Fiche de révision : Les dorsales océaniques et leur dynamique

📋 Plan du Cours

1. Dorsales océaniques
2. Failles normales
3. Signatures géothermiques
4. Indices sédimentaires
5. Indices paléomagnétiques
6. Fusion péridotites
7. Activité magmatique
8. Métamorphisme hydrothermal
9. Évolution lithosphère
10. Densification lithosphère

📖 1. Dorsales océaniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Dorsales océaniques : frontières de plaques divergentes situées sous l’océan, caractérisées par un relief sous-marin élevé, entre 1 et 2 km d’altitude, formant une chaîne de reliefs sous-marins. Selon Walter (date), elles constituent les principales zones de création de nouvelle croûte océanique.

• Reliefs sous-marins caractéristiques : reliefs formant les dorsales, avec une altitude de 1 à 2 km par rapport à la plaine abyssale, résultant de l’activité magmatique et de la remontée de l’asthénosphère. Ces reliefs sont souvent associés à une activité sismique et volcanique superficielle.

• Activité sismique et magmatique superficielle : phénomène observé à l’axe des dorsales, où se produisent des séismes peu profonds et une activité magmatique intense, témoignant de la fusion partielle des péridotites de l’asthénosphère lors de la formation de la croûte océanique.

• Flux géothermique élevé : quantité de chaleur émise par unité de surface, notablement plus importante au niveau des dorsales en divergence, en raison de la remontée de l’asthénosphère, qui arrive à proximité de la surface (environ 30-40 km), comme indiqué par Walter (date).

• Remontée de l’asthénosphère : processus de convection mantellique qui entraîne la remontée de matériaux chauds sous l’axe des dorsales, favorisant la fusion partielle des péridotites et la formation de magma basaltique, contribuant à la création de nouvelle lithosphère.

📝 Points essentiels

• Les dorsales océaniques sont des frontières de plaques divergentes, où la lithosphère se fragmente en blocs qui s’éloignent l’un de l’autre, créant une nouvelle croûte océanique par fusion partielle de l’asthénosphère lors de la remontée mantellique.

• La morphologie de ces dorsales est marquée par un relief sous-marin de 1 à 2 km d’altitude, avec une chaîne de reliefs caractéristiques formée par l’activité magmatique et tectonique.

• La signature géothermique est forte, avec un flux élevé dû à la remontée de l’asthénosphère, ce qui explique la présence de zones de faibles profondeurs océaniques (environ 2000 mètres).

• La sismicité et l’activité volcanique à l’axe des dorsales indiquent des processus de fusion et de magmatisme superficiel, liés à la décompression adiabatique des péridotites.

• La formation de nouvelle croûte océanique est attestée par des indices sédimentaires et paléomagnétiques, permettant de calculer la vitesse d’expansion océanique, qui varie selon les dorsales.

💡 À retenir

Les dorsales océaniques, en tant que frontières de plaques divergentes, se caractérisent par un relief sous-marin élevé, une activité sismique et magmatique superficielle, et un flux géothermique intense, témoignant de la remontée de l’asthénosphère et de la création continue de nouvelle croûte océanique.

📖 2. Failles normales

🔑 Notions clés & Définitions

• Failles normales : Figures tectoniques caractérisées par un mouvement de décrochement vertical où le bloc supérieur (côté hanging wall) s'abaisse par rapport au bloc inférieur (côté footwall), typiques des zones en extension (voir aussi "Reliefs et failles normales").
• Mécanisme d'extension lithosphérique : Processus provoqué par la divergence des plaques, entraînant la fragmentation de la lithosphère en blocs qui se déplacent et glissent le long de failles normales (voir aussi "Signatures sismique, géothermique et structure lithosphérique").
• Rôle des failles normales dans la tectonique des plaques divergentes : Elles permettent la déformation de la lithosphère lors de l'extension, facilitant la formation de reliefs sous-marins, la création de croûte océanique et la mise en place de zones de divergence.

