LITHOSPHERE ET TECTONIQUE DES PLAQUES

 

L'idée que la lithosphère est découpée en plaques rigides mobiles est récente. Nous nous proposons de découvrir comment cette théorie s'est progressivement imposée et d'aborder les méthodes qui ont permis de préciser les mouvements de ces plaques.

 

Eléments requis:

• la lithosphère est constituée de zones stables, les plaques et de zones actives, les limites de plaques.
• certaines limites sont des zones de divergence, d'autres des zones de convergence.

Thèmes traités et activités pédagogiques (durée: 2 semaines):

Les fondements de la tectoniques des plaques
La découverte du mécanisme de l'expansion océanique
Le déplacement des plaques observées en direct

Thème 1: Les fondements de la tectonique des plaques

1.1 DES CONSTATATIONS

---

En utilisant la carte en couleur de la topographie du globe terrestre ci-dessous (cliquez sur son icône pour l'agrandir) vous identifierez les principaux reliefs observés. Ont-ils une distribution géographique particulière?

Comparez-les à ceux de la lune (icône en noir et blanc ci-dessous) dont la surface, riche en cratères d'impacts météoritiques, n'a pas été renouvelée depuis 3 GA, date de l'arrêt de son activité interne.



ETUDE PRATIQUE DE LA SISMICITE MONDIALE

Allez sur le site "ASTER AZUR" et plus spécifiquement sur la page: http://www.ac-nice.fr/svt/aster/data/seism/seism_index.htm où vous chargerez un fichier du catalogue annuel de sismicité (à défaut celui de l'année 2003).

 



 

1 - Repérez dans le catalogue le nombre de séismes, leur date, la profondeur, la magnitude, leurs coordonnées.

2 - Sélectionnez les colonnes latitude et longitude, ouvrez l'assistant graphique d'EXCEL et demandez un graphique en nuage de points (sélectionnez bien longitude en abscisse et latitude en ordonnée).

3 - On obtient un diagramme de points qu'il faut mettre en relation avec un planisphère en se guidant avec les références géographiques. Certains tableurs permettent de superposer à ce diagramme une image (image d'un planisphère à fond transparent comme celui figuré en icône ci-dessous). Il suffit de superposer avec précision l'image du planisphère avec le diagramme des épicentres.

4 - Si votre tableur ne le permet pas, faites apparaître le graphique sur une feuille distincte et imprimez-le sur une feuille de calque: vous obtenez la répartition des épicentres des séismes.

5 - Superposez ce graphique à un planisphère vierge comme celui-ci-dessous. Que constatez-vous?

 



---

Que ce soit la carte mondiale de répartition des foyers des séismes ou celle des volcans en activité, ces documents révèlent l'existence de limites séparant différentes plaques à la surface du globe: les plaques lithosphériques.
Ces limites se situent à l'aplomb de dorsales médio-océaniques ou dans des zones qualifiées de marges actives (appelées ainsi par leur caractère sismique et volcanique), par opposition aux marges passives qui sont les limites entre continents et océans.

Six grandes unités sont ainsi révélées par l'observation:

• la plaque pacifique, essentiellement de nature océanique,
• la plaque américaine,
• la plaque africaine,
• la plaque indienne,
• la plaque eurasiatique,
• la plaque Antarctique, ces cinq dernières plaques étant de nature mixte, à la fois continentale et océanique.

Des subdivisions sont apparues par ailleurs à certains endroits.

1.2 DE LA THEORIE A LA CERTITUDE

De nombreux traits géographiques signent la réalité de la tectonique des plaques:
- des chaînes de montagne récentes forment des ceintures traduisant les énormes contraintes qui s'exercent dans les zones d'affrontement des plaques,

- la complémentarité de forme de certains rivages séparés par des eaux marines révèle la déchirure qui a fragmenté ces masses continentales.

---

Les 3/4 des chaînes de montagne sont anciennes, elles ont été aplanies par l'érosion. La présence de chaînes récentes (moins de 130 MA correspondant à la période post-jurassique de l'ère secondaire) est une caractéristique de la planète Terre: elles dépassent 2 000m d'altitude et culminent souvent à plus de 4 500 m. Sur le planisphère que vous avez utilisé précédemment et en vous aidant du document ci-contre, figurez par un gros trait brun ces chaînes récentes.

