LA CONVERGENCE LITHOSPHERIQUE ET SES
EFFETS
- Nous avons vu en
1èreS
que l'origine du mouvement des plaques lithosphériques devait
être recherchée dans les courants de convection
mantelliques, assurant
par ailleurs la dissipation de la chaleur interne du globe.
A l'aplomb des dorsales, les courants ascendants provoquent la
divergence des plaques: il y a formation permanente de
lithosphère.
On sait par ailleurs que les fonds océaniques les plus
âgés n'ont que 200 MA. Force est d'admettre qu'en certains
endroits il doit y
avoir disparition de cette lithosphère. Elle se fait dans les
zones
de subduction, compensant ainsi l'accrétion au niveau
des dorsales.
- Faisant suite à la
subduction, la collision résulte de la convergence de
deux lithosphères continentales. Elle conduit à la
formation d'une chaîne de
montagne (nous aborderons ce phénomène à partir de
quelques aspects de la géologie des Alpes franco-italiennes).
-
- Thèmes traités
et activités
pédagogiques
(durée: 4 semaines):
-
Convergence et
subduction:
- - Les
marqueurs de la subduction
- - Les
mécanismes de la subduction
- - Le
magmatisme
des zones de subduction
- Convergence
et collision continentale:
- - Des témoins de l'ouverture et
de l'expansion de l'océan alpin
- - Des témoins de la fermeture de
l'océan alpin
- - La collision continentale et
l'orogénèse alpine
1 Convergence et
subduction
1.1 LES MARQUEURS
DE LA SUBDUCTION
1.1.1 Des reliefs contrastés au
niveau des marges actives
- Les techniques modernes d'échosondage (sonar)
permettent, grâce à l'ordinateur, de restituer en 3D une
image relativement fidèle des fonds marins proches des
continents.
-
-
Observation
des
reliefs de deux marges actives
A l'aide de cartes topographiques et d'un logiciel 3D
approprié
(par exemple SISMOLOG), observez les marges
actives du Japon et celle de la côte
Est du Pacifique au contact de la
Cordillère des Andes.
Autre adresse: http://f.marteau.free.fr/sismolog.htm -
- - Quels sont les reliefs que l'on rencontre en allant de
l'océan vers le continent dans chacun des deux cas?
- Quelle dénivellation peut-on atteindre entre les reliefs
continentaux et les fonds océaniques?
- Comparez les deux marges proposées et dégagez leurs
caractéristiques morphologiques.
-
- Il est ainsi possible de constater la présence de reliefs
positifs et négatifs au niveau des
marges actives:
- fosses océaniques,
- cordillère,
- et éventuellement:
- îles volcaniques disposées en arc,
- bassin océanique arrière-arc.
1.1.2 Des signes de déformation de
la lithosphère
Dans les chaînes montagneuses des marges actives il est
possible de répérer les témoins de contraintes
tectoniques.
-
-
Recherche
d'indices
tectoniques
Un atlas et des photographies prises dans les chaînes de montagne
bordant les marges actives vous sont proposées (volcans, plis,
failles).
- Qu'est-ce qui caractérise la bordure continentale
ouest du Pacifique depuis l'Alaska jusqu'à la Terre de Feu au
Sud de l'Amérique du Sud?
Certaines prises de
vues
d'affleurements - comme celui de Villard-Notre-Dame près de Bourg d'Oisans
(en Isère, Alpes françaises) - révèlent les
conséquences de mouvements tectoniques. - Identifiez ces indices notamment sur la photographie
ci-contre et sur le schéma explicatif de l'un de ceux-ci:
-
http://www.ipgp.jussieu.fr/pages/061001.php
- et dites à quel type de contrainte ils sont
attribuables.
-
- L'étude des fonds océaniques bordant certaines
marges actives révèle également que les
sédiments qui les constituent portent les traces de
déformations particulières.
-
-
Etude des
sédiments océaniques des marges actives
L'étude plus fine des reliefs
sous-marins, par
exemple le bourrelet de sédiments accumulés
dû
à la subduction de la plaque Philippine sous l'arc des Ryukyus,
au
Sud du Japon, avec un logiciel approprié (par exemple
SISMOLOG)
révèle un aspect particulier (zone centrale verte et
bleue
sur le document).- Situez le document ci-dessus dans son
contexte
géographique en cliquant sur l'icône ci-contre.
-
- - Quel est cet aspect de la croûte superficielle
océanique? Quelle est la direction des structures
observées? faites un schéma légendé.
On nomme cette formation: prisme d'accrétion sédimentaire.
