Convergence et subduction

Premier chapitre : Convergence et subduction
1ère partie : Les caractéristiques des zones de subduction TP
I Caractères morphologiques et géologiques des marges actives
La convergence des plaques lithosphériques rigides s'accompagne d'une déformation de leurs bordures, qui génère des
structures particulières et des activités sismique et magmatique importantes.
A. Les caractères morphologiques
De la plaque plongeante vers la plaque chevauchante, on observe une fosse océanique, un prisme d'accrétion dans certains
cas, un arc magmatique et un bassin arrière-arc.
1. La fosse océanique : c'est une dépression allongée de grande profondeur (pouvant atteindre 11000 m). Elle marque la
frontière entre les plaques convergentes. Elle épouse la forme de la bordure continentale ou celle de l'arc magmatique
2. Les arcs magmatiques : ce sont des arcs insulaires, chapelets d'îles volcaniques, alignés parallèlement à la fosse ou
bien des chaînes de volcans intégrés dans une chaîne de montagnes. L’arc insulaire peut être voisin d'un continent lorsque
la plaque chevauchante porte une croûte continentale (arc du type Japon) ou situé en milieu océanique lorsque la plaque
chevauchante porte une croûte océanique (arc du type Tonga-Kermadec ou Mariannes)
3. Les chaînes de montagnes : les Andes du Pérou et de Bolivie en sont l'exemple type. Longues et étroites, elles
marquent la bordure du continent. Elles sont constituées de formations sédimentaires, de volcans et de massifs de
granitoïdes. Les directions des axes des plis, les failles, les chevauchements, les volcans et les massifs de granitoïdes sont
alignés parallèlement à la fosse et perpendiculairement à la direction de convergence. Ces chaînes de montagnes
s'observent à la verticale de zones de subduction lorsque la plaque chevauchante porte une croûte de nature continentale.
Les déformations observées sont une conséquence des mouvements de convergence de plaques qui génèrent une
compression comme l'illustre l'image présentée ci-contre
4. Les bassins arrière-arc : localisés sur la plaque chevauchante et en arrière de l'arc magmatique, ce sont des formations
sédimentaires.
5. Les prismes d'accrétion : ils sont situés entre la fosse et l'arc magmatique. Constitués d'un empilement d'écaillés
chevauchantes, ils forment une ride parfois émergée (ex. la Barbade). Ce sont des formations
sédimentaires plissées comprenant des fragments de croûte océanique, des sédiments d'origines océanique et/ou
continentale.
B. Les caractères géologiques
Les observations directes et indirectes révèlent les caractères géologiques particuliers des zones de subduction.
1. Une double anomalie thermique : les mesures des flux de chaleur au travers d'une zone de subduction montrent des
valeurs faibles par rapport au flux moyen de la plaque océanique (anomalie négative). Cette anomalie négative est
localisée au niveau de la fosse. Elle correspond à l'enfouissement de matériaux froids dans les couches profondes et
chaudes de la Terre. À l'inverse, un flux de chaleur élevé est mesuré sous la marge chevauchante.
2. L’activité tectonique : la subduction génère des déformations instantanées qui se manifestent par des séismes et des
déformations plus lentes et permanentes, telles que plis ou chevauchements.
-Les frontières de plaques convergentes sont marquées par une activité sismique intense : 3/4 de l'énergie
sismique de la Terre est dissipée à ce niveau. Les foyers sismiques sont localisés de 20 à 700 km de profondeur.
Les foyers sont de plus en plus profonds en direction de la plaque chevauchante. Ils se répartissent selon un
plan qui forme un angle par rapport à la surface compris entre 15 et 90°. Ce plan ou zone de Bénioff-Wadati
matérialise l'enfouissement de matériaux froids et rigides de la lithosphère océanique qui subduit.
-Les déformations plus lentes et permanentes génèrent des plis, des chevauchements dans les matériaux de la
plaque chevauchante.
3. L’activité magmatique des zones de subduction se manifeste par un volcanisme de type explosif
Il Un des moteurs de la subduction
La lithosphère océanique formée au niveau de la dorsale se refroidit, s'épaissit au cours du temps. Sa densité
augmente et lorsqu'elle devient supérieure à celle de l'asthénosphère, elle plonge. Cette différence de densité
entre la lithosphère et l'asthénosphère est l'un des principaux moteurs de la subduction.
Le moteur consiste essentiellement en une traction de la lithosphère sous l'effet de son propre poids ( la dorsale
ne pousse pas tout dans ce cas les séismes enregistrés au niveau de la lithosphère plongeante seraient
compressifs alors qu'ils sont pratiquement constamment extensifs).
Etudier livre p 306 , 307 , 308
Quel est le devenir de la plaque plongeante ?
2ème partie : L’histoire de la plaque plongeante Activité 6 p 304
Cette activité a pour objectif de montrer que le métamorphisme de la croûte océanique en cours de
subduction aboutit à une libération d'eau
1 Transformation des gabbros au cours de leur trajet de la dorsale à la zone de subduction : fig. 18 p 305
hydratation de la croûte océanique au niveau de la dorsale
Le doc.17 montre que, lors de l'expansion, les roches de la croûte océanique (basalte et gabbro) subissent un
refroidissement facilité par la circulation de l'eau de mer dans les fractures (hydrothermalisme) dans des
conditions de pression faible, la profondeur étant peu importante. Ainsi un gabbro cristallisé à 1 000 °C (G l)
passe rapidement à 800 puis 600 °C (G2). Lors de la subduction, ces mêmes roches qui ont continué à refroidir
(G3) vont être soumises à des pressions de plus en plus importantes sans élévation notable de la température
(stades G4, G5, G6).