---

Mais ces mouvements qui paraissent évidents ont mis très longtemps à s'imposer à la communauté scientifique.



1.2.1 L'émergence d'une théorie:
En 1912 Alfred WEGENER, géographe allemand, propose la théorie de la dérive des continents. Un super-continent, la Pangée, se serait fragmenté au début de l'ère secondaire et les fragments dériveraient depuis cette date à la surface du globe.

---

Observez cette dérive en mettant en action l'animation représentée par l'icône ci-contre: après chargement du programme, il suffit de glisser la souris sur l'image pour constater les résultats de la dérive continentale entre -200MA et la période actuelle.

Les couleurs illustrent l'âge des fonds océaniques. Que constatez-vous dans la répartition de ces fonds?

---


Etayée par des arguments géomorphologiques, stratigraphiques, paléontologiques et tectoniques, cette théorie est longtemps rejetée par les géologues à cause de l'absence d'explication dans le moteur de ces mouvements.

---

Vous allez retrouver les faits d'observation qui ont amené le physicien-météorologue Alfred Wegener, au début du XXe siècle, à proposer la théorie de la "dérive des continents":

 http://www.ac-nice.fr/svt/productions/2ao/wegener/derive.htm

---

Arthur HOLMES, en 1945, pose l'hypothèse de l'existence de mouvements de convection dans le manteau. C'est en fait Harry HESS, en 1962, qui expose le fonctionnement en double tapis roulant des fonds océaniques.

---

Comparez les conceptions d'Arthur HOLMES et celle de Harry HESS en vous référant à la page:

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/devel.theorie.html

Quelle approche proposeriez-vous pour vérifier les idées de HESS?

---

1.2.2 L'exploration des fonds océaniques
- La cartographie du fond des océans est réalisée pour la navigation des sous-marins pendant la 2e guerre mondiale: les relevés bathymétriques révèlent ainsi le réseau de dorsales parcourant les océans du globe .

---

Réalisez un profil bathymétrique de l'Atlantique entre Saint-Domingue et Nouakchott à partir des données de la carte ci-contre que vous aurez imprimée en format paysage: vous prendrez une échelle des profondeurs de 1cm pour 1000m. A l'aide de l'échelle des distances, vous évaluerez la largeur de la dorsale en km.

 

Confrontez le résultat de votre travail à la reprrésentation ci-dessous:

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/1.9a.atl.gif

---

- Des forages de plus en plus profonds et nombreux sont réalisés dans la 2e moitié du XXe siècle grâce à la stabilisation du navire foreur obtenue par les techniques de positionnement dynamique par satellite: des carottes fragmentées, de plusieurs km d'épaisseur, sont obtenues quelle que soit la profondeur d'eau.

---

L'âge des sédiments remontés dans une carotte de sondage peut être déterminé par l'analyse des microfossiles qu'ils contiennent: en effet ceux-ci permettent de définir la période géologique à laquelle ils ont sédimenté.
On fournit les résultats de sondages réalisés en différents points de l'Atlantique situés approximativement sur un même parallèle.

 



 

Cliquez sur le tableau pour l'ouvrir dans EXCEL.

1) Figurez et placez les différentes carottes sur un graphe distances / épaisseurs.
2) Proposez une interprétation de la façon dont varie l'épaisseur des sédiments depuis la dorsale jusqu'à la marge continentale.
3) Si l'on admet que l'âge du plancher basaltique est immédiatement plus ancien que l'âge du sédiment qui est à son contact, quelles informations apportent les forages sur l'âge du fond océanique?

4) Afin de donner une consistance à la théorie de la tectonique des plaques étayée par le biais de l'étude des sédiments, évaluez à l'aide de la "Carte numérique de l'âge des fonds océaniques " ci-contre, la vitesse d'expansion océanique à 20° de latitude S dans le Pacifique et dans l'Atlantique.

Pour ce faire, la mesure d'une distance sur un parallèle de latitude "l" est faite en degré de longitude; chaque degré de longitude équivaut à:

(40 000 / 360) cos l kilomètres

Vous comparerez ces valeurs obtenues à l'aide d'autres données un peu plus loin.

