3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents
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A - 5) Processus à la transition lithosphère-asthénosphère http://pageperso.univ-brest.fr/∼grigne C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 1 Plan • 1 - Introduction : rappels • 2 - Lithosphère/Asthénosphère en domaine océanique • 3 - Lithosphère/Asthénosphère en domaine continental C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 2 1 - Introduction • Définitions de lithosphère, asthénosphère, LVZ, manteau supérieur ? C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 3 1 - Introduction • Définitions de lithosphère, asthénosphère, LVZ, manteau supérieur ? ¥ Limite manteau supérieur / manteau inférieur : Transition de phase, visible par des sauts de vitesse des ondes sismiques C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 3 1 - Introduction • Définitions de lithosphère, asthénosphère, LVZ, manteau supérieur ? ¥ Limite manteau supérieur / manteau inférieur : Transition de phase, visible par des sauts de vitesse des ondes sismiques ¥ LVZ : low-velocity zone. Visible également dans le profil des vitesses sismiques. Présente entre 5-100 et 200 km de profondeur. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 3 1 - Introduction • Définitions de lithosphère, asthénosphère, LVZ, manteau supérieur ? ¥ Limite manteau supérieur / manteau inférieur : Transition de phase, visible par des sauts de vitesse des ondes sismiques ¥ LVZ : low-velocity zone. Visible également dans le profil des vitesses sismiques. Présente entre 5-100 et 200 km de profondeur. ¥ Asthénosphère : manteau supérieur non-lithosphérique, de 5-100 km à 670 km de profondeur. (certains considèrent que c’est seulement la LVZ.) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 3 1 - Introduction • Définitions de lithosphère, asthénosphère, LVZ, manteau supérieur ? ¥ Limite manteau supérieur / manteau inférieur : Transition de phase, visible par des sauts de vitesse des ondes sismiques ¥ LVZ : low-velocity zone. Visible également dans le profil des vitesses sismiques. Présente entre 5-100 et 200 km de profondeur. ¥ Asthénosphère : manteau supérieur non-lithosphérique, de 5-100 km à 670 km de profondeur. (certains considèrent que c’est seulement la LVZ.) ¥ Lithosphère : définie d’abord par les profils sismiques (zone au-dessus de la LVZ), puis définition thermique : zone dans laquelle la chaleur se propage par conduction = couche limite thermique supérieure pour la convection mantellique. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 3 1 - Introduction • Définitions de lithosphère, asthénosphère, LVZ, manteau supérieur ? ¥ Limite manteau supérieur / manteau inférieur : Transition de phase, visible par des sauts de vitesse des ondes sismiques ¥ LVZ : low-velocity zone. Visible également dans le profil des vitesses sismiques. Présente entre 5-100 et 200 km de profondeur. ¥ Asthénosphère : manteau supérieur non-lithosphérique, de 5-100 km à 670 km de profondeur. (certains considèrent que c’est seulement la LVZ.) ¥ Lithosphère : définie d’abord par les profils sismiques (zone au-dessus de la LVZ), puis définition thermique : zone dans laquelle la chaleur se propage par conduction = couche limite thermique supérieure pour la convection mantellique. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 3 1 - Introduction • Définitions de lithosphère, asthénosphère, LVZ, manteau supérieur ? ¥ Limite manteau supérieur / manteau inférieur : Transition de phase, visible par des sauts de vitesse des ondes sismiques ¥ LVZ : low-velocity zone. Visible également dans le profil des vitesses sismiques. Présente entre 5-100 et 200 km de profondeur. ¥ Asthénosphère : manteau supérieur non-lithosphérique, de 5-100 km à 670 km de profondeur. (certains considèrent que c’est seulement la LVZ.) ¥ Lithosphère : définie d’abord par les profils sismiques (zone au-dessus de la LVZ), puis définition thermique : zone dans laquelle la chaleur se propage par conduction = couche limite thermique supérieure pour la convection mantellique. Base de la lithosphère : isotherme 1300◦ C. L’olivine devient ductile sous cette limite. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 3 1 - Introduction Discontinuités chimiques continent océan croute Discontinuités thermo−mécaniques (km) 0 10 40 MOHO manteau manteau lithosphérique lithosphère 100−200 LOW VELOCITY ZONE manteau asthénosphérique C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère asthénosphère 4 1 - Introduction Importance de la LVZ pour la tectonique des plaques : couche peu visqueuse qui permet le mouvement des plaques (Turcotte & Oxburgh, 1969) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 5 1 - Introduction : couche limite thermique • Milieu convectif : Tf CONDUCTION Fluide bien mélangé ADVECTION Ti Tc CONDUCTION Couches limites thermiques T0 δ δ Ti C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère Tb 6 1 - Introduction : couche limite thermique • Milieu convectif : ¥ Proche des bords horizontaux : vitesse verticale nulle. ¥ La chaleur ne peut plus être transportée par convection : couches limites thermiques où la chaleur est échangée par conduction. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 6 1 - Introduction : couche limite thermique • Les couches limites thermiques ne sont pas d’épaisseur fixe. Ra=105 H=0 Profil de température 1.00 1.0 0.8 Profondeur 0.75 0.50 0.25 0.6 0.4 0.2 0.5 1.0 1.5 2.0 0.0 −0.50 −0.25 0.00 0.25 0.50 Température −0.50 −0.25 0.00 0.25 0.50 Température convection peu vigoureuse, à nombre de Rayleigh faible : rouleaux de convection C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 7 1 - Introduction : couche limite thermique • Les couches limites thermiques ne sont pas d’épaisseur fixe. 2 3 2 3 4 5 6 7 4 5 6 7 8 100 75 50 25 2 0 −2 dorsale subduction 0 dorsale Vitesse, cm.an−1 Flux, mW.m−2 1 1.0 0.5 1 0.00 0.25 0.50 0.75 8 1.00 Température modèle avec une rhéologie donnant des plaques C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 7 1 - Introduction : couche limite thermique • Les couches limites thermiques ne sont pas d’épaisseur fixe. • Modèle d’épaississement des couches limites thermiques : Epaississement de la C.L. δ C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 7 1 - Introduction : couche limite thermique • Les couches limites thermiques ne sont pas d’épaisseur fixe. • Modèle d’épaississement des couches limites thermiques : ¥ modèle de conduction thermique sur un demi-espace semi-infini (half-space cooling model, e.g. Turcotte & Oxburgh, 1969) ∂T ∂2T = κ ∂t ∂z 2 t=0 avec conditions limites Ts z=0 t Ti z C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 7 1 - Introduction : couche limite thermique • Les couches limites thermiques ne sont pas d’épaisseur fixe. • Modèle d’épaississement des couches limites thermiques : ¥ modèle de conduction thermique sur un demi-espace semi-infini (half-space cooling model, e.g. Turcotte & Oxburgh, 1969) ∂T ∂2T = κ ∂t ∂z 2 t=0 avec conditions limites Ts z=0 t Ts Ti T Ti t=0 t=0 z C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère z 7 1 - Introduction : couche limite thermique • Les couches limites thermiques ne sont pas d’épaisseur fixe. • Modèle d’épaississement des couches limites thermiques : ¥ modèle de conduction thermique sur un demi-espace semi-infini (half-space cooling model, e.g. Turcotte & Oxburgh, 1969) ∂T ∂2T = κ ∂t ∂z 2 t=0 avec conditions limites Ts z=0 t Ts Ti T Ti t>0 t>0 z C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère z 7 1 - Introduction : couche limite thermique • Les couches limites thermiques ne sont pas d’épaisseur fixe. • Modèle d’épaississement des couches limites thermiques : ¥ modèle de conduction thermique sur un demi-espace semi-infini (half-space cooling model, e.g. Turcotte & Oxburgh, 1969) ∂T ∂2T = κ ∂t ∂z 2 t=0 avec conditions limites Ts z=0 t Ts Ti T Ti t>0 t>0 z C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère z 7 1 - Introduction : couche limite thermique • Les couches limites thermiques ne sont pas d’épaisseur fixe. • Modèle d’épaississement des couches limites thermiques : ¥ modèle de conduction thermique sur un demi-espace semi-infini (half-space cooling model, e.g. Turcotte & Oxburgh, 1969) Profondeur, km ∂T ∂2T = κ ∂t ∂z 2 avec conditions limites 0 50 100 0 1000 2000 3000 Distance, km 250 500 750 1000 1250 1500 Température, C C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 7 1 - Introduction : couche limite thermique • Les couches limites thermiques ne sont pas d’épaisseur fixe. • Modèle d’épaississement des couches limites thermiques : ¥ modèle de conduction thermique sur un demi-espace semi-infini (half-space cooling model, e.g. Turcotte & Oxburgh, 1969) ∂T ∂2T = κ ∂t ∂z 2 ¥ avec conditions limites Ce modèle donne un flux de chaleur qui diminue avec l’âge τ de la plaque : k ∆T q(τ ) = √ πκτ k : conductivité thermique ∆T : saut de température κ : diffusivité thermique C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 7 1 - Introduction : couche limite thermique • Les couches limites thermiques ne sont pas d’épaisseur fixe. • Modèle d’épaississement des couches limites thermiques : ¥ modèle de conduction thermique sur un demi-espace semi-infini (half-space cooling model, e.g. Turcotte & Oxburgh, 1969) ∂T ∂2T = κ ∂t ∂z 2 ¥ Ce modèle donne un