Parfois ce bourrelet peut s'épaissir jusqu'à
émerger localement: c'est le cas de la Barbade dans les
Caraïbes (icône ci-contre ->) - Pour mieux comprendre cet aspect de la croûte
océanique, on a procédé à des simulations
en laboratoire. Elles révèlent qu'au niveau des zones de
subduction, l'affrontement de deux plaques est à l'origine des
plis et des failles traduisant un raccourcissement horizontal de la
lithosphère.
- On se trouve ainsi dans un contexte géodynamique
compressif
(par opposition au contexte extensif, observé en 1èreS,
lors de l'étude du fonctionnement des dorsales).
Les sédiments qui surmontent le plancher basaltique subissent
ces mouvements horizontaux, mais moins denses et peu solidaires de ce
plancher, ils sont moins facilement engloutis, s'accumulent et se
chevauchent.
Les
schistes lustrés du Queyras apartiennent au prisme
d'accrétion de la zone de subduction initiale lors de la
fermeture de l'océan alpin. Ils portent dans leur structure les
traces des contraintes compressives qu'ils ont subies, comme en
témoignent les deux photographies ci-dessous: exprimez-les.
|
Front de taille de la falaise
surplombant la route forestière en bordure du Guil à
Château-Queyras (schistes lustrés à gauche,
détail à droite)
|
 |
 |
- 1.1.3 Une forte activité
sismique et volcanique
Les marges
actives ne sont pas les seules zones sismiques du globe: elles
présentent des foyers superficiels, mais ce sont les seules
zones à présenter aussi des séismes profonds dont
le foyer peut se situer jusqu'à 700 km de profondeur. -
- Nous verrons d'ailleurs que leur profondeur dépend de
la distance du foyer à la marge.
-
- Les volcans les plus dangereux se trouvent au niveau des
marges actives:
- Ils émettent tous des laves andésitiques dont
la
viscosité élevée explique leur caractère
explosif:
des quantités considérables de matériaux et de
cendres
sont expulsées (Eruption
de la Soufrière de Montserrat (Petites Antilles) projetant
dans
l'atmosphère des gaz, des cendres et des blocs de lave.
-
-
-
- 1.1.4 Une double anomalie thermique
-
- Il est possible de mesurer le flux géothermique (en W.m-2): dans une région tectoniquement stable, le
flux de chaleur d'origine interne est relativement constant: les
isothermes (lignes qui rejoignent tous les points à la
même température) sont horizontaux. Il n'en est pas de
même dans une zone de subduction.
-
-
- Etude
cartographique du flux géothermique
Une carte
des flux de chaleur dans plusieurs zones de
subduction
révèle des informations intéressantes.
- Qu'observez-vous à l'aplomb des fosses? au niveau
de
la cordillère?
-
- Pour traquer les
hétérogénéités du manteau les
géologues disposent des données fournies par les
variations de la vitesse de propagation des ondes sismiques. Quand une
onde sismique traverse une zone anormale, sa vitesse de propagation
change: si cette zone est chaude, la vitesse a tendance à
diminuer, et inversement si elle est froide. On observe donc des temps
d'apparition des ondes, sur un sismographe, courts ou longs selon la
nature du milieu traversé. Avec un grand nombre de trajets et
grâce à un traitement informatique, on peut obtenir une
localisation des anomalies d'autant plus précise que la
densité de trajets est grande: cette technique est
appelée tomographie sismique. En France un réseau
mondial
GEOSCOPE s'est ainsi développé.
-
-
Etude
tomographique
En observant des documents de tomographie
sismique en zones
de subduction, il est possible de
préciser la profondeur des anomalies constatées
précédemment.
- Qu'observez-vous?
- Quelle hypothèse pouvez-vous formuler quant à
l'anomalie thermique négative?
-
- Ainsi lorsqu'on tente de modéliser les variations de
température interne dans une zone de subduction, les isothermes
se présentent
comme l'indique le schéma ci-contre.
1.2 LES
MECANISMES
DE LA SUBDUCTION
1.2.1 Disposition des foyers sismiques au
niveau des marges actives:
- Grâce à un réseau
mondial de surveillance sismique, les tremblements de terre sont
référencés, leurs coordonnées
géographiques et leur profondeur enregistrées.
-
-
Traitement
graphique d'une banque de données
En utilisant la banque de données "Répartition des foyers
sismiques dans la zone de subduction du Japon" (ou sa version EXCEL), vous allez décrire la
distribution géométrique et statistique de ceux-ci.
