II - Retour sur le modèle de Wegener 30 ans après son abandon: l’étude des océans relance le débat Faute de connaissance suffisante sur la structure et le fonctionnement de la planète Terre, la théorie de la dérive des continents est abandonnée à la fin des années 1920. Dans les années 1950, de nouvelles données océanographiques et sismiques vont relancer l'hypothèse d'une mobilité́ des continents. En quoi les avancées techniques ont permis de préciser le modèle de tectonique des plaques ? 1. Faits et observations: l’hypothèse d’une expansion océanique Au tournant des années 1950-1960, plusieurs observations réactualisent l’hypothèse d’une mobilité horizontale des continents (idées mobilistes à « Wegenérienne ») L’étude des océans relance le débat: • Les mesures bathymétriques révèlent de vastes reliefs: topographie Dans les années 1960, les techniques de sismique réflexion montrent la présence de dorsales, de fosses et de fractures. Ø Allez sur le site NOAA : http://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/bathymetry/ - décliquez « multibeams batymétric survey » centrez sur l’atlantique nord dans « Basemap » choisir un affichage dans « option » afficher « bathymetry contours » zoomez puis se déplacer d’une côte à l’autre et notez les reliefs caractéristiques recommencez sur la côte ouest de l’Amérique du sud (au niveau des Andes) Ø et une vidéo : https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=yxFazy_vDhE Dans les années 1950, des campagnes océanographiques révèlent que trois structures principales caractérisent la topographie des reliefs sous-marins : - les marges continentales, constitué d'un plateau peu profond prolongé par un talus qui descend jusqu'aux plaines abyssales, ou bordée d'une fosse océanique très profonde. - les plaines abyssales vers 4000 à 5000 m de profondeur. - les dorsales océaniques (chaîne de montagnes sous-marines de plus de 60 000 km de long). • Les dorsales sont le siège d’une importante dissipation de chaleur : flux thermique Ø Doc 1a page 134 Ø Doc1 page 168/169 (tomographie sismique) Ces mesures ont montré que la température était plus élevée au niveau des dorsales et diminue progressivement en s’éloignant de l’axe de la dorsale. Il y a donc au niveau des dorsales une source de chaleur. (Magma?) Ces données conduisent à proposer en 1962 un modèle d’expansion océanique proposant l’idée selon laquelle la croûte océanique est formée en permanence au niveau des dorsales suite à une remontée de matériel chaud. (Magma?) Ø Vidéo : (0à 2.36 minutes) : https://www.youtube.com/watch?v=Ls7V7vxyz-E 2. Théorie de Hess: l’expansion océanique ou accrétion océanique Hess fait la synthèse des données scientifiques disponibles et formule l'hypothèse d'une expansion océanique : Le manteau terrestre est animé de mouvements de matière (convection), sous l'action de ces courants de convection circulant dans le manteau terrestre, la croûte océanique se forme au niveau des dorsales, s'en éloigne et finalement disparaît̂ au niveau des fosses. Le flux thermique au niveau des dorsales mettrait en évidence un courant ascendant chaud. Il y a un mouvement continu d’écartement de part et d’autre de la dorsale. Ø Doc 2 page 134/135 Ø Vidéo : (2.36 à 5.00 minutes) : https://www.youtube.com/watch?v=Ls7V7vxyz-E 3. L’expansion océanique se confirme: a) les arguments paléo magnétiques En 1963, cette hypothèse est confirmée grâce à l’étude des anomalies magnétiques de part et d’autre des dorsales. Le champ magnétique terrestre peut être fossilisé dans des roches comme basalte, qui enregistrent, au moment de leur formation, les caractéristiques du champ. La mise en évidence de bandes d'anomalies magnétiques symétriques par rapport à l'axe des dorsales océaniques, corrélée avec le phénomène d'inversion des pôles magnétiques, est interprétée comme des marqueurs de l'expansion océanique. Le plancher océanique est donc bien en expansion à la manière d'un double tapis roulant, de part et d’autre de la dorsale. Le moteur de cet expansion serait les mouvements de convection mis en évidence dans le manteau. Ces anomalies permettent de mettre en évidence une symétrie par rapport à l’axe de la dorsale et par suite de calculer des vitesses d’expansion océanique (4 cm/an pour la dorsale Atlantique Nord) Les inversions magnétiques sont liées au champ magnétique terrestre et à son changement périodique de polarité au cours des temps géologiques. Phénomène découvert en 1905, certaines roches (volcaniques par ex.) sont capables de garder en mémoire la direction du champ magnétique de la Terre à l’époque de leur formation. L’anomalie est positive si le champ mémorisé était dans le même sens que l’actuel, négative si inverse. Ø Doc page 136/137 Ø Paléomagnétisme, principe : http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/magnetisme.terr.html Ø Vidéo (5.10à9.50) : https://www.youtube.com/watch?v=Ls7V7vxyz-E Ø Animation expansion : http://www.biologieenflash.net/animation.php?ref=geo-0014-1 Ø Animation commentée : https://www.youtube.com/watch?v=pYc6oboHmzM Ø Auto-évaluation : https://www.education-etnumerique.fr/0.3/activity/embed.html?id=548ab12a3361eb3a3770cb32 Le calendrier géologique des inversions paléomagnétiques étant connu, il devient possible de mesurer la vitesse d'expansion de l'océan. Pour aller plus loin calculer une vitesse d’expansion : exercice 3 page 153, 7 page 155 AIDE : https://www.youtube.com/watch?v=EAAM9bPzh-o b) le fonctionnement des dorsales : Ø Vidéo (début) : https://www.youtube.com/watch?v=ARQvs-RaWFI - Un exemple de TP (corrigé) : http://cochard.svt.free.fr/premS/tecto/TP5magmatDorsaleCorr.pdf - Un autre exemple : http://stefserpeaud.free.fr/mapage15/tp6-magmatisme-dorsales-oc-anques-2013.pdf Ø Doc page 168/169/167 Les données sismiques montrent également la présence de roches partiellement fondues sous les dorsales. A ce niveau, l’isotherme 1300°C est très proche de la surface, ce qui traduit un amincissement de la lithosphère et une remontée de l’asthénosphère. Cette remontée provoque une décompression des péridotites du manteau et leur fusion partielle Le magma ainsi produit a une composition différente de la péridotite dont il est issu. Une partie du magma refroidit en profondeur et forme des gabbros. Le magma arrivant à la surface refroidit rapidement, à l’origine des basaltes. Sous les dorsales, des mouvements de convection ascendants entrainent une remontée d’asthénosphère (ì de l’isotherme 1300°C). La diminution de la pression (liée à la remontée) à une fusion partielle de la péridotite. Le magma obtenu, moins dense remonte et s’accumule dans une chambre magmatique Une partie du magma gagne la surface et refroidit instantanément au contact de l’eau à roche volcanique incomplètement cristallisée (microlithique) = basalte Une partie refroidit plus lentement dans les filons et sur les parois de la chambre à roche plutonique entièrement cristallisée (grenue) = gabbro Le « jus résiduel » (= péridotite - minéraux ayant formés le magma basaltique)à péridotite appauvrie de la base de la croûte océanique. . Ces données récentes confirment qu’une lithosphère océanique nouvelle est produite en permanence au niveau des dorsales. c. L'apport des données sismiques au niveau des fosses océaniques • La répartition des séismes Ø Doc 1 page 138/139 Les fosses ont été suspectées en 1960 comme étant des zones où la croûte océanique retourne dans le manteau… Depuis 1940, les géologues savaient que les foyers sismiques au niveau des fosses océaniques étaient localisés selon un plan incliné. (C’est le plan de Wadati-Benioff). Dans ces zones les foyers des séismes sont anormalement profonds (jusqu’à 700 Km), or nous savons que les séismes ne peuvent se mettre en place que dans du matériel cassant, rigide (lithosphère dont l’épaisseur = +/- 100Km). On doit donc interpréter ces séismes comme la matérialisation du plongement d’un matériel cassant = une portion de lithosphère océanique. En 1967, on considère que ce plan incliné correspond à un lambeau de matériel froid et rigide s’enfonçant dans le manteau. Ce plan serait constitué de croûte et de la partie superficielle du manteau, ce qui constitue la lithosphère. Au niveau des fosses océaniques, la lithosphère s’enfonce dans l’asthénosphère, plus chaude et déformable. C’est le phénomène de SUBDUCTION • La tomographie sismique Ø Doc 2 page 138/139 ; 1 page 140 et 2, 3, 4 page 170/171 En 1964, on constate que les ondes sismiques se propagent plus rapidement le long de se plan que dans le manteau qui l’entoure. à Matériel plus rigide. Les études de tomographie sismique (étude de la vitesse de déplacement des ondes sismiques) confirment une accélération des ondes au niveau du plan de wadati-Benioff, ces observations complètent les études du flux thermique qui avaient montré une anomalie négative (matériel froid) au niveau des fosses. On interprète ces anomalie comme le plongement d’un matériel froid et cassant = lithosphère océanique. Ø Vidéo (9.50 à 12.50) : https://www.youtube.com/watch?v=Ls7V7vxyz-E • Bilan La LVZ (Low Velocity Zone) est une zone entre 100 et 200 km de profondeur où les vitesses des ondes P et S sont plus faibles = discontinuité entre un matériel supérieur rigide et cassant et un matériel inférieur plus ductile Elle correspond à l’isotherme 1300°C, au dessus duquel les péridotites du manteau sont rigides et au dessous duquel elles deviennent déformables. Cette zone définit la limite entre: • La lithosphère cassante constituée de croûte et de manteau supérieur. • L’asthénosphère ductile constituée de manteau supérieur. La lithosphère rigide apparaît donc mobile au-dessus de l’asthénosphère ductile, la limite entre ces deux enveloppes correspondant à l'isotherme 1300°C. Vidéo (12.50 àfin) : https://www.youtube.com/watch?v=Ls7V7vxyz-E Lexique : Dorsale océanique : relief océanique allongé, de profondeur moyenne de 1500 m et dominant les plaines abyssales. Expansion océanique : augmentation de surface d'une plaque à la suite d'un phénomène d'accrétion océanique qui crée de la lithosphère océanique au niveau d'une dorsale. Flux thermique : quantité́ de chaleur émise par le sol et par unité́ de surface. Fosses océaniques : zone étroite et allongée ou la profondeur des fonds océaniques atteints son maximum (compris entre 7000 et 11 000 m de profondeur). LVZ : discontinuité entre la lithosphère et l’asthènosphère (isotherme 1300°C) Plan de Wadati-Benioff : plan virtuel incliné le long duquel se positionnent les foyers des séismes des zones de subduction. Il matérialise le plongement de la lithosphère océanique dans l’asthénosphère Plaque lithosphérique : portion de la lithosphère rigide et peu déformable en mouvement au-dessus de l’asthénosphère plus ductile. Subduction : mouvement de convergence au cours duquel de la lithosphère, le plus souvent océanique, s'enfonce sous une autre lithosphère. Tomographie sismique : étude de la vitesse de propagation des ondes sismiques (proportionnelle à la température et/ou la rigidité du matériel)