croûte continentale
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La Terre dans l'Univers, la vie, l'évolution du vivant Partie 1-B : Le domaine continental et sa dynamique Chap. 1 : Caractéristiques du domaine continental Distribution bimodale des altitudes, en pourcentage de la surface terrestre solide occupé par des terrains d'altitudes données. Les altitudes sont regroupées par tranches de 1 kilomètre. Pour se limiter à des valeurs significatives, les tranches extrêmes intègrent les valeurs maximales peu représentées. Terres émergées / terres immergées Courbe hypsométrique simplifiée de la surface de la Terre Limite océan/continent Limite CC / CO Carte géologique du monde Les parties émergées sont pratiquement toutes de nature continentale. Les différences d’altitude moyenne entre les continents et les océans s’expliquent par des différences crustales. Pb : en quoi les caractéristiques de la croûte continentale expliquent-elles sa situation / croûte océanique ? I - Lithosphère continentale, reliefs et épaisseur crustale A. Rappels : épaisseur de la CC 1S calcul de la profondeur du Moho grâce à la sismologie (voir aussi Bordas doc 1 p146) Carte de la profondeur du Moho en France métropolitaine (image numérique) http://www.svt.ac-versailles.fr/spip.php?article704?article164 -70 km -50 km Coupe synthétique simplifiée de l'Himalaya (d'après Himalaya-Tibet, le choc des continents - collectif - Eds CNRS) http://rigaudvelt.free.fr/BAC_ecrit/2004/04_noumea.htm Sous les océans : Moho -10 km Sous les continents : Moho -30 km Sous les montagnes : Moho -70 km On cherche à comprendre pourquoi la croûte continentale est plus épaisse sous les montagnes. B. Comportement de la CC au niveau des reliefs 1. Un peu d’histoire des sciences Le Lephénomène phénomèned’isostasie d’isostasiefut futmis misen en évidence, évidence,pour pourlalapremière premièrefois, fois,ililyyaa plus plusde de250 250ans, ans,par parl’astronome l’astronome français françaisPierre PierreBouguer. Bouguer.Lors Lorsde de l’expédition l’expéditionau auPérou Péroude de1736-1743. 1736-1743. Bouguer Bouguerreleva, releva,ààcette cetteoccasion, occasion,une une différence différence(dite (diteanomalie) anomalie) significative significativeentre entrepesanteur pesanteurmesurée mesurée et etcelle cellecalculée calculéepour pourun unmême mêmelieu lieu des desAndes Andes Mêmes Mêmesobservations observationsdans dansl’Himalaya l’Himalaya 100 100ans ansaprès après(George (GeorgeEverest) Everest):: l’attraction l’attractiongravitationnelle gravitationnelledes des montagnes montagnesest esttoujours toujoursinférieure inférieureàà celle cellecalculée calculéetenant tenantcompte comptede del’excès l’excès de demasse massede decelles-ci. celles-ci. IlIlyyaaanomalie anomalie gravimétrique gravimétrique!! Comme Commesisilala montagne montagneétait était creuse creuse!!! !!! Montagne Montagnecreuse… creuse…puis puis quoi quoiencore encore!! Lisez Lisezplutôt plutôtles les hypothèses hypothèsesproposées proposées pour pourexpliquer expliquerce ce phénomène… phénomène… On doit aux Britanniques George Biddell Airy (1801-1892) et John Henry Pratt (1809-1871) les premières tentatives d’explication du phénomène observé (cf. Bordas p 145). Modèle de Pratt : la compensation est assurée par une variation latérale de la densité dans la lithosphère. Modèle d’Airy : la compensation du relief topographique est assurée par la présence d’une racine légère causée par l’épaississement de la croute. Le modèle d’Airy correspond à ce qui est détecté par les études sismiques, c’est à dire la présence de croûte continentale profonde sous les chaînes de montagnes, nommée « racine crustale ». 