Ouvrez le document, dans le menu "Edition" choisissez
"Sélectionner tout". "Copiez" cette sélection.
Ouvrez un logiciel de traitement graphique (Excel ou autre).
Sélectionnez une plage de 2 colonnes et 104 lignes. Collez votre
sélection.
Faites une représentation graphique de la profondeur des foyers
(en km) en fonction de la longitude (en °Est).
- - Qu'observez-vous?
- Jusqu'à quelle profondeur peut-on observer des séismes?
- Mettez en relation ces observations avec celles constatées
dans l'analyse des anomalies thermiques.
1.2.2 La disparition de la
lithosphère océanique:
- La lithosphère modifie ses
propriétés au cours du temps, en s'éloignant de la
dorsale, comme nous avons
pu le constater dans le cours de 1ère S:
- "Au niveau des dorsales, la
lithosphère renflée, mince et chaude, "flotte" sur
l'asthénosphère. En s'en éloignant, elle se
refroidit lentement: son épaisseur
et sa densité augmentent et par là, la
lithoshère s'enfonce progressivement dans
l'asthénosphère."
-
-
-
Flottabilité
de
la plaque océanique
- On considère une portion de lithosphère
(constituée de la croûte et du manteau supérieur),
d'autant plus éloignée de la dorsale qu'elle est plus
âgée.
-
-
|
Age de la croûte océanique (en
MA)
|
9
|
16
|
25
|
100
|
150
|
Croûte continentale
|
|
Epaisseur de la croûte (en km)
|
6
|
6
|
6
|
6
|
6
|
40
|
|
Epaisseur de la lithosphère (en km)
|
30
|
40
|
50
|
100
|
120
|
130
|
|
Densité de la
lithosphère
|
|
|
|
|
|
|
| Densité
de la croûte continentale: 2,82 |
Densité de
la croûte océanique: 3 |
| Densité
du manteau supérieur: 3,3 |
Densité de
l'asthénosphère: 3,25 |
-
- A l'aide des données qui vous sont fournies, vous
calculerez les variations de densité de la lithosphère au
fur et à
mesure que l'on s'éloigne de la dorsale océanique,
sachant
qu'elle est une moyenne pondérée de celle de ses deux
composants.
- Vous comparerez ces valeurs à la densité de
l'asthénosphère et vous déterminerez l'âge
à partir duquel la flottabilité
de la plaque océanique n'est plus assurée.
- Quel peut être son devenir?
-
-
- On comprend ainsi que la
flottabilité
de la lithosphère océanique est le résultat de la
compétition entre les forces de gravité et la
poussée d'Archimède.
1.2.3 Evolution de la plaque
océanique engloutie
- En s'enfonçant dans
l'asthénosphère chaude et ductile, la lithosphère
océanique s'échauffe. Mais sa conductivité
thermique étant faible, elle reste anormalement froide et rigide
jusqu'à des profondeurs importantes, ce qui est
attesté par l'existence de séismes profonds. En fait
celle-ci
s'enfonce plus vite qu'elle ne s'échauffe, d'où une
anomalie
thermique négative.
- A de plus grandes profondeurs on ne
détecte plus de séismes et son devenir est difficile
à cerner.
-
-
Pour illustrer la subduction
1.3 LE MAGMATISME
DES ZONES DE SUBDUCTION
1.3.1 Les roches magmatiques
caractéristiques des marges actives
- Les marges actives présentent
une
grande variété de roches magmatiques: volcaniques
formées en
surface
(andésites et rhyolites), d'autres d'origine profonde,
ultérieurement
remontées en surface, plutoniques
de type granitoïde.
-
-
-
Etude des roches
volcaniques
- Vous ferez une étude à l'oeil nu et au
microscope polarisant d'une andésite et d'une rhyolite (couleur, structure, composition
minéralogique) et vous vous documenterez pour connaître sa
composition chimique (dans un ouvrage de Terminale S, ou bien à
l'aide du logiciel "PRESSION, TEMPERATURE ET FORMATION DES ROCHES" de
Jean-Pierre LECLERC).
- Vous en déduirez, grâce à vos
connaissances, les conditions de mise en place.
-
-
-
- Etude des roches
plutoniques
- Regroupées sous l'appellation
"granitoïdes"elles constituent d'énormes massifs comme ceux de la Sierra Nevada.
Après érosion ces massifs intrusifs de granite peuvent
apparaître dans l'encaissant.