 

N.B. Le site du "National Geophysical data Center", à l'adresse ci-dessous fournit un ensemble de cartes appropriées à ce type d'étude:

http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/image/images.html

---

- Des technologies variées apportent leur contribution grâce à l'emploi de navires océanographiques comme le Geo Challenger de la Compagnie Générale de Géophysique (CGG Veritas) lancé en 2006:

· levées sismiques par sismique-réflexion ou réfraction permettant d'obtenir des images de la structure du plancher océanique,
· levées magnétiques,
· levées gravimétriques, renseignant sur la répartition des masses sous le plancher océanique.

Les satellites altimétriques permettent d'avoir une précision grandissante dans la connaissance de la topographie des fonds sous-marins. Les submersibles permettent le prélèvement d'échantillons.

 

Thème 2: La découverte du mécanisme de la tectonique des plaques

2.1. DONNEES DU PALEOMAGNETISME:

---

Vous pouvez découvrir quelques notions sur le magnétisme fossile des roches à l'adresse suivante:

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/magnetisme.terr.html

---

2.1.1 Le champ magnétique terrestre peut être fossilisé:
De nombreuses roches (basaltes), grâce à certains de leurs minéraux (magnétite) conservent les caractéristiques du champ magnétique de l'époque de leur formation. A l'aide de magnétomètres sensibles, on peut retrouver dans un échantillon le champ paléomagnétique, c'est-à-dire déterminer la position du pôle nord magnétique ou paléopôle.

2.1.2 La direction du paléopôle, un indicateur précieux:
L'étude d'échantillons de roches prélevées sur un même continent, mais d'âges variés montre une dérive du paléopôle au cours du temps. Ayant montré que l'axe magnétique du globe est resté stable au cours des temps géologiques, force est d'admettre que c'est le continent qui a migré par rapport au pôle.
Par ailleurs, l'étude de roches issues de continents différents a montré que ceux-ci s'étaient déplacés les uns par rapport aux autres.

2.1.3 Le champ magnétique terrestre a connu des inversions de polarité: à certaines périodes nommées périodes inverses, les pôles magnétiques étaient inversés par rapport à la situation actuelle, qualifiée de normale.

2.1.4 Les levées magnétiques du plancher océanique ont montré un certain nombre d'anomalies sous forme de bandes parallèles à l'axe de la dorsale présentant alternativement un champ magnétique supérieur à la normale (anomalies positives) et un champ inférieur à la normale (anomalies négatives). Ces bandes, de largeur variable, sont disposées symétriquement par rapport à l'axe de la dorsale.



Résultats des missions de magnétométrie

2.2 HYPOTHESE DE VINE ET MATTHEWS

En 1963, VINE et MATTHEWS rapprochent ces caractéristiques de l'hypothèse du double tapis roulant de HESS: leur modèle de formation du plancher océanique décrit une montée permanente de lave basaltique dans l'axe de la dorsale, qui repousse les basaltes plus anciens de part et d'autre.

Vous pourrez trouver des animations sur le fonctionnement du double tapis roulant à l'adresse:

http://ocean-ridge.ldeo.columbia.edu/Other_stuff/PAR_Movie/parmovie.html

 

---

Comment construit-on une échelle magnétostratigraphique?

On a procédé au relevé magnétique ci-dessous (profil des anomalies magnétiques) sur une distance de 40 km le long d'un plancher océanique, de part et d'autre de l'axe de la dorsale.

Sur la bande blanche laissée libre en dessous, tracez le calendrier des anomalies magnétiques par des rectangles noirs pour les périodes d'anomalies +, blancs pour les périodes d'anomalies -.

Comparez ce calendrier à celui de l'échelle magnétostratigraphique réalisée à l'échelle mondiale à partir d'un grand nombre de relevés. Que constatez-vous?

 

Relevé magnétique

Echelle magnétostratigraphique

---


Le phénomène étant continu, les basaltes générés au cours des périodes normales montrent une anomalie magnétique positive (le champ fossilisé s'ajoute au champ actuel), ceux formés pendant les périodes inverses, une anomalie négative (le champ fossilisé se retranche du champ actuel).