2. La compensation isostatique • • • • • Le manteau asthénosphérique (MA, solide ductile) se comporte comme un fluide visqueux et se déforme sous le poids de la lithosphère celle-ci est soumise à une poussée équivalente à la poussée d’Archimède. Quand poussée et force de gravitation sont égales, la lithosphère est en équilibre isostatique. L’état d’équilibre est réalisé à une profondeur variable : la profondeur de compensation = surface de compensation. Surface de compensation : profondeur au niveau de laquelle la pression est identique quel que soit le relief au-dessus. La masse de toutes les colonnes de roches (de même section) de hauteur atteignant la prof de compensation est égale en tout point du globe. La lithosphère océanique (LO), plus dense que la lithosphère continentale (LC), s’enfonce plus profondément dans le MA, ce qui explique qu’elle soit située sous le niveau des mers. Pour Pourfaire faire l'activité, l'activité, cliquez cliquezICI ICI!! • La lithosphère est en équilibre isostatique sur l’asthénosphère. • Les différences d’altitude moyenne entre les continents et les océans s’expliquent par des différences crustales : les variations d'altitude sont compensées par des variations verticales de l'épaisseur de la croûte. • A un relief positif correspond donc une racine de croûte continentale importante permettant de supporter la charge pondérale en surplus. C. La densité de la Croute continentale Croute continentale : majorité de roches métamorphiques (type gneiss) et de roches plutoniques (granitoïdes) d’âge variable qui constituent le socle des continents. Ce socle est souvent masqué par une pellicule de roches sédimentaires (1 à 3 km d’épaisseur) 2,5 < d granite < 2,7 2,6 < d gneiss < 2,8 3,2 < d péridotite < 3,4 Ces mesures de densités permettent de valider le modèle d’Airy : c’est bien la différence de densité entre la croute et le manteau qui permet à une profondeur donnée l’équilibre des pressions La densité de la CC est liée à la composition minéralogique, donc chimique, des roches la constituant Ca AlSi3O8 2 1 Si ; Al ; O ; Na ; K ; Ca ; Fe ; Mg La croûte continentale (CC) a une composition granitique : silicatée riche en Si, Na et K pauvre en Fe, Mg et Ca • La croute continentale est constituée à 95 % de granite et de gneiss. Ces roches représentatives de la croute continentale, les granitoïdes, sont composées de quartz, de micas et de feldspath. Leur densité est de 2,7 en moyenne. • Les différences de densité entre la croute continentale et le manteau permettent à la lithosphère d’être en équilibre (isostasie) sur l’asthénosphère. • Ainsi, la croute continentale est d’une épaisseur plus grande que la croute océanique. Sous les montagnes, qui sont des reliefs positifs, on trouve en profondeur une importante racine crustale. II - L’âge de la croute continentale IlIlfallut fallutattendre attendrela ladécouverte découvertede de la la radioactivité radioactivitépar parMarie Marieet etPierre PierreCurie, Curie,au au début débutdu du20 20eesiècle, siècle,pour pouravoir avoirun unoutil outil permettant permettantd’obtenir d’obtenirdes desâges âgesabsolus, absolus,et et de dedéterminer déterminerl’âge l’âgede denotre notreplanète. planète.Cet Cet outil : outil :la ladatation datationradiométrique radiométrique== méthode méthodede dedatation datationabsolue. absolue. A. Rappels • Noyau = protons + neutrons toute la masse de l’atome • Z = nb d’électrons = nb de protons = n° atomique • A = nb de masse = nb de nucléons (p + n) • Isotopes : formes d’un même élément, de même Z mais de masse atomique différente. • Exemple : le C a 3 isotopes : 12C, 13C et 14C ; seul le 14C est un isotope radioactif. B. Le principe de la datation radiométrique • La datation absolue des roches magmatiques et métamorphiques repose sur la présence d’éléments radioactifs incorporés dans les minéraux lors de la formation de la roche. • A partir de là, les éléments