📝 Points essentiels

• Les failles normales apparaissent principalement dans les zones en extension telles que les dorsales océaniques, où la lithosphère se fragmente sous l'effet du mouvement divergent des plaques (voir "Reliefs et failles normales").
• Leur formation résulte du mécanisme d'extension lithosphérique, qui provoque la rupture et le glissement des blocs rocheux, permettant à la croûte de s'amincir et de se déployer.
• Ces failles sont souvent associées à des reliefs sous-marins peu accentués, situés à l'axe des dorsales, où la lithosphère se déchire pour laisser place à la formation de nouvelle croûte océanique.
• La présence de failles normales explique également la sismicité peu profonde et l'activité tectonique caractéristique des zones divergentes.
• Leur rôle est essentiel dans la dynamique de la tectonique des plaques divergentes, car elles participent à la déformation de la lithosphère lors de l'extension, en permettant la séparation des blocs et la formation de nouveaux espaces pour la remontée de magma.

💡 À retenir

Les failles normales sont des structures tectoniques clés dans les zones en extension, facilitant la fragmentation et le glissement des blocs lithosphériques, et jouent un rôle central dans la formation et l'évolution des dorsales océaniques.

📖 3. Signatures géothermiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Flux géothermique élevé (voir section 2) : Quantité de chaleur interne du globe émise par unité de surface, particulièrement important au niveau des zones en divergence, dû à la remontée de l’asthénosphère (voir section 1).
• Remontée de l'isotherme 1300°C (voir section 1) : Proximité de cette limite de température à la surface (30-40 km) dans les zones divergentes, résultant de la remontée du manteau asthénosphérique.
• Activité sismique peu intense et peu profonde (voir section 1) : Séismes faibles et situés à faible profondeur dans les zones divergentes, témoignant de processus de formation de magma à faible profondeur.
• Activité magmatique et volcanique à l'axe des dorsales (voir section 1) : Formation de magma basaltique et volcans actifs au centre des dorsales et fossés d’effondrement, liés à la fusion partielle des péridotites (voir section 1).
• Géomorphologie des dorsales lentes et rapides (voir section 1) : Forme de l’axe (bombé ou creusé) en fonction de l’intensité du magmatisme, influençant la signature géothermique.
• Métamorphisme hydrothermal (voir section 1) : Transformations minéralogiques dues à l’infiltration d’eau de mer dans la lithosphère, augmentant la densité et modifiant la composition des roches en s’éloignant de l’axe.

📝 Points essentiels

• Le flux géothermique est particulièrement élevé au niveau des zones en divergence, en raison de la remontée de l’asthénosphère qui arrive proche de la surface (30-40 km contre 100-150 km ailleurs).
• La remontée de l’isotherme 1300°C indique une proximité de la limite de température critique, favorisant la fusion partielle des péridotites (voir section 1).
• L’activité sismique dans ces zones est peu intense et peu profonde, témoignant de processus magmatiques à faible profondeur, notamment la formation de magma basaltique.
• La présence d’activité magmatique et volcanique à l’axe des dorsales et dans certains fossés d’effondrement intracontinentaux constitue une signature géothermique majeure, liée à la mise en place de la croûte océanique (voir section 1).
• La signature géothermique, combinée à la morphologie des dorsales lentes ou rapides, permet d’évaluer l’intensité du magmatisme et le processus de formation de la lithosphère océanique.

💡 À retenir

Les zones en divergence se caractérisent par un flux géothermique élevé, une remontée proche de l’isotherme 1300°C, une activité sismique peu profonde et une activité magmatique intense à l’axe des dorsales, témoignant de la formation et de l’évolution de la lithosphère océanique.

📖 4. Indices sédimentaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Épaisseur croissante des nappes sédimentaires avec l'éloignement de l'axe de la dorsale : Plus on s’éloigne de l’axe de la dorsale, plus la couche de sédiments déposés sur la lithosphère océanique devient épaisse, témoignant du temps écoulé depuis la formation de la croûte.
• Symétrie des dépôts sédimentaires de part et d’autre de la dorsale : Les couches de sédiments sont disposées de manière symétrique de chaque côté de l’axe de la dorsale, indiquant une formation simultanée et un éloignement progressif des roches de la dorsale.
• Utilisation de l’âge des sédiments pour calculer la vitesse d’expansion océanique : En mesurant l’âge des sédiments au contact des basaltes et leur distance à la dorsale, on peut déterminer la vitesse à laquelle les plaques s’éloignent, selon la formule de WALTER (2023) : "L’âge des sédiments au contact de la croûte indique le temps écoulé depuis leur dépôt, permettant de calculer la vitesse de divergence."
• Relation entre âge des basaltes et âge des sédiments au contact : L’âge des basaltes formés à l’axe de la dorsale correspond à celui des sédiments déposés au contact, car ces sédiments se déposent lors de la formation de la croûte océanique, puis s’épaississent et s’éloignent avec le temps.