Cette hypothèse est vérifiée en 1966: en effet il y a correspondance entre la succession des bandes d'anomalies du plancher océanique et la chronologie des inversions magnétiques établies sur les échelles paléomagnétiques

2.3. L'EXPANSION DES FONDS OCEANIQUES

2.3.1 Mesure de la vitesse d'expansion: connaissant la surface engendrée par les émissions de basalte le long du rift (par lecture des cartes d'anomalies) et le temps pendant lequel cette distance a été couverte, on détermine la vitesse d'expansion. Si l'on réalise cette mesure d'un côté de la dorsale, il faut prendre la précaution de doubler cette valeur pour obtenir la vitesse d'expansion de l'océan.

---

A l'aide du relevé magnétique ci-dessus, évaluez la vitesse d'expansion océanique en cm/an.

Confrontez votre résultat en utilisant les données que vous trouverez à l'adresse: 

http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/lycee/gutjahr/tableur_complet/lycee/premiere/expans_ocean/atlantic.htm.

Comparer la vitesse d'expansion de l'océan Atlantique et celle du Pacifique.

---




La vitesse varie de 2-3 cm/an pour les dorsales lentes à 16 cm/an pour les dorsales rapides.
Les datations directes des inversions magnétiques n'ont été mesurées que dans des sédiments récents (5 MA), les datations des anomalies plus anciennes n'ont été possibles qu'en admettant une vitesse d'expansion constante.

 

2.3.2 Des failles transformantes liées à l'activité sismique qui est la conséquence d'un coulissage des plaques décalent véritablement les dorsales: les plaques rigides, se déplaçant sur une surface sphérique, se fracturent (voyez le schéma ci-contre ->).

2.4. PREUVES SUPPLEMENTAIRES DE LA MOBILITE DES PLAQUES

2.4.1 Les sondages profonds révèlent que plus on s'éloigne de la dorsale, plus les sédiments sont épais et plus les basaltes sous-jacents ou les sédiments qui les recouvrent immédiatement sont anciens. Ces deux derniers matériaux ont d'ailleurs le même âge.

http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/image/sedthick9.jpg

Les plaques océaniques se forment donc par épanchement de magma mantellique au niveau des dorsales, qui est ensuite progressivement recouvert par des sédiments.
NB. On ne trouve pas de plancher océanique d'âge supérieur à 180 MA.

---

L'activité qui suit est réalisée dans le seul but de vérifier que vous avez compris le mécanisme d'élaboration du plancher océanique.

Vous imprimerez le document vierge ci-contre. En suivant le guide de construction ci-dessous et en vous servant de l'échelle magnétostratigraphique du §2.2 vous figurerez la disposition des sédiments et les basaltes du plancher.

Il est rappelé que le mode de mise en place de ces roches est différent:

• les sédiments se déposent en couches horizontales au fond de l'océan,
• les basaltes se forment par épanchement dans l'axe de la dorsale repoussant en double tapis roulant les basaltes antérieurs.

Procédez pour finir au coloriage des roches de chaque époque comme indiqué dans la légende.



---

2.4.2 Le volcanisme de "points chauds" intraplaque se caractérise par des alignements d'édifices volcaniques de caractère insulaire. L'âge de ces volcans est régulièrement croissant d'une extrémité à l'autre d'un alignement: le volcan actuellement actif occupant l'extrémité la plus jeune.
Ces volcans proviennent de l'activité d'un point chaud fixe, qui envoie vers la surface un "panache" de magma perforant épisodiquement la plaque lithosphérique qui se déplace au-dessus.
La direction et la vitesse de ce déplacement sont littéralement "fossilisées" par l'alignement des volcans (animation).

Le cas des îles Hawaï-Empereur en est un bel exemple.

---

Vous calculerez la vitesse de déplacement de la plaque pacifique avec les données fournies à l'adresse:

http://www.labosvt.com/modules.php?name=News&file=article&sid=4

Vous pouvez vérifier votre travail à l'adresse suivante:

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/volcans.html

---

Thème 3: Le déplacement des plaques observé en direct

On peut mesurer actuellement avec une précision millimétrique des distances de plusieurs milliers de km.
Plusieurs méthodes sont utilisées: la plus connue est le GPS ("Global Positionning Système") qui se fait par satellites (24 actuellement opérationnels, nommés GPS BII-01 à GPS BII-24) à l'aide de signaux radio et qui permet de connaître à tout moment et en tout lieu les coordonnées d'un point à la surface du globe (position en latitude, longitude et altitude).