-
- Là aussi, vous ferez une étude à
l'oeil nu et au microscope polarisant d'un granite ou d'une granodiorite (couleur,
structure,
composition minéralogique) et vous vous documenterez pour
connaître
sa composition chimique.
- Vous en déduirez, grâce à vos
connaissances, les conditions de mise en place.
-
-
-
- Comparaison
entre compositions chimiques
- Que révèle la comparaison des compositions
chimiques des roches volcaniques andésitiques et rhyolitiques
avec les roches plutoniques granitoïdiques?
- Que pouvez-vous en déduire sur leur origine
magmatique?
- Que révèle la comparaison des compositions
chimiques des granitoïdes et des matériaux de la
lithosphère plongeante?
- Les magmas à l'origine des granitoïdes
peuvent-ils provenir de la fusion des matériaux de la plaque
plongeante? Sinon quelle hypothèse pouvez-vous formuler sur
l'origine de ces magmas?
-
-
- Les granitoïdes proviennent de magmas qui n'atteignent
pas la surface: ils forment de gigantesques "bulles" ou diapirs,
qui
migrent vers le haut sans jamais atteindre la surface. Ils
cristallisent
en profondeur en formant des plutons que l'érosion fera
affleurer.
L'ascension et l'accumulation de ces magmas chauds à la base de
la lithosphère océanique chevauchante explique l'anomalie
thermique positive à l'aplomb de l'arc magmatique.
La subduction fabrique donc ainsi de la croûte continentale, mais
par quels mécanismes?
1.3.2 La genèse des magmas lors de
la subduction
- Reprenons l'hypothèse formulée
précédemment en §1.3.1 à la fin de notre
investigation et essayons de la
confirmer en démontrant que les granitoïdes ne peuvent
résulter
de la fusion des matériaux de la plaque plongeante, mais bien de
la fusion partielle du manteau de la plaque lithosphérique
chevauchante, au-dessus du plan de Benioff.
-
- L'étude qui va
suivre -jusqu'à la fin de la page - est conduite avec le
logiciel "PRESSION, TEMPERATURE ET FORMATION DES ROCHES" de Jean-Pierre
LECLERC.
-
-
- Simulation
des
conditions du magmatisme de subduction
- Nous allons utiliser un
logiciel approprié qui représente un "laboratoire
virtuel" permettant de visualiser les transformations des
matériaux en fonction de la
pression ou profondeur P et de la température T.
- Vous rappellerez d'abord ce qu'est une courbe de fusion, en validant les
menus suivants:
- CALCUL
-> Roches magmatiques,
- MAGMATISME
->
Travaux expérimentaux
- MAGMATISME
->
Formation des magmas -> Magma andésitique
- CALCUL
-> Gradient géothermique -> Zone de subduction
validée
- PREFERENCES -> Milieu
anhydre
- Choisissez de
représenter la limite croûte-manteau (L)
-
Vous
vous remémorerez les relations
Pression-Profondeur et la notion de gradient géothermique en
construisant un tableau:
Contexte géodynamique:
Subduction
|
Valeur
du gradient (°C/km)
|
Température
à 10 km
|
T
à
20 km
|
T
à
50 km
|
T
à
80 km
|
T
à
160 km
|
|
|
|
|
|
|
- Quelle est la température minimale que doivent atteindre les
matériaux pour obtenir la fusion
partielle dans la croûte? dans le manteau
supérieur?
Cela est-il réalisé dans une zone de subduction? Quelle
conclusion
pouvez-vous tirer?
- Vous étudierez le rôle de l'eau en revenant au point 5
précédent:
PREFERENCES
-> Milieu hydraté
Quelle
nouvelle
constatation pouvez-vous faire? A quelles conditions P/T minimales la
fusion
partielle des matériaux peut-elle se faire?
Est-elle réalisée dans la croûte ou dans le manteau?
Que vaut notre hypothèse de départ?
- Les granitoïdes, les andésites sont effectivement
riches en
minéraux hydratés (amphiboles par exemple). Il
apparaît ainsi que la
fusion partielle des péridotites du manteau à l'origine
des
magmas granitiques soit due à l'hydratation des
matériaux
de la plaque chevauchante.
- D'où provient cette eau?
1.4 LE METAMORPHISME DES ZONES DE SUBDUCTION
- A la différence des roches
magmatiques des zones de subduction, qui ont une composition chimique
différente de celle de la plaque plongeante, les roches
métamorphiques associées aux zones de subduction ont
même composition que celle de la croûte océanique.
