Fiche de révision : Géodynamique de la lithosphère

📋 Plan du Cours

1. Flux thermique et convection mantellique
2. Géoïde et répartition des masses
3. Anomalies gravimétriques et isostasie
4. Plaques et déplacements lithosphériques
5. Plaques lithosphériques et leurs limites
6. Mesurer et expliquer les mouvements
7. Preuves de l’expansion océanique
8. Dorsales et production de croûte
9. Fusion partielle en subduction
10. Points chauds intraplaques

📖 1. Flux thermique et convection mantellique

★ À maîtriser

• Le flux géothermique est le flux de chaleur à la surface du globe, exprimé en mW/m², et sa valeur moyenne est de 80 mW/m² pour une puissance totale libérée d’environ 46 TW.

• Les dorsales présentent les flux thermiques les plus élevés, parfois supérieurs à 500 mW/m², tandis que les flux les plus faibles se trouvent dans les zones de subduction.

• La désintégration de l’uranium 235U, de l’uranium 238U, du thorium 232Th et du potassium 40K produit environ 20 TW de chaleur, dont 6 TW dans la croûte continentale et 14 TW dans le manteau.

• Le refroidissement progressif du manteau et du noyau fournit respectivement 18 TW et 5 TW, soit 23 TW au total.

📌 La conduction transfère la chaleur sans déplacement macroscopique de matière, tandis que la convection la transfère par mouvement macroscopique de matière.

• Le gradient géothermique conductif atteint 10 à 30 °C/km dans la croûte, tandis que le gradient convectif adiabatique du manteau asthénosphérique ou inférieur est de 0,3 à 0,5 °C/km.

• Les foyers sismiques profonds alignés sur le plan de Wadati-Benioff indiquent qu’une lithosphère cassante plonge en subduction et forme la branche descendante de la convection mantellique.

Compléments

• La cristallisation de la graine libère 2 TW d’énergie latente et 1 TW d’énergie gravitationnelle lorsque les éléments les plus lourds migrent vers le centre de la Terre.

📐 Formule - En une dimension, la loi de Fourier relie le flux thermique à la conductivité et au gradient thermique : $q = k\frac{dT}{dz}$.

• La tomographie sismique interprète généralement les anomalies rapides comme des zones froides et denses, représentées en bleu, et les anomalies lentes comme des zones chaudes, représentées en rouge.

📌 Les points chauds sont l’expression en surface de panaches mantelliques ascendants, tandis que les dorsales évacuent de la chaleur depuis des profondeurs pouvant atteindre environ 200 km.

💡 Astuce mémo

La lithosphère refroidie plonge, tandis que la chaleur du noyau peut alimenter des panaches.

📖 2. Géoïde et répartition des masses

🔑 Notions clés & Définitions

• Géoïde : Surface équipotentielle de pesanteur confondue avec la surface des océans et prolongée sous les continents.
• Ellipsoïde : Forme mathématique de référence qui représente la Terre comme une ellipse en trois dimensions.

★ À maîtriser

📌 Un excès de masse dévie la pesanteur vers lui et forme une bosse du géoïde par rapport à l’ellipsoïde, tandis qu’un déficit de densité y forme un creux.

Compléments

• La Terre a un rayon moyen de 6371 km, un rayon équatorial de 6378 km et un rayon polaire de 6357 km, avec un taux d’aplatissement de 1/297.

• L’altimétrie satellitaire mesure la surface de l’océan et la compare à l’ellipsoïde pour déterminer les variations du géoïde.

• Les ondulations du géoïde sont de l’ordre de ±100 m, alors que les profondeurs océaniques vont de 0 à −11 000 m.

💡 Astuce mémo

Ellipsoïde théorique, géoïde mesuré.

📖 3. Anomalies gravimétriques et isostasie

🔑 Notions clés & Définitions

• Anomalie gravimétrique : Écart entre la gravité mesurée en un point et la gravité théorique calculée pour ce point.