évoluent sans interaction avec l’extérieur (système fermé). • Date obtenue = date de la fermeture du système. Réaction de désintégration : un élément père Po se transforme progressivement en un élément fils F. La valeur du rapport F sur P est donc fonction du temps de désintégration Principe général : mesurer la quantité d’élément père restant (P) et de l’élément fils (F) présent dans le minéral ou la roche. Quel que soit le couple utilisé, la désintégration suit une courbe exponentielle de la forme : P = Po.exp(- t) Or, Po est inconnu, mais Po = P + F ; donc : P = (P + F).exp(- t) exp( t) = 1 + F/P d’où : t = 1 /. ln (1 + F/P) • = constante de désintégration : traduit la vitesse à laquelle se fait la désintégration. Dire que celle du 87Rb est de 1,42.10 -11 /an signifie que pour 1g de 87Rb 1,42.10 -11 grammes se désintègrent par an. • Demi-vie = période = temps nécessaire pour que la moitié de l'élément parent soit désintégrée. • Réalisation et qualité de la datation dépendent : – de la qualité et la pertinence de l’échantillon utilisé (période de l’isotope choisi) – La datation n’est valide que si : (1/100).T < t < 10.T C. La méthode Rubidium-Strontium • 87Rb* 87Sr stable • Période presque 50 Ga datation des roches les plus anciennes. • Problème : présence de 87Sr à t=0 (87Sro) dans l’équation : t = 1 /. ln (1 + 87Srd/87Rb) Srd = 87Sr issu de la désintégration du Rb 87 Srd = 87Sr mesuré - 87Sro 87 Donc on a 2 inconnues : 87Sro et t Résolution On utilise 86Sr, stable au cours du temps. Pour chaque minéral deux rapports évoluent parallèlement : Sr/86Sr par suite de l’enrichissement en 87Sr 87 Rb/86Sr du fait de la désintégration du 87Rb 87 • On mesure 87Rb/86Sr et 87Sr/86Sr dans plusieurs minéraux de la même roche à dater graphe 87Sr/86Sr = f(87Rb/86Sr) droite isochrone, d’équation : [87Sr/86Sr] = t.[87Rb/86Sr] + [87Sro/86Sr] Sro/86Sr, rapport initial des deux isotopes du Strontium, nous est donné par l’ordonnée à l’origine (à t=0, il n’y avait pas de 87Sr issu de la désintégration du 87Rb). • La pente de la droite a permet de calculer t : a = t t=a/ • 87 Exemple : a = 0.004 et = 1,42.10 -11 /an t = 281,7 Ma La datation des roches par radiochronologie a permis de voir que l’âge de la croûte océanique n’excède pas 200 Ma alors que la croûte continentale date, a certains endroits, de plus de 4 Ga. III - Un raccourcissement de la croute continentale à l’origine des reliefs Pelvoux, Massif des Ecrins A. Des indices tectoniques Ama Dablam, massif de l'Himalaya Les chaines de montagnes sont caractérisées par des reliefs élevés… Reliefs compensés en prof par une racine crustale Profil ECORS des Alpes et schéma d'interprétation (Bordas, SVT TS 2003) Plis et failles inverses entraînent un raccourcissement horizontal des terrains et un épaississement de la CC. Le chapeau de Gendarme - Jura Faille inverse, Roche Blanche, Jura Des curiosités… Le champignon de La Cernaise, Jura… Et sa faille… Interprétation ••Plis Plis==déformations déformationscontinues continueset etsouples souples réalisées réaliséesààhaute hautetempérature températurec.à.d. c.à.d.en en profondeur. profondeur. ••Failles Failles==déformations déformationsdiscontinues discontinueset et cassantes cassantesréalisées réaliséesàà basse bassetempérature, température, c.à.d. c.