📝 Points essentiels

Les indices sédimentaires jouent un rôle crucial dans la compréhension de l’expansion océanique. La couche de sédiments s’épaissit avec l’éloignement de l’axe de la dorsale, ce qui traduit le temps écoulé depuis la formation de la croûte. La symétrie des dépôts de part et d’autre de la dorsale confirme que la formation de la croûte s’est faite simultanément et que les plaques se sont éloignées à une vitesse constante. En utilisant l’âge des basaltes et la distance qui les sépare de la dorsale, il est possible de calculer la vitesse d’expansion océanique, comme illustré dans l’exemple de l’Atlantique Sud (96 Ma à 1680 km) ou de l’Atlantique Nord (3 Ma à 30 km). Ces méthodes, s’appuyant sur les données sédimentaires et paléomagnétiques, ont permis de confirmer la relation entre âge des basaltes et âge des sédiments, validant ainsi la théorie de l’expansion océanique. La relation entre âge des basaltes et âge des sédiments au contact est essentielle pour établir la chronologie de la formation de la croûte océanique et pour calculer la vitesse de divergence des plaques.

💡 À retenir

Les indices sédimentaires, notamment l’épaisseur et la symétrie des dépôts, combinés à l’âge des basaltes, permettent de déterminer la vitesse d’expansion océanique et de confirmer la formation simultanée de la croûte à l’axe des dorsales.

📖 5. Indices paléomagnétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Enregistrement du champ magnétique terrestre dans les basaltes lors de leur formation : Capacité des minéraux ferromagnétiques, comme la magnétite, présents dans les basaltes, à conserver la direction et l'intensité du champ magnétique terrestre au moment de leur solidification, permettant de reconstituer l'histoire du champ magnétique (voir PERROUX, date non précisée).

• Inversions du champ magnétique terrestre au cours du temps : Phénomène où les pôles magnétiques Nord et Sud s'inversent, modifiant la polarité du champ magnétique terrestre, enregistré dans les roches ferromagnétiques lors de leur formation (voir PERROUX).

• Anomalies magnétiques positives et négatives liées à l'orientation du champ magnétique ancien : Variations locales de l'intensité du champ magnétique enregistrées dans les basaltes, où une anomalie positive indique une orientation similaire à l'actuelle, et une anomalie négative une inversion de polarité (voir PERROUX).

• Distribution symétrique des anomalies magnétiques autour de l’axe des dorsales : Répartition régulière et symétrique des bandes d'anomalies magnétiques positives et négatives de part et d'autre de la dorsale, témoignant de l'expansion océanique (voir PERROUX).

• Calcul de la vitesse d’expansion océanique à partir des anomalies magnétiques : Méthode utilisant la distance entre l'axe de la dorsale et les zones d'anomalies magnétiques datées, ainsi que leur âge, pour déterminer la vitesse de divergence des plaques, en combinant données sédimentaires et paléomagnétiques (voir PERROUX).

📖 6. Fusion péridotites

🔑 Notions clés & Définitions

• Solidus : limite de pression et température au-delà de laquelle la péridotite commence à fondre partiellement, selon mesures en laboratoire (source). Elle marque le début de la fusion partielle sans que la roche soit totalement fondue.
• Liquidus : limite de pression et température au-delà de laquelle la péridotite est totalement fondue, mais ces conditions ne sont jamais atteintes dans la nature (source). Elle indique la fin de la fusion totale.
• Fusion partielle par décompression adiabatique : processus où la péridotite remonte dans le manteau asthénosphérique, subit une diminution de pression sans perte de chaleur, ce qui dépasse le solidus et provoque une fusion partielle (source).
• Conditions de fusion sous les dorsales : la fusion partielle se produit lorsque la péridotite atteint le solidus, généralement lors de la remontée adiabatique du manteau asthénosphérique, sous des pressions et températures favorables (source).
• Gradient géothermique plus fort sous les dorsales : la température augmente plus rapidement avec la profondeur sous les dorsales que dans les plaines abyssales, favorisant la fusion partielle lors de la remontée du manteau (source).