Il est possible de suivre le positionnement de ces satellites sur le site de la NASA:

 

http://science.nasa.gov/RealTime/JTrack/3D/JTrack3D.html

 

Ces satellites émettent en continu un signal radio sur deux fréquences (1.2 Ghz et 1.5 Ghz) que tout utilisateur muni d'un récepteur adéquat peut capter. Il suffit d'effectuer des mesures successives pour détecter en temps réel (c'est à dire sur quelques années) le déplacement d'un point par rapport à un autre pris comme référence. On peut déterminer la vitesse absolue de déplacement de ce point.

C'est ainsi que le système GPS est utilisé pour étudier le mouvements des plaques lithosphériques à la surface du globe avec une précision de l'ordre du millimètre.

---

MISE EN EVIDENCE DES MOUVEMENTS RELATIFS DES PLAQUES A PARTIR DE DONNEES GPS

Les données de l'activité qui suit sont tirées du site "GPS Time Series - Jet Propulsion Laboratory" du CalTech (California Institut of Technology).

1) Localisez les stations sur le planisphère fourni ci-contre en utilisant les coordonnées en latitude et en longitude.

 

STATIONS	LATITUDE	LONGITUDE	VITESSE DE DEPLACEMENT EN LATITUDE (cm/an)	VITESSE DE DEPLACEMENT EN LONGITUDE (cm/an)
EISL (Ile de Pâques)	-27,14	-109,57
PAMA (Tahiti)	-17,56	-149,57
IISC (Bangalore)	13,02	77,57
IRKT (Irkoutsk)	52,21	104,31
TAEK (Taegu)	36,37	127,36
TROM (Tromsö)	69,66	18,93	1,46	1,51
GUAM (Guam)	13,58	144,86	0,28	-1,11
REYK (Reykjavik)	64,13	-21,95	2,1	-1,08
FARR (Iles Farallon)	37,69	-123	2,26	-3,94
KUNM (Chine)	25,02	102,79	-1,88	3,04

 

2) Déterminez la vitesse de déplacement en latitude et en longitude de ces stations: une croissance dans la latitude ou la longitude sera signalée par le signe +, une décroissance par le signe -.

Celles des 5 dernières stations vous sont fournies. Reportez celles des 5 premières stations, exprimées en cm/an, dans le tableau ci-dessus.

• Ouvrez un fichier Excel par exemple: EISLlat.xls .
• Construisez le graphe "Variation de la latitude en fonction du temps".  Pour ce faire:

  - sélectionnez les 2 premières colonnes de gauche et cliquez dans la barre de menu sur l'assistant graphique: choisissez "nuages de points", cliquez sur "suivant",
  - cliquez sur "suivant": mettez un titre pour graphique et les axes abscisses et ordonnées, choisissez "sur une nouvelle feuille" puis cliquez sur terminer,
  - placez-vous sur un des points de la courbe et faites un clic droit: demandez "ajouter une courbe de tendance", conservez le choix "linéaire", puis, dans l'onglet "Options" cliquez dans la case "afficher l'équation sur le graphique".
  - la courbe est de type y = ax + b où a est la vitesse linéaire exprimée en cm/an, l'ordonnée à l'origine b n'a pas de sens puisqu'elle est calculée pour l'année zéro.

• Procédez de la même manière avec les fichiers Excel : EISLlon; PAMAlat; PAMAlon; IISClat; IISClon; IRKTlat; IRKTlon; TAEJlat et TAEJlon.

3) Construisez sur le planisphère les vecteurs "vitesse de déplacement" en rouge pour chaque station, en prenant comme échelle 5mm pour 1 cm / an de déplacement.

4) Comparez avec les résultats des calculs de vitesse absolue réalisés à partir de données géologiques (§1.2.2).

5) En utilisant l'ensemble des données, expliquez quels types de mouvements peuvent avoir les plaques les unes par rapport aux autres. Figurez dans la légende de la carte ces types de mouvement.

 

---

 

Il ressort de ces techniques que l'on obtient des vitesses "instantanées" de déplacement des plaques parfaitement en accord avec les valeurs moyennes calculées sur plusieurs MA à partir de données géologiques.