à.d.vers versla lasurface. surface.Elles Ellessont sont responsables responsablesdu dudéplacement déplacementrelatif relatifde de deux deuxcompartiments. compartiments.Les Lesfailles faillesinverses inverses témoignent témoignentd’un d’unraccourcissement raccourcissementde dela la croûte… croûte… Faille de chevauchement Pli simple (déversés) Raccourcissement Charnière Anticlinal Rejet horizontal Synclinal Pli faille Faille de décrochement Rejet horizontal Faille inverse Axe des plis Faille inverse de faible pendage l’un des compartiments peut recouvrir l’autre chevauchement des couches plus anciennes se superposent à des couches plus jeunes contact anormal. Charriage = chevauchement de grande ampleur : plusieurs dizaines de km. Le compartiment chevauchant est la nappe de charriage. Panorama du Lautaret – Hautes Alpes http://christian.nicollet.free.fr/page/Alpes/lautaret.html Plis, failles inverses et charriages se forment sous l’action de forces convergentes entrainant une compression. B. Des indices pétrographiques Roches métamorphiques proviennent de la transformation de R préexistantes sous l’effet de changement des conditions du milieu(P et/ou T° avec/sans eau) formation de nouveaux minéraux à partir des anciens, qui ne sont plus stables dans les nouvelles conditions. Ces transformations se réalisent à l’état solide, sans fusion. RAPPEL : Granite Quartz feldspaths mica noir (biotite) Laboratoire SVT NDG Dans les chaines de montagnes, les roches métamorphiques présentent des indices de compression : Litage : minéraux disposés en lits // Foliation : déformation (aplatissement) qui se manifeste par une orientation préférentielle de certains minéraux. Rq : lits eux-mêmes parfois plissés du fait de la compression Gneiss œillé Laboratoire SVT NDG Echantillon de gneiss 1 lit quartzo-feldspathique 2 lit micacé Blocs de roches métamorphiques près du barrage de la Verne (Var) Certains minéraux peuvent être utilisés comme marqueurs pour déterminer les conditions de formation d’une roche. Ex. la coésite, une forme de quartz, ne se forme qu’à THP et HT, conditions réunies seulement à grandes profondeurs. sa présence dans certaines roches métamorphiques témoigne de leur enfouissement important. Dans Danscertaines certaineschaines chainesde de montagnes, montagnes,des desroches rochescomme comme les les migmatites migmatites témoignent témoignentd’une d’une fusion fusionpartielle partielle(anatexie) (anatexie) avec avec formation formationd’un d’unmagma magmaqui qui recristallise. recristallise. Ceci Cecise seproduit produitsous sousdes desconditions conditions de deP, P,T° T°correspondant correspondantàà ++de de15 15 km kmde deprof. prof.(+ (+de de600°C). 600°C). C’est C’estquoi quoiune une migmatite migmatite?? Le mot “migmatite” fut créé en 1907 par Jakob Johannes Sederholm et signifie littéralement “roche mélangée” (du grec μιγμα migma, mélange) Migmatite = roche hétérogène, à la fois magmatique et métamorphique Elle contient alternativement des niveaux clairs (leucosome) contenant des minéraux pâles (quartz, feldspaths, mica blanc) et des niveaux sombres (mélanosome) composés de minéraux foncés (biotite et amphiboles). http://christian.nicollet.free.fr La nature hétérogène de cette roche peut se rencontrer à toutes les échelles d’observation : • lame mince • échantillon • affleurement Migmatites micro-plissées en Afrique du Sud Ces migmatites montrent clairement leucosomes et mélanosomes. La foliation est ici complètement plissée (plis centimétriques à métriques). http://planet-terre.ens-lyon.fr Comment Commentse seforment formentces ces roches roches?? Leur Leurgenèse genèseest estliée liéeààune unefusion fusion partielle partielle(= anatexie) (= anatexie)de deroches roches type typegneiss gneissou oumicaschistes. micaschistes. Pourquoi Pourquoiça çafond fond?? Et Etça çadonne donnequoi quoi?? L’épaississement L’épaississementde dela la croûte croûte continentale continentaleest esttel telque queles leszones zones profondes profondessont sontààdes desT° T°élevées élevées;;de de plus plusla laT° T°augmente augmenteaussi aussidu dufait faitde delala désintégration désintégrationde dela lagrande grandeqté qtéde de radioéléments. radioéléments.Cette Cetteaugmentation augmentationde de T° T°va vainduire induirela lafusion fusionpartielle