📝 Points essentiels

• La fusion partielle des péridotites est déclenchée par la décompression adiabatique lors de leur remontée dans le manteau asthénosphérique, où la diminution de pression dépasse le solidus sans perte de chaleur (source).
• Les conditions de pression et température pour la fusion partielle sont définies par le solidus (début de fusion) et le liquidus (fusion totale), qui ne sont jamais atteints dans la nature pour la péridotite (source).
• La remontée du manteau lors de la processus de divergence des dorsales entraîne un gradient géothermique plus élevé, augmentant la probabilité de fusion partielle dans cette zone (source).
• La fusion partielle génère du magma basaltique qui cristallise pour former la croûte océanique, processus essentiel à la création de lithosphère nouvelle (source).

💡 À retenir

La fusion partielle des péridotites, déclenchée par la décompression adiabatique sous les dorsales, est essentielle à la formation de la nouvelle lithosphère océanique, grâce à un gradient géothermique plus élevé dans ces zones.

📖 7. Activité magmatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Vitesse d'expansion océanique : vitesse à laquelle la lithosphère océanique s’éloigne de l’axe d’une dorsale, généralement exprimée en cm/an. Elle est calculée à partir des indices sédimentaires ou paléomagnétiques (voir section II).
• Intensité de l’activité magmatique : degré de production de magma sous une dorsale, influençant la géomorphologie et la vitesse d’expansion. Elle dépend du taux de fusion partielle, limité à environ 25% pour les dorsales rapides, selon AUTEUR (date).
• Caractéristiques géomorphologiques des dorsales lentes : axe creusé, pentes fortes et irrégulières, activité magmatique faible et irrégulière, croûte océanique discontinue, relief rugueux (voir section III).
• Caractéristiques géomorphologiques des dorsales rapides : axe bombé, pentes faibles et régulières, activité magmatique intense et continue, croûte océanique continue, relief lisse, relief en dôme (voir section III).
• Fusion partielle par décompression adiabatique : processus par lequel la remontée de péridotites dans le manteau asthénosphérique, en diminuant la pression sans perte de chaleur, provoque leur fusion partielle, permettant la formation de magma basaltique (voir section III).

📝 Points essentiels

• La vitesse d’expansion océanique est directement liée à l’activité magmatique : une activité intense entraîne une dorsale rapide, tandis qu’une activité faible correspond à une dorsale lente. La limite est d’environ 25% pour le taux de fusion partielle, ce qui ne dépasse pas cette valeur pour les dorsales rapides (AUTEUR, date).
• La géomorphologie des dorsales est fortement influencée par cette activité : les dorsales rapides présentent un axe bombé, des pentes faibles, et une activité magmatique continue, alors que les dorsales lentes ont un axe creusé, des pentes fortes, et une activité magmatique faible et irrégulière (AUTEUR, date).
• La fusion partielle par décompression adiabatique, liée à la remontée des péridotites dans le manteau, est le processus principal de génération du magma basaltique à l’origine de la croûte océanique (AUTEUR, date).
• La relation entre géomorphologie et activité magmatique permet d’identifier si une dorsale est lente ou rapide, ce qui influence la vitesse d’expansion océanique mesurée par les indices sédimentaires ou paléomagnétiques.

💡 À retenir

La vitesse d’expansion océanique est proportionnelle à l’intensité de l’activité magmatique, déterminant la morphologie des dorsales : axes bombés et relief lisse pour les dorsales rapides, axes creusés et relief rugueux pour les dorsales lentes.

📖 8. Métamorphisme hydrothermal

🔑 Notions clés & Définitions

• Métamorphisme hydrothermal : Transformation minéralogique à l’état solide des roches, provoquée par l’infiltration d’eau de mer dans la lithosphère océanique, lors du refroidissement et de l’hydratation, selon Walter (date non précisée).
• Transformations minéralogiques à l’état solide : Changements dans la composition minéralogique des roches sans passage par l’état liquide, dus au refroidissement et à l’hydratation, comme dans le cas du gabbro qui devient métagabbro.
• Formation de minéraux hydratés : Création de nouveaux minéraux contenant de l’eau dans leur structure (hornblende, chlorite, actinote) à partir de minéraux non hydratés (pyroxènes, feldspaths), lors du métamorphisme hydrothermal.
• Rôle dans l’évolution minéralogique : Le métamorphisme hydrothermal modifie la minéralogie des roches océaniques, contribuant à leur densification et à leur évolution chimique, notamment par la formation de minéraux plus denses.

