithosphère océanique ne se métamorphose pas lors de son éloignement de la dorsale.
5. Confondre dorsales rapides et lentes en termes d’activité magmatique.
6. Croire que la subduction est uniquement liée à la densité sans prendre en compte le rôle de l’hydratation.
7. Omettre la différence entre la lithosphère et l’asthénosphère dans la dynamique de mobilité horizontale.

✅ Checklist Examen

1. Connaître la définition de la distribution bimodale des altitudes et ses implications pour la composition de la croûte terrestre.
2. Savoir distinguer la composition, la densité et l’altitude moyenne de la croûte continentale et océanique.
3. Identifier la limite entre la croûte et le manteau (Moho) et ses caractéristiques sismiques.
4. Expliquer la formation du magma par fusion partielle de la péridotite lors de la remontée sous la dorsale.
5. Définir la différence entre dorsales rapides et lentes, en lien avec leur activité magmatique.
6. Comprendre le processus de métamorphisme hydrothermal de la lithosphère océanique.
7. Connaître les preuves de la mobilité horizontale des plaques : sédiments, points chauds, GPS, paléomagnétisme.
8. Maîtriser la notion de vieillissement de la lithosphère océanique et ses conséquences.
9. Expliquer le rôle de la déshydratation dans la processus de subduction.
10. Identifier les discontinuités majeures : Moho, Gutenberg, Lehmann.
11. Connaître la différence entre la fusion partielle et la fusion totale du manteau.
12. Maîtriser la composition et la formation des roches en surface et en profondeur lors de la formation du magma.