• Isostasie : État d’équilibre gravitaire de la lithosphère sur l’asthénosphère, où les pressions des colonnes de roches sont considérées identiques à la profondeur de compensation.

★ À maîtriser

📌 Une anomalie de Bouguer négative indique un déficit de masse, tandis qu’une anomalie positive indique un excès de masse à la verticale du point de mesure.

📌 Le modèle de Pratt suppose une profondeur de compensation identique et des densités variables entre colonnes, tandis que le modèle d’Airy suppose une densité identique et des épaisseurs de colonnes variables.

Compléments

📌 Le modèle de Vening-Meinesz tient compte de la rigidité de la lithosphère et de la flexion régionale provoquée par une charge, contrairement aux modèles locaux de Pratt et d’Airy.

• Une anomalie isostatique nulle indique une compensation isostatique parfaite, tandis qu’une anomalie non nulle peut signaler une compensation régionale ou un équilibre encore inachevé.

💡 Astuce mémo

Airy épaissit la croûte, Pratt en varie la densité, Vening-Meinesz fléchit la plaque.

📖 4. Plaques et déplacements lithosphériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Plaque lithosphérique : Portion de lithosphère limitée latéralement par des manifestations tectoniques intenses, matérialisées par un alignement de séismes ou de volcans.

📝 Points essentiels

• Les plaques lithosphériques sont délimitées en profondeur par la zone de faible vitesse sismique (LVZ), et leurs mouvements sont entraînés par la convection mantellique liée à la production de chaleur interne.

📖 5. Plaques lithosphériques et leurs limites

★ À maîtriser

• La convection mantellique, alimentée par la production de chaleur interne du globe, est le moteur des mouvements des plaques lithosphériques.

📌 Les limites transformantes sont des failles coulissantes d’échelle lithosphérique entre environnements géodynamiques, tandis que les failles décrochantes sont des coulissages crustaux liés à des contraintes régionales et situés à l’intérieur des plaques.

Compléments

• Au sein d’une plaque lithosphérique, les phénomènes tectoniques sont quasiment absents, à l’exception possible de points chauds comme Hawaï ou la Réunion.

• Les mouvements horizontaux des plaques produisent notamment des rifts, des dorsales et des marges passives ou actives.

💡 Astuce mémo

Aux limites, séismes et volcans ; à l’intérieur, peu de tectonique.

📖 6. Mesurer et expliquer les mouvements

★ À maîtriser

• Le GPS détermine la position en latitude, longitude et altitude de balises au millimètre près et permet de mesurer le sens et la vitesse des déplacements de part et d’autre des limites de plaques.

• Les mesures GPS distinguent trois types de limites de plaques :

  • la convergence, comprenant subduction et collision
  • la divergence, comprenant dorsales et rifts continentaux
  • le coulissage aux failles transformantes

• Le déplacement d’une plaque au-dessus d’un point chaud considéré comme fixe forme un alignement volcanique dont les volcans les plus anciens sont les plus éloignés du point chaud, ce qui permet de reconstituer le sens et la vitesse du déplacement.

• Le matériel lithosphérique froid, plus dense que le manteau environnant, plonge dans la zone de subduction et tire mécaniquement l’ensemble de la plaque rigide : cette traction par plongement du panneau plongeant, ou slab pull, est considérée comme le principal moteur de la tectonique des plaques.

Compléments

• La fixité des points chauds au cours des temps géologiques est de plus en plus contestée, et les modèles cinématiques doivent tenir compte de leur mobilité possible.

📌 La dorsale Pacifique, presque encerclée de subductions actives, est rapide, tandis que la dorsale Atlantique, bordée d’à peine une subduction active, est lente, ce qui illustre le rôle moteur de la subduction plutôt que d’une poussée des dorsales.

💡 Astuce mémo

Une plaque est tirée comme un tapis roulant par son extrémité plongeante.

📖 7. Preuves de l’expansion océanique

★ À maîtriser

• Lors du refroidissement d’une lave basaltique sous le point de Curie des ferromagnésiens, ceux-ci acquièrent le champ magnétique terrestre et peuvent le conserver tant qu’ils ne sont pas réchauffés au-delà de ce point.