1.4.1 Schistes bleus et éclogites:
-
- Etude des roches
métamorphiques
Vous
ferez une étude à l'oeil nu et au microscope polarisant
d'un schiste bleu (ou métagabbro) et d'une éclogite (couleur, structure, composition
minéralogique) et vous vous documenterez pour connaître sa
composition chimique. - Montrez que ces roches n'ont pas subi de transformation
chimique importante, mais un réassemblage des
éléments pour
constituer de nouveaux minéraux. Il s'agit de métamorphisme.
Vous pourrez être guidé dans votre étude à
l'adresse suivante:
- http://www2.ac-lyon.fr/enseigne/biologie/ress/geologie/metagabbro/metagabbro.html
1.4.2 Les transformations
minéralogiques d'un gabbro au cours de la subduction:
Le
long du plan de Bénioff, les roches de la lithosphère
océanique sont soumises à des conditions de pressions et
de températures éloignées de celles de leur
formation. Elles se transforment et se déshydratent. Des
minéraux, déstabilisés, réorganisent leurs
éléments chimiques pour constituer de nouveaux
édifices cristallins stables dans les nouvelles conditions: on
les appelle des minéraux-index du métamorphisme
et on qualifie de domaine de
stabilité l'éventail
des pressions et des températures à l'intérieur
duquel un minéral ou une association
minérale est stable.
-
- Tracé
des
courbes d'équilibre définissant les domaines de
stabilité de quelques minéraux du métamorphisme
A l'aide du même logiciel que
précédemment, nous allons considérer quelques
domaines de stabilité.
Vous ferez apparaître un diagramme P/T en validant les menus
suivants:
- CALCUL
-> Roches
métamorphiques
-
->
Gradient géothermique -> zone de subduction
validée
- METAMORPHISME ->
Association de minéraux -> courbes d'équilibre:
- Jadéite / Albite
- Glaucophane + / Glaucophane -
- Chlorite + / Chlorite -
- Choisissez de
représenter une profondeur maxi de 60 km, une température
maxi de 1200°C,
la limite croûte-manteau (L), le gradient géothermique (G)
et
la mémorisation des points (P).
Vous
obtenez ainsi une grille
pétrogénétique qui va vous permettre de
simuler le trajet P-T-t d'une roche de la lithosphère
océanique lors de son enfouissement: un gabbro en l'occurrence.
Il est possible, expérimentalement de reproduire les
transformations que cette roche subit lors de la subduction: c'est sous
l'effet des hautes pressions que la lithosphère océanique
se transforme en schistes bleus, puis en éclogites.
-
- Trajet P-T-t d'un gabbro
lors de la subduction
- Sur la grille pétrogénétique
obtenue, vous allez recontituer les conditions d'enfouissement de ce
gabbro, qu'on appellera désormais métagabbro.
Pour que ce travail se fasse en relation avec une
activité
similaire vue en 1ère S, vous allez ajouter sur votre graphe P-T
la limite de stabilité suivante:
Clinopyroxène+Plagioclases /
Hornblende, vers 700°C environ.
Vous devez en effet vous souvenir que les gabbros de la
lithosphère océanique subissent, lors de leur
éloignement de la dorsale par expansion océanique, un
métamorphisme hydrothermal, par circulation d'eau en leur sein.
Ces métagabbros ont donc enregistré le faciès
"schistes verts" et
ce sont eux qui vont subir, lors de la subduction, un autre
métamorphisme
qui les fera passer au faciès
"schistes bleus", puis plus profondément, dans le domaine des éclogites.
Après avoir défini des points dans
chacun des domaines de stabilité, vous les relierez entre eux:
vous obtiendrez, sous forme d'un trajet P-T-t, l'histoire du
refroidissement de la plaque
océanique, de son enfouissement par subduction et enfin de sa
venue
en surface après érosion des formations sus-jacentes.
-
Suite ...
L'étude plus fine des reliefs
sous-marins, par
exemple le bourrelet de sédiments accumulés
dû
à la subduction de la plaque Philippine sous l'arc des Ryukyus,
au
Sud du Japon, avec un logiciel approprié (par exemple
SISMOLOG)
révèle un aspect particulier (zone centrale verte et
bleue
sur le document).- Situez le document ci-dessus dans son
contexte
géographique en cliquant sur l'icône ci-contre. 
On nomme cette formation: prisme d'accrétion sédimentaire. 
Vous
ferez une étude à l'oeil nu et au microscope polarisant
d'un schiste bleu (ou métagabbro) et d'une éclogite (couleur, structure, composition
minéralogique) et vous vous documenterez pour connaître sa
composition chimique.