partiellede dela la roche-mère roche-mère L’ordre L’ordrede defusion fusiondes desminéraux minérauxétant étant l’inverse l’inversede deleur leurordre ordrede decristallisation*, cristallisation*, les lesparties partiesfondues fonduesconstituent constituentun un magma magmade decomposition compositiongranitique granitiquequi qui migre migrepeu peuet eten enrefroidissant refroidissant zones zones claires clairesriches richesen enquartz quartz++feldspaths. feldspaths. Les Lesparties partiesrestant restantsolides solidesconstituent constituentle le restat restat(mélanosome) (mélanosome)appauvri appauvrien enquartz quartz et etfeldspaths feldspathset etenrichi enrichi(par (pardifférence) différence) en enminéraux minérauxferromagnésiens ferromagnésienssombres sombres (biotites (biotiteset/ou et/ouamphiboles)… amphiboles)… *Voir suite réactionnelle de Bowen, ci-après… Les Les migmatites migmatites sont sont donc donc des des roches roches métamorphiques métamorphiques issues issues d'anatexie d'anatexie crustale crustale partielle. partielle. On On les les appelle appelle aussi aussi anatexites. anatexites. Remarques • Le début de la fusion dépend de nombreux facteurs : – – – – T° bien sûr Composition chimique des roches en présence Pression totale Présence + quantité de vapeur d'eau (baisse du point de fusion) • La destinée du liquide formé peut être diverse : – il reste avec les résidus solides formation de migmatites – il peut, dans certains cas, se séparer du résidu non fondu et migrer vers le haut, s'injecter en « diapirs » dans les roches encaissantes : formation de granites d’anatexie. En Enrésumé résumé Epaississement Epaississementcrustal crustal perturbations perturbationsthermiques thermiques T° T° fusion fusionpartielle partielle liquide liquide magmatique magmatique 11partie partiese sesolidifie solidifiedans dansla laroche roche d’origine d’origine migmatites. migmatites. 11autre autrepartie partiemigre migrevers versla la surface surface granites granitesplus plussuperficiels superficiels (granites (granitesd’anatexie). d’anatexie). Sous l’effet de contraintes convergentes, la CC est déformée et cassée en écailles qui s’empilent ; son raccourcissement et son épaississement sont à l’origine des reliefs et des racines crustales. Dans celle-ci les roches portées en profondeur à HP et HT subissent des transformations minéralogiques. Ces contraintes résultent de l’affrontement de 2 Lithosphères continentales c.à.d. d’une collision entre 2 plaques convergentes. On On peut peut donc donc se se demander demander dans dans quel quel contexte contexte se se forment forment les les chaînes chaînes de de montagnes montagnes ?? Ce Ce sera sera le le sujet sujet du du prochain prochain chapitre… chapitre… Sources • • • • • • • • • • • • • • http://svt.ac-montpellier.fr/spip/spip.php http://www.svt.ac-versailles.fr http://rigaudvelt.free.fr/BAC_ecrit/2004/04_noumea.htm http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/topography/isostas http://planet-terre.ens-lyon.fr http://christian.nicollet.free.fr http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/intro.pt/planete_terre.html http://www.svt.ac-versailles.fr/ http://gloubiweb.free.fr/cliparts.htm C. Pomerol et al., Eléments de Géologie, Dunod, 12 e éd., 2000 P. Peycru et al., Géologie BCPST 1ère et 2ème année, Dunod, 2008 A. Foucault et JF Raoult, Dictionnaire de Géologie, Dunod, 2005 L. Emmanuel et al., Géologie Maxi-Fiches, Dunod, 2011 M. Mattauer, Ce que disent les pierres, Belin, 1998 Caractéristiques du domaine continental Réalisation Sylvie Magdelaine Avec (ordre alphabétique) Ama Dablam Briançonnais Gneiss Granite Himalaya Massif du Jura Massif du Mt Blanc Migmatite Parc des Ecrins Pelvoux Photos de l’auteur sauf diapos 37, 47, 52, 58 et 60 AAbientôt bientôt!!
