Fiche de révision : Métamorphisme et dynamique des plaques

📋 Plan du Cours

1. Plaques lithosphériques et mouvements
2. Indices des déplacements des plaques
3. Signatures thermiques des frontières
4. Formation de la lithosphère aux dorsales
5. Dorsales lentes et évolution océanique
6. Transformations métamorphiques de la croûte
7. Évolution et subduction de la lithosphère
8. Marqueurs et magmatisme des subductions
9. Déshydratation et fusion en subduction
10. Structures des collisions continentales
11. Épaississement de la croûte continentale
12. Convection et déplacement des plaques

📖 1. Plaques lithosphériques et mouvements

🔑 Notions clés & Définitions

• Lithosphère : Enveloppe externe rigide et cassante de la Terre, constituée de la croûte océanique ou continentale et de la partie supérieure du manteau, composée de péridotite.

★ À maîtriser

📌 La limite entre lithosphère et asthénosphère est thermique, correspond à l’isotherme de 1 300 °C et sépare deux comportements de la péridotite : rigide et cassant au-dessus, ductile au-dessous.

• Les mouvements entre plaques sont : la convergence, associée aux zones de subduction et aux chaînes de montagnes, la divergence, associée aux dorsales océaniques, le coulissage, associé aux failles transformantes

Compléments

• Les séismes sont une conséquence des mouvements des plaques et leur répartition permet de localiser les frontières de plaques.

💡 Astuce mémo

Même péridotite : rigide dans la lithosphère, ductile dans l’asthénosphère

📖 2. Indices des déplacements des plaques

🔑 Notions clés & Définitions

• Sédiments océaniques : Éléments détritiques provenant principalement de l’érosion des continents ou de restes d’êtres vivants et s’accumulant en strates successives sur la croûte océanique.
• Paléomagnétisme : Aimantation des minéraux des basaltes et des gabbros, roches riches en fer, qui se fixe lors de leur refroidissement selon la direction du champ magnétique terrestre du moment et se conserve ensuite.

★ À maîtriser

• Les techniques GPS par satellite mesurent en temps réel le sens et la vitesse des déplacements des plaques à partir de balises fixes réparties à la surface de la Terre, avec une précision de l’ordre du millimètre.

• En s’éloignant de la dorsale, la couche de sédiments océaniques s’épaissit et les sédiments au contact du basalte sont plus âgés.

📌 Une anomalie magnétique positive correspond à une aimantation des basaltes formés en période normale qui s’ajoute au champ actuel et rend le champ mesuré plus fort que la moyenne, tandis qu’une anomalie négative correspond à une aimantation formée en période inverse qui s’y soustrait et rend le champ mesuré plus faible.

• Les bandes d’anomalies magnétiques positives et négatives alternent de façon symétrique de part et d’autre de l’axe de la dorsale, indiquant que la croûte océanique s’y forme puis s’écarte des deux côtés.

• Un point chaud fixe par rapport au manteau profond produit successivement des volcans à mesure que la plaque se déplace au-dessus de lui ; les volcans les plus éloignés du volcan actif sont les plus anciens.

Compléments

📐 Formule - La vitesse d’expansion se calcule par $v = \frac{d}{t}$, où d est la distance à l’axe et t l’âge de la bande d’anomalie.

• Une bande située à 100 km de l’axe et datée de 5 Ma correspond à une vitesse d’expansion de 2 cm/an.

• Midway, âgée de 27 Ma et située à environ 2 400 km du volcan actif d’Hawaï, indique un déplacement de la plaque Pacifique d’environ 9 cm/an.

• Les données géologiques issues des sédiments, du paléomagnétisme et des points chauds sont cohérentes avec les mesures GPS et confirment les modèles de mouvements des plaques, comme NUVEL1.

💡 Astuce mémo

Des bandes magnétiques en miroir de part et d’autre d’une dorsale

📖 3. Signatures thermiques des frontières

★ À maîtriser

• Le flux géothermique surfacique est maximal au niveau des dorsales.

📌 Dans une zone de subduction, le flux géothermique est minimal à l’aplomb de la fosse et plus élevé dans les arcs volcaniques qui la bordent souvent.

Compléments

• Le globe libère en surface, par conduction, de l’énergie d’origine interne, et le flux géothermique est plus important dans les océans que dans les continents.

💡 Astuce mémo

Dorsale chaude, fosse froide, arc volcanique plus chaud

📖 4. Formation de la lithosphère aux dorsales

🔑 Notions clés & Définitions

• Solidus : Courbe qui indique, pour chaque pression, la température à laquelle une roche commence à fondre.
• Liquidus : Courbe qui indique, pour chaque pression, la température à laquelle une roche est totalement fondue.
• Accrétion océanique : Formation de nouvelles croûtes océaniques par les roches produites au niveau des dorsales, au fur et à mesure de leur écartement.

★ À maîtriser

• Les dorsales rapides, où l’expansion dépasse 10 cm/an, présentent un bombement du plancher océanique et une lithosphère océanique à structure régulière.