Le gabbro au stade G l (doc. 17 a) correspond à une roche grenue ( holocristalline ) venant de cristalliser
soumise à une faible pression (faible profondeur) et située dans un intervalle de température compris entre 1
000 et 700 °C (doc. 18b). Cette roche (doc. 17 a) montre de gros cristaux de feldspaths plagioclases
reconnaissables à leurs macles répétées ainsi que des cristaux de pyroxènes de couleur jaune, orangée.
Au stade G2 (doc. 18b), le métagabbro situé dans un intervalle de température compris entre 700 et 400 °C
présente une transformation minérale (doc. 18a) ; une auréole d'un nouveau minéral appelé amphibole
(hornblende dans ce cas) apparaît autour des pyroxènes. La situation de cette auréole d'amphibole entre les
plagioclases et les pyroxènes ainsi que la connaissance de la composition chimique des minéraux en présence
permet d'établir que l'apparition de l'amphibole résulte d'une réaction chimique entre des éléments chimiques
issus à la fois des plagioclases et des pyroxènes et ceci en présence d'eau.
Les minéraux du gabbro G 1 stables au-dessus de 700 °C deviennent instables lorsque la roche se refroidit et
ceci en présence d'eau. À l'état solide, la roche se transforme (se métamorphise ), ses minéraux déstabilisés
libèrent des éléments chimiques à partir de leur périphérie, les éléments chimiques à l'interface entre deux
minéraux réagissent alors pour former un nouveau minéral plus stable dans les nouvelles conditions de
température et pression. On parle ici de métamorphisme de basse pression et de basse température.
La réaction chimique est la suivante : plagioclase + pyroxène + eau → amphibole (hornblende)
L'origine de l'auréole de métamorphisme liée à l'hydratation du gabbro G2 peut être schématisée ainsi :
Amphibole (Ca, Na)2(Mg, Fe)4 AI(Si7AI)022 (OH)2
Pyroxène (Ca, Fe, Mg, Al))
Plagioclase NaSi3 , AI08 et CaSi2AI208
On constate que l'amphibole est un minéral hydraté qui a incorporé des ions OH dans sa structure, ions
ayant l'eau de mer pour origine. Les plagioclases incomplètement transformés ainsi que l’amphibole (=la
hornblende ) nouvellement formée du métagabbro G2 peuvent à leur tour être transformés en nouveau
minéraux hydratés : chlorite et actinote en présence d'eau et lors du refroidissement aboutissant au métagabbro
du stade G3. La réaction est :
Plagioclase + hornblende (amphibole ) + eau → chlorite + actinote
Chlorite ( Mg,Fe,Al3 ) (Si,Al)4 O10 (OH)2
(La péridotite du manteau peut aussi être métamorphisée en serpentinite, roche verdâtre riche en minéraux
hydroxylés , les serpentines )
C’est donc une lithosphère , et surtout une croûte riche en minéraux hydroxylés , qui s’éloigne de la
dorsale et arrive au niveau d’une zone de subduction
2 Transformation des gabbros au cours de la subduction de la lithosphère océanique : fig. 19 p 305
Le doc. 19 a montre un métagabbro au stade G4 c'est-à-dire en début de subduction. La présence de
plagioclase (1) et pyroxène (2) : minéraux reliques indique qu'il s'agit bien d'un ancien gabbro. La présence
d'actinote (5) indique que cet ancien gabbro est passé dans la zone de formation et de stabilité de ce minéral
correspondant au stade G3. La présence d'une auréole de glaucophane (4) entre le plagioclase et le pyroxène
indique qu'une réaction chimique s'est déroulée à l'interface des deux minéraux devenus instables pour donner
un nouveau minéral stable dans les nouvelles conditions qui sont celles de la zone B figurant sur le doc. 19c. Le
métagabbro au stade G4 a donc été soumis à des températures comprises entre 200 et 450 °C à des profondeurs
oscillant entre 15 et 30 km. Le métagabbro est donc passé de la zone A (stade G3) à la zone B (stade G4).
Le doc19b montre un métagabbro au stade G5 présentant une nouvelle association minérale qui conserve du
glaucophane (4) mais qui présente de nouveaux minéraux qui eux sont anhydres, le grenat (6) et un nouveau
pyroxène la jadéite (7) ainsi que du quartz (8). Cette association minéralogique indique qu'un métagabbro est
passé du domaine B (G4) au domaine D en passant éventuellement par le domaine C. Le métagabbro au stade
G5 a donc été soumis à des températures comprises entre 250 et 500 °C, à des profondeurs supérieures à 35 km.
Glaucophane : Na2Mg3Al2Si8O22(OH)2
Grenat : Fe, Mg, (SiO4)2
Jadéite : NaAlSi2O6
( Vers 50km de profondeur , le basalte est transformé en éclogite formé par une association de grenat rouge et
d’un pyroxène , la jadéite . Les minéraux de l’éclogite ne sont pas hydroxylés )
Déshydratation de la croûte océanique lors de la subduction
Lors de la subduction, les minéraux hydratés des associations minérales du paragraphe précédente sont
transformés en minéraux anhydres ce qui libère de l'eau. On parle dans ce cas de métamorphisme de basse
température et de haute pression.
Etudier p 308 , 309
Albite = feldspath