📝 Points essentiels

• Le métamorphisme hydrothermal intervient lors du refroidissement progressif des roches de la lithosphère océanique, en particulier à l’éloignement de l’axe des dorsales, où l’eau de mer s’infiltre dans les anfractuosités.
• Les réactions chimiques entre minéraux initiaux (pyroxènes, feldspaths) et l’eau de mer entraînent la formation de minéraux hydratés (hornblende, chlorite, actinote), transformant la roche initiale en métaroche (ex : gabbro en métagabbro).
• Ce processus se produit à des températures et pressions spécifiques, généralement au-delà du point de Curie pour certains minéraux ferromagnétiques, permettant leur enregistrement du champ magnétique passé.
• La densité de la lithosphère océanique augmente avec l’âge, en partie à cause du métamorphisme hydrothermal, qui favorise la formation de minéraux plus denses, et de l’épaississement par refroidissement.
• La fusion partielle par décompression adiabatique dans l’asthénosphère sous l’axe des dorsales produit le magma basaltique, qui cristallise en formant la croûte océanique.

💡 À retenir

Le métamorphisme hydrothermal, provoqué par l’infiltration d’eau de mer lors du refroidissement de la lithosphère océanique, joue un rôle clé dans la modification minéralogique et la densification des roches, contribuant à l’évolution de la croûte océanique.

📖 9. Évolution lithosphère

🔑 Notions clés & Définitions

• Refroidissement : Processus par lequel la lithosphère océanique perd de la chaleur en s’éloignant de la dorsale, entraînant une baisse de température et une augmentation de la densité, selon WALTER (date) qui montre que cette perte de chaleur provoque un épaississement de la lithosphère.

• Épaississement : Augmentation de l’épaisseur de la lithosphère océanique due au refroidissement, principalement par la croissance du manteau lithosphérique lors de l’éloignement de la dorsale, comme l’indique WALTER (date).

• Densification progressive : Augmentation de la densité de la lithosphère océanique avec l’âge, résultant du refroidissement, du métamorphisme hydrothermal, et de l’épaississement du manteau lithosphérique, selon WALTER (date).

• Métamorphisme hydrothermal : Transformations minéralogiques solides provoquées par l’infiltration d’eau de mer dans la lithosphère en s’éloignant de la dorsale, qui augmente la densité des roches, comme décrit par WALTER (date).

• Évolution structurale et thermique : Modifications de la structure et de la température de la lithosphère océanique en s’éloignant de la dorsale, caractérisées par un refroidissement, un épaississement et une densification, selon WALTER (date).

📝 Points essentiels

• La lithosphère océanique se refroidit en s’éloignant de la dorsale, ce qui entraîne un épaississement par augmentation de l’épaisseur du manteau lithosphérique, car l’isotherme 1300°C descend en profondeur (WALTER, date).
• La densité de la lithosphère augmente avec l’âge, notamment à cause du refroidissement et du métamorphisme hydrothermal, qui transforme les minéraux en minéraux plus denses (WALTER, date).
• Le métamorphisme hydrothermal, provoqué par l’infiltration d’eau de mer, contribue à la densification des roches en modifiant leur minéralogie et leur composition chimique (WALTER, date).
• La croissance du manteau lithosphérique lors du refroidissement explique l’épaississement de la lithosphère, tandis que la densité croissante favorise le processus de plongement dans le manteau inférieur, menant à la subduction (WALTER, date).
• La variation thermique et structurale de la lithosphère, liée à son âge, influence sa stabilité et son comportement géodynamique, notamment la transition vers la subduction (WALTER, date).

💡 À retenir

La lithosphère océanique s’épaissit, se refroidit et devient plus dense avec l’âge, principalement à cause du refroidissement, du métamorphisme hydrothermal et de l’épaississement du manteau lithosphérique, ce qui prépare son enfoncement dans le manteau supérieur.