• Les relevés magnétiques des fonds océaniques montrent une alternance de bandes parallèles d’anomalies positives, associées à une période magnétique normale, et d’anomalies négatives, associées à une période inverse.

• L’alternance des anomalies magnétiques positives et négatives sur les fonds océaniques témoigne de l’expansion océanique.

Compléments

• Au-dessus de 600°C, le basalte perd toute aimantation, car cette température correspond au point de Curie des ferromagnésiens qu’il contient.

📐 Formule - Pour corriger la distance mesurée sur une projection cartographique selon la latitude, on utilise $d = D \cdot \cos(\text{latitude})$, où $D$ est la distance déterminée sur la carte à l’aide de l’échelle.

💡 Astuce mémo

Le basalte enregistre le champ magnétique, puis les bandes révèlent l’expansion.

📖 8. Dorsales et production de croûte

🔑 Notions clés & Définitions

• Solidus : Courbe sous laquelle un matériau est entièrement solide ; la franchir lors d’une hausse de température marque le début de la fusion.
• Liquidus : Courbe au-dessus de laquelle un matériau est entièrement liquide ; son franchissement lors d’une hausse de température signifie que tout est fondu.

★ À maîtriser

📌 Les dorsales rapides, dont la vitesse d’expansion peut dépasser 10 cm/an, produisent une quantité importante de magma et une croûte océanique continue.

📌 Les dorsales lentes, dont la vitesse d’expansion est inférieure à 4 cm/an, produisent peu de magma et une croûte océanique discontinue, avec un manteau fréquemment affleurant sous les sédiments.

• Au niveau d’une dorsale, la remontée suffisamment rapide de l’asthénosphère se fait sans perte de chaleur, déforme fortement le géotherme et lui fait franchir le solidus des péridotites, ce qui permet la formation de magma.

Compléments

• La fusion partielle de lherzolite au niveau des dorsales atteint environ 20 à 30 %.

💡 Astuce mémo

Dorsale rapide : croûte continue ; dorsale lente : croûte discontinue.

📖 9. Fusion partielle en subduction

★ À maîtriser

📌 Dans une zone de subduction, le gradient géothermique du slab froid est inférieur à 10 °C/km, insuffisant pour provoquer sa fusion partielle lors de l’augmentation de pression et de température.

• En subduction, l’augmentation de pression et de température déshydrate le slab sans le faire fondre ; l’eau libérée hydrate le manteau de la plaque chevauchante, abaisse le solidus des péridotites et permet leur fusion partielle lorsque celui-ci croise le géotherme.

Compléments

• Le géotherme de la plaque chevauchante au niveau des zones de subduction présente un gradient d’environ 30 °C/km.

• Le taux de fusion partielle dans les zones de subduction est de 10 à 15 %.

📌 Sous le Pérou, le slab plonge avec un pendage de 15°, la sismicité est intense, les fosses sont moyennement profondes, un prisme d’accrétion est présent et la plaque chevauchante est en compression.

📌 Sous les îles Mariannes, le slab plonge avec un pendage proche de 90°, la sismicité est moins intense, les fosses sont profondes, aucun prisme d’accrétion n’est présent et la plaque chevauchante est en extension, soulignée par un bassin d’arrière-arc.

💡 Astuce mémo

Déshydratation du slab → hydratation du manteau → fusion partielle.

📖 10. Points chauds intraplaques

★ À maîtriser

• Les points chauds sont associés à un géotherme élevé et à un panache mantellique considéré comme fixe dans le manteau.

Compléments

• La fusion partielle de lherzolite au niveau des points chauds est faible et atteint environ 5 à 10 %.

💡 Astuce mémo

Une plaque défile au-dessus d’un panache et laisse un chapelet de volcans.

📊 Tableaux de synthèse

Modèles de compensation isostatique

Dorsales rapides et lentes