• La croûte océanique des dorsales rapides mesure 6 à 8 km d’épaisseur et comprend des basaltes au-dessus de gabbros reposant sur le manteau lithosphérique péridotitique.

• Sous les dorsales, la remontée par convection d’une péridotite chaude diminue fortement sa pression sans hausse notable de température ; elle franchit alors son solidus et fond partiellement par décompression, aussi appelée décompression adiabatique.

• Sous une dorsale, le géotherme recoupe le solidus de la péridotite entre environ 100 km et 20 km de profondeur, tandis que sous une plaine abyssale il reste du côté solide du solidus.

📌 Le refroidissement lent du magma en profondeur forme des gabbros plutoniques à texture grenue, tandis que son refroidissement rapide en surface forme des basaltes volcaniques à texture microlitique.

Compléments

• Dans le manteau, le liquidus n’est jamais atteint et la fusion de la péridotite reste partielle, sans dépasser 20 %.

• Les minéraux les plus fusibles de la péridotite fondent et forment un magma de composition différente de celle de la péridotite, tandis que les autres minéraux restent solides ; les gouttelettes de magma remontent et s’accumulent dans des chambres magmatiques.

💡 Astuce mémo

La remontée décompresse la péridotite → fusion partielle → nouvelle croûte

📖 5. Dorsales lentes et évolution océanique

🔑 Notions clés & Définitions

• Métamorphisme : Transformation d’une roche à l’état solide, sans passage par un magma, sous l’effet d’un changement de température, de pression ou de la circulation de fluides.

★ À maîtriser

• Les dorsales lentes, où l’expansion est de 1 à 5 cm/an, présentent un rift axial effondré bordé de blocs limités par des failles normales et une faible activité magmatique.

• Dès la formation de la lithosphère océanique à la dorsale, l’eau de mer s’infiltre dans ses failles, se réchauffe au contact des roches profondes, remonte puis est expulsée par des cheminées hydrothermales appelées fumeurs noirs.

Compléments

• Aux dorsales lentes, la divergence et l’activité magmatique discontinue produisent une croûte souvent moins épaisse que celle des océans rapides, constituée de basaltes et de gabbros en proportions très variables.

• Lorsque les roches de la croûte sont absentes aux dorsales lentes, les péridotites du manteau entrent directement en contact avec l’eau de mer, ce qui entraîne leur serpentinisation.

• Au contact de l’eau de mer, les minéraux des roches de la croûte et du manteau deviennent instables et réagissent pour former de nouveaux minéraux hydroxylés, dont la formule chimique contient de l’eau sous forme de groupements -OH.

💡 Astuce mémo

Infiltration → réchauffement → remontée → fumeurs noirs

📖 6. Transformations métamorphiques de la croûte

★ À maîtriser

• Lors du métamorphisme hydrothermal, la circulation d’eau de mer chaude transforme les minéraux du gabbro en métagabbro sans presque modifier la composition chimique globale de la roche.

• Chaque minéral est stable uniquement dans un domaine déterminé de pression et de température.

Compléments

• Dans le métagabbro observé, les minéraux présents comprennent le plagioclase, le pyroxène et la chlorite.

📖 7. Évolution et subduction de la lithosphère

★ À maîtriser

• En s’éloignant de la dorsale, le gabbro non hydraté à plagioclase et pyroxène évolue en métagabbro à hornblende près de l’axe, puis en schiste vert à chlorite et actinote plus loin, à mesure que la lithosphère refroidit.

• Avec l’âge, l’abaissement de l’isotherme 1 300 °C transforme une partie de l’asthénosphère en manteau lithosphérique rigide, ce qui épaissit le manteau lithosphérique sans modifier l’épaisseur de la croûte.

📌 Lorsque la lithosphère océanique devient plus dense que l’asthénosphère, elle est en déséquilibre gravitaire et peut plonger, condition qui rend possible la subduction.

Compléments

• En s’éloignant de la dorsale, les péridotites du manteau se transforment en péridotites serpentinisées.

• La densité des péridotites du manteau est d’environ 3,3, contre environ 2,9 pour les basaltes et gabbros de la croûte, de sorte que la densité moyenne de la lithosphère augmente avec l’âge.

💡 Astuce mémo

Refroidissement et épaississement → densité accrue → plongement possible

📖 8. Marqueurs et magmatisme des subductions

★ À maîtriser

• Les marqueurs des zones de subduction comprennent une fosse océanique liée à la flexion de la plaque plongeante, des alignements de volcans explosifs et des séismes distribués selon le plan incliné de Wadati-Benioff.

• La richesse en silice rend le magma de subduction visqueux, ralentit sa remontée et empêche les gaz, notamment la vapeur d’eau, de s’échapper, ce qui provoque des explosions.

Compléments

• La tomographie sismique révèle sous la fosse une zone anormalement froide dont les isothermes plongent obliquement.

• Le plongement d’une lithosphère océanique froide, rigide et cassante dans l’asthénosphère ductile explique les marqueurs observés en zone de subduction.