📖 10. Densification lithosphère

🔑 Notions clés & Définitions

• Augmentation de la densité de la lithosphère océanique liée au refroidissement et métamorphisme : processus par lequel la lithosphère devient plus dense en s’épaississant et en subissant des transformations minéralogiques dues au refroidissement et au métamorphisme hydrothermal (voir section IV.B).
• Processus de densification contribuant à l'évolution de la lithosphère océanique : ensemble des mécanismes, notamment le refroidissement, l’épaississement par métamorphisme hydrothermal, et la croissance de la densité, qui modifient la structure et la composition de la lithosphère au fil du temps (voir section IV.B).
• Lien entre densification et vieillissement de la lithosphère : relation où la densification progressive de la lithosphère, due à son refroidissement et métamorphisme, est associée à son vieillissement, entraînant une augmentation de sa densité et sa capacité à s’enfoncer dans le manteau (voir section IV.B).

📝 Points essentiels

• La lithosphère océanique se refroidit, s’épaissit par augmentation de l’épaisseur du manteau lithosphérique, et voit sa densité augmenter avec l’âge, notamment par le biais du métamorphisme hydrothermal (voir section IV.B).
• La densité moyenne de la lithosphère augmente, passant d’environ 2,9 à 3,3, en raison de l’épaississement du manteau lithosphérique et de la formation de minéraux métamorphiques plus denses (voir section IV.B).
• La croissance de la densité est liée à la fois à la diminution de la température, au refroidissement, et à la transformation minéralogique par métamorphisme hydrothermal, qui favorise la formation de minéraux plus denses (voir section IV.B).
• Lorsque la densité de la lithosphère atteint environ 3,3, elle commence à s’enfoncer dans le manteau moins dense de l’asthénosphère, initiant le processus de subduction (voir section IV.B).
• La densification est un facteur clé dans l’évolution structurale de la lithosphère, influençant son comportement dynamique et sa capacité à s’enfoncer dans le manteau (voir section IV.B).

💡 À retenir

La lithosphère océanique s’épaissit et se densifie avec l’âge, principalement par refroidissement et métamorphisme hydrothermal, ce qui favorise son enfoncement progressif dans le manteau et son évolution vers la subduction.

📊 Tableaux de Synthèse

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confondre dorsales océaniques et rifts continentaux (différence de contexte géologique).
2. Associer systématiquement activité sismique profonde aux dorsales, alors qu elle est généralement peu profonde.
3. Croire que toutes les failles normales sont liées uniquement aux dorsales, alors qu’elles peuvent aussi apparaître dans d’autres contextes d’extension.
4. Confondre flux géothermique élevé avec une activité volcanique intense, sans distinction des échelles.
5. Négliger le rôle de la remontée mantellique dans la formation de la nouvelle croûte.
6. Confondre métamorphisme hydrothermal et magmatisme, alors que le premier concerne la transformation minéralogique.
7. Omettre la différence entre dorsales lentes et rapides dans l’interprétation géothermique.

✅ Checklist Examen

• Connaître la définition de Walter sur les dorsales océaniques et leur rôle dans la création de croûte océanique.
• Savoir expliquer le mécanisme de fusion partielle des péridotites lors de la remontée mantellique.
• Identifier les reliefs caractéristiques des dorsales océaniques (altitude, forme).
• Comprendre le rôle des failles normales dans la tectonique divergente et leur mécanisme de formation.
• Maîtriser la notion de flux géothermique élevé et ses implications pour la signature thermique des dorsales.
• Connaître la signification de l’isotherme 1300°C dans le contexte des dorsales.
• Savoir décrire la signature sédimentaire en fonction de la distance à la dorsale.
• Reconnaître les processus de métamorphisme hydrothermal liés aux dorsales.
• Connaître la différence entre dorsales lentes et rapides, notamment en termes de morphologie et de signature géothermique.
• Comprendre le rôle de la remontée de l’asthénosphère dans la formation de la lithosphère océanique.
• Savoir expliquer la relation entre activité sismique, magmatisme et flux géothermique.
• Vérifier la maîtrise des concepts clés de Perroux sur la croissance de la croûte océanique.