• L’andésite et la rhyolite sont des roches volcaniques à texture microlitique, tandis que la diorite et le granite sont des roches plutoniques grenues formées par cristallisation en profondeur.

📌 L’andésite et la diorite ont la même composition chimique, tout comme la rhyolite et le granite.

• Les amphiboles et les micas contiennent des groupements hydroxyles, révélateurs de l’hydratation du magma des zones de subduction.

💡 Astuce mémo

Magma visqueux → gaz piégés → explosions

📖 9. Déshydratation et fusion en subduction

★ À maîtriser

• Les magmas de subduction proviennent de la fusion partielle du coin de manteau situé sous la plaque chevauchante, dont les péridotites ne fondent dans ces conditions que si elles sont hydratées.

• Lors de la subduction, la forte hausse de pression et la faible hausse de température déstabilisent les minéraux hydroxylés de la croûte océanique, qui libèrent de l’eau.

• L’eau libérée par la croûte océanique remonte et hydrate la péridotite de la plaque chevauchante vers 80 km de profondeur, ce qui permet sa fusion partielle lorsque le géotherme recoupe le solidus de la péridotite hydratée.

Compléments

• Dans la croûte océanique, le plagioclase et le pyroxène réagissent avec l’eau pour former de la hornblende dans le métagabbro à hornblende, puis le plagioclase et la hornblende réagissent avec l’eau pour former de l’actinote et de la chlorite dans le schiste vert.

• La transformation du schiste vert en schiste bleu produit du glaucophane et de l’eau à partir de plagioclase, de chlorite et d’actinote.

• La transformation du schiste bleu en éclogite produit du grenat, de l’omphacite et de l’eau à partir de plagioclase et de glaucophane.

• Le grenat et l’omphacite ne sont pas hydroxylés, et leur formation accompagne la déshydratation de la croûte océanique lors du métamorphisme de haute pression et basse température.

• Le magma issu de la fusion partielle des péridotites hydratées est à l’origine du volcanisme explosif des zones de subduction.

💡 Astuce mémo

Croûte hydratée → déshydratation → manteau hydraté → fusion partielle

📖 10. Structures des collisions continentales

🔑 Notions clés & Définitions

• Faille inverse : Cassure où le compartiment supérieur remonte par-dessus l’autre, rapprochant les blocs et entraînant un raccourcissement horizontal et un épaississement vertical.
• Pli : Déformation souple des roches produite dans un contexte de collision.
• Chevauchement : Faille inverse de grande dimension qui amène un ensemble de terrains au-dessus d’un autre.
• Nappe de charriage : Ensemble de terrains déplacés le long de chevauchements sur plusieurs kilomètres à plusieurs dizaines de kilomètres et reposant sur des terrains sans lien d’origine avec eux.

📝 Points essentiels

• La disparition complète d’une lithosphère océanique par subduction peut conduire à la collision de deux plaques continentales de densité identique et à la formation de chaînes de montagnes comme les Pyrénées, les Alpes et l’Himalaya.

• Les structures caractéristiques de la convergence sont :

  • les plis
  • les failles inverses
  • les chevauchements
  • les nappes de charriage

📖 11. Épaississement de la croûte continentale

🔑 Notions clés & Définitions

• Racine crustale : Épaississement de la croûte associé à l’enfoncement du Moho sous une chaîne de montagnes.

★ À maîtriser

• Sous les Pyrénées, le Moho s’enfonce jusqu’à 45 à 50 km, contre environ 30 km sous une croûte continentale normale, et jusqu’à 70 km sous l’Himalaya.

• Dans une collision continentale, le raccourcissement horizontal déforme les roches et provoque l’épaississement vertical de la croûte.

Compléments

• Les profils sismiques des chaînes de montagnes montrent un empilement de fragments de croûte appelés écailles crustales, délimités par des chevauchements.

💡 Astuce mémo

Raccourcissement horizontal → empilement crustal → épaississement vertical

📖 12. Convection et déplacement des plaques

🔑 Notions clés & Définitions

• Convection : Phénomène qui couple le transport de matière et le transport d’énergie.

★ À maîtriser

• En vieillissant, la lithosphère océanique se refroidit, s’épaissit et devient plus dense que l’asthénosphère ; lorsqu’elle peut plonger, son poids entraîne le reste de la plaque par traction du panneau plongeant.

📌 La traction du panneau plongeant est le moteur principal du déplacement des plaques, tandis que la dorsale est une conséquence de leur écartement et non leur moteur.

Compléments

• La traction du panneau plongeant provoque l’écartement des plaques aux dorsales, où le manteau remonte passivement et forme une nouvelle lithosphère océanique.

• Dans le modèle de convection mantellique, la lithosphère océanique refroidie constitue la branche descendante, tandis que le manteau chaud remonte sous les dorsales et les points chauds.

💡 Astuce mémo

Le panneau plongeant entraîne la plaque ; la dorsale accompagne son écartement

📊 Tableaux de synthèse

Dorsales rapides et lentes