flux de chaleur qui diminue avec l’âge τ de la plaque : k ∆T q(τ ) = √ πκτ ¥ ¥ avec conditions limites k : conductivité thermique ∆T : saut de température κ : diffusivité thermique √ La couche limite thermique s’épaissit en δ(τ ) ∼ κ τ . √ On peut montrer que la bathymétrie évolue aussi en κ τ . C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 7 • 1 - Introduction : rappels • 2 - Lithosphère / Asthénosphère en domaine océanique • 3 - Lithosphère / Asthénosphère en domaine continental C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 8 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans (Parsons and Sclater, 1977) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 9 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans (Parsons and Sclater, 1977) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 9 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Modèle en τ 1/2 : modèle de demi-espace semi-infini (Turcotte & Oxburgh, 1969) → implique que la lithosphère s’épaissit indéfiniment. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 10 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Modèle en τ 1/2 : modèle de demi-espace semi-infini (Turcotte & Oxburgh, 1969) → implique que la lithosphère s’épaissit indéfiniment. • Modèle de plaque (Mc Kenzie, 1967) → impose une épaisseur de plaque constante. → implique une température fixe à une certaine profondeur. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 10 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Modèle en τ 1/2 : modèle de demi-espace semi-infini (Turcotte & Oxburgh, 1969) → implique que la lithosphère s’épaissit indéfiniment. • Modèle de plaque (Mc Kenzie, 1967) → impose une épaisseur de plaque constante. → implique une température fixe à une certaine profondeur. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 10 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Les deux modèles, demi-espace et plaque, donnent un flux de chaleur infini à la ride. • Seul le modèle de demi-espace permet de calculer un flux moyen (l’intégrale de √ 1/ τ est définie en τ = 0). Le modèle de plaque donne un flux moyen infini. • Le modèle de plaque explique mieux les données pour τ > 70-80 Ma. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 11 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Les deux modèles, demi-espace et plaque, donnent un flux de chaleur infini à la ride. • Seul le modèle de demi-espace permet de calculer un flux moyen (l’intégrale de √ 1/ τ est définie en τ = 0). Le modèle de plaque donne un flux moyen infini. • Le modèle de plaque explique mieux les données pour τ > 70-80 Ma. • Vers le début des années 70, - le modèle de demi-espace est préféré pour des âges τ < 70-80 Ma, - le modèle de plaque est préféré pour les âges plus vieux. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 11 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Les deux modèles, demi-espace et plaque, donnent un flux de chaleur infini à la ride. • Seul le modèle de demi-espace permet de calculer un flux moyen (l’intégrale de √ 1/ τ est définie en τ = 0). Le modèle de plaque donne un flux moyen infini. • Le modèle de plaque explique mieux les données pour τ > 70-80 Ma. • Vers le début des années 70, - le modèle de demi-espace est préféré pour des âges τ < 70-80 Ma, - le modèle de plaque est préféré pour les âges plus vieux. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 11 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Parsons & Sclater, 1977 : le modèle de plaque, qui implique un flux de chaleur constant pour les âges supérieurs à 80 Ma, pourrait être expliqué par une convection de petite échelle (SSC: Small Scale Convection) qui apporte du flux de chaleur sous la lithosphère âgée. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 12 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Parsons & Sclater, 1977 : le modèle de plaque, qui implique un flux de chaleur constant pour les âges supérieurs à 80 Ma, pourrait être expliqué par une convection de petite échelle (SSC: Small Scale Convection) qui apporte du flux de chaleur sous la lithosphère âgée. • Parsons and McKenzie, 1978 : proposent les bases théoriques pour décrire cette convection de petite échelle, à partir des équations développées par Howard (1966). C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 12 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Principe : - il existe un nombre de Rayleigh de couche limite Raδ pour la couche limite α : expansion thermique ρ : densité Raδ = 3 αρ g ∆Tcl δcl κη κ : diffusivité thermique η : viscosité ∆Tcl : saut de température au travers de la couche lim. δcl : épaisseur de la couche lim. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 13 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Principe : - il existe un nombre de Rayleigh de couche limite Raδ pour la couche limite α : expansion thermique ρ : densité Raδ = 3 αρ g ∆Tcl δcl κη κ : diffusivité thermique η : viscosité ∆Tcl : saut de température au travers de la couche lim. δcl : épaisseur de la couche lim. - La couche limite est déstabilisée quand ce nombre Raδ dépasse une valeur critique. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 13 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Principe : - il existe un nombre de Rayleigh de couche limite Raδ pour la couche limite α : expansion thermique ρ : densité Raδ = 3 αρ g ∆Tcl δcl κη κ : diffusivité thermique η : viscosité ∆Tcl : saut de température au travers de la couche lim. δcl : épaisseur de la couche lim. - La couche limite est déstabilisée quand ce nombre Raδ dépasse une valeur critique. - Dans un modèle de demi-espace, ∆Tcl = constante. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 13 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Principe : - il existe un nombre de Rayleigh de couche limite Raδ pour la couche limite α : expansion thermique ρ : densité Raδ = 3 αρ g ∆Tcl δcl κη κ : diffusivité thermique η : viscosité ∆Tcl : saut de température au travers de la couche lim. δcl : épaisseur de la couche lim. - La couche limite est déstabilisée quand ce nombre Raδ dépasse une valeur critique. - Dans un modèle de demi-espace, ∆Tcl = constante. - La valeur critique est atteinte quand δcl dépasse une valeur critique. → la couche limite devient trop épaisse et instable à un âge donné (∼ 80 Ma). C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 13 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Mesures du flux de chaleur plus précises dans les années 80-90 : confirment que le modèle de demi-espace ne fonctionne pas pour les âges supérieurs à 80 Ma (e.g. Lister et al., 1990). C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 14 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Mesures du flux de chaleur plus précises dans les années 80-90 : confirment que le modèle de demi-espace ne fonctionne pas pour les âges supérieurs à 80 Ma (e.g. Lister et al., 1990). • Les expériences en laboratoire et les simulations numériques confirment que la convection de petite échelle apparaît quand la viscosité dépend de la température. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 14 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans Expérience en laboratoire de Davaille et Jaupart (1994) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 15 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans Expérience en laboratoire de Davaille et Jaupart (1994) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 15 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans Expérience en laboratoire de Davaille et Jaupart (1994) • Avec une viscosité qui dépend de la température : ¥ couche rigide, très visqueuse, proche de la surface. ¥ l’intérieur du fluide convecte, est bien mélangé, avec une viscosité homogène. ¥ Entre ces deux milieux : viscosité modérée C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 15 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans Expérience en laboratoire de Davaille et Jaupart (1994) • Avec une viscosité qui dépend de la température : ¥ couche rigide, très visqueuse, proche de la surface. ¥ l’intérieur du fluide convecte, est bien mélangé, avec une viscosité homogène. ¥ Entre ces deux milieux : viscosité modérée → couche instable qui peut être affectée par de la convection de petite échelle. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 15 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans Expérience en laboratoire de Davaille et Jaupart (1994) • Avec une viscosité qui dépend de la température : ¥ couche rigide, très visqueuse, proche de la surface. ¥ l’intérieur du fluide convecte, est bien mélangé, avec une viscosité homogène. ¥ Entre ces deux milieux : viscosité modérée → couche instable qui peut être affectée par de la convection de petite échelle. • Notion de ¥ lithosphère mécanique (partie supérieure rigide) ¥ lithosphère thermique (lithosphère mécanique + partie où le gradient de température est fort) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 15 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans (Zaranek et Parmentier, 2004) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 16 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans (Zaranek et Parmentier, 2004) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 16 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans (Davaille et Jaupart, 1994) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 17 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans (Davaille et Jaupart, 1994) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 17 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Théorie physique pour la convection de petite échelle (SSC) (e.g. Davaille et Jaupart, 1994) : ¥ Lithosphère rigide (ou mécanique) : viscosité η > 10 × ηmanteau ¥ Lithosphère thermique = lithosphère rigide + partie affectée par la SSC. ¥ La SSC érode la base de la lithosphère et empêche son épaississement pour les âges supérieurs à 80 Ma. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 18 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Théorie physique pour la convection de petite échelle (SSC) (e.g. Davaille et Jaupart, 1994) : ¥ Lithosphère rigide (ou mécanique) : viscosité η > 10 × ηmanteau ¥ Lithosphère thermique = lithosphère rigide + partie affectée par la SSC. ¥ La SSC érode la base de la lithosphère et empêche son épaississement pour les âges supérieurs à 80 Ma. • Le démarrage de la SSC (∼ 80 Ma) donne des contraintes sur les paramètres physiques de l’asthénosphère. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 18 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Théorie physique pour la convection de petite échelle (SSC) (e.g. Davaille et Jaupart, 1994) : ¥ Lithosphère rigide (ou mécanique) : viscosité η > 10 × ηmanteau ¥ Lithosphère thermique = lithosphère rigide + partie affectée par la SSC. ¥ La SSC érode la base de la lithosphère et empêche son épaississement pour les âges supérieurs à 80 Ma. • Le démarrage de la SSC (∼ 80 Ma) donne des contraintes sur les paramètres physiques de l’asthénosphère. • Si la SSC fournit 45 mW.m−2 de flux de chaleur à la base de la lithosphère, alors : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 18 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Théorie physique pour la convection de petite échelle (SSC) (e.g. Davaille et Jaupart, 1994) : ¥ Lithosphère rigide (ou mécanique) : viscosité η > 10 × ηmanteau ¥ Lithosphère thermique = lithosphère rigide + partie affectée par la SSC. ¥ La SSC érode la base de la lithosphère et empêche son épaississement pour les âges supérieurs à 80 Ma. • Le démarrage de la SSC (∼ 80 Ma) donne des contraintes sur les paramètres physiques de l’asthénosphère. • Si la SSC fournit 45 mW.m−2 de flux de chaleur à la base de la lithosphère, alors : ¥ ¥ Saut de température au travers de la couche de SSC : ∆Tcl ≃ 80 K Viscosité de l’asthénosphère : 4 × 1017 − 3 × 1018 Pa.s C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 18 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Forme proposée pour la SSC : rouleaux de Richter (Richter et Parsons, 1975) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 19 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Pas d’observation claire de cette convection de petite échelle (topographie dynamique ou géoïde). (Wessel et al., 1996) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 20 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Pas d’observation claire de cette convection de petite échelle (topographie dynamique ou géoïde). C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 20 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans Profils entre fosse des Tonga et Hawaii • Données du géoïde (haut) • Tomographie (ondes S) (Katzman, 1998) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 21 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Simulations numériques pour confirmer la présence de ces rouleaux (e.g. Morency et al., 2005) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 22 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Simulations numériques pour confirmer la présence de ces rouleaux (e.g. Morency et al., 2005) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 22 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Simulations numériques pour confirmer la présence de ces rouleaux (e.g. Morency et al., 2005) Surface isotherme à 1380◦ C pour u0 = 2 cm/an au temps t = 100 Ma. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 22 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Simulations numériques pour confirmer la présence de ces rouleaux (e.g. Morency et al., 2005) Surface isotherme à 1380◦ C pour u0 = 2 cm/an au temps t = 135 Ma. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 22 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Simulations numériques pour confirmer la présence de ces rouleaux (e.g. Morency et al., 2005) Surface isotherme à 1380◦ C pour u0 = 2 cm/an au temps t = 188 Ma. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 22 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Lien entre SSC et chaînes volcaniques : ¥ Il existe des alignements de volcans sans distribution claire des âges. 160˚ 170˚ 180˚ 190˚ 200˚ 10˚ 210˚ 220 ˚ Ride de Darwin 0˚ Iles de la Ligne 10˚ −10˚ 0˚ Puka Puka −10 ˚ −20˚ Fiji N lle Calédonie Iles Cook −30˚ 160˚ 170˚ 180˚ 190˚ 200˚ −20 ˚ −30 210˚ ˚ 220 ˚ C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 23 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Lien entre SSC et chaînes volcaniques : ¥ Il existe des alignements de volcans sans distribution claire des âges. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 23 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Lien entre SSC et chaînes volcaniques : ¥ Il existe des alignements de volcans sans distribution claire des âges. ¥ Le manteau sous-lithosphérique est appauvri (harzburgite) et normalement, ne peut pas fondre. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 23 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Lien entre SSC et chaînes volcaniques : ¥ Il existe des alignements de volcans sans distribution claire des âges. ¥ Le manteau sous-lithosphérique est appauvri (harzburgite) et normalement, ne peut pas fondre. ¥ La SSC implique du mélange à la limite lithosphère-asthénosphère, et permet de ramener de la péridotite aux profondeurs où la fusion partielle est possible. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 23 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • Lien entre SSC et chaînes volcaniques : ¥ Il existe des alignements de volcans sans distribution claire des âges. ¥ Le manteau sous-lithosphérique est appauvri (harzburgite) et normalement, ne peut pas fondre. ¥ La SSC implique du mélange à la limite lithosphère-asthénosphère, et permet de ramener de la péridotite aux profondeurs où la fusion partielle est possible. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 23 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 24 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • La fusion est plus tardive quand la température à la ride est plus élevée, car le manteau est alors - plus appauvri, et donc plus déshydraté, - donc plus visqueux → la convection est plus difficile, la lithosphère est plus stable. → la SSC est plus tardive. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 24 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans • La fusion est plus tardive quand la température à la ride est plus élevée, car le manteau est alors - plus appauvri, et donc plus déshydraté, - donc plus visqueux → la convection est plus difficile, la lithosphère est plus stable. → la SSC est plus tardive. • Après fusion due à la SSC : le manteau est appauvri, plus visqueux et la SSC devient plus difficile. → la fusion par SSC est limitée dans le temps. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 24 CRh : Compositional Rheology −> le manteau résiduel est plus visqueux 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 25 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 25 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 25 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 25 2 - Lithosphère / Asthénosphère - Océans Résumé : • Structure relativement simple de la lithosphère océanique, contrôlée par la température et la viscosité. • Notion de lithosphère rigide/mécanique et de lithosphère thermique. ¥ Lithosphère rigide très visqueuse, non affectée par la convection. ¥ Base de la lithosphère thermique probablement affectée par la SSC. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 26 • 1 - Introduction : rappels • 2 - Lithosphère / Asthénosphère en domaine océanique • 3 - Lithosphère / Asthénosphère en domaine continental C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 27 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Estimations très variées de l’épaisseur de la lithosphère continentale : entre 200 et 400 km. • Ces différences sont liées : ¥ aux incertitudes sur les mesures, ¥ au fait que la définition de la lithosphère varie selon la méthode utilisée. • Notation : SCLM = Sub-Continental Lithospheric Mantle C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 28 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Géochimie : SCLM est un réservoir appauvri, résidu de la fusion partielle de l’asthénosphère. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 29 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Géochimie : SCLM est un réservoir appauvri, résidu de la fusion partielle de l’asthénosphère. • Géodynamique / Tectonique : SCLM est la partie rigide du manteau au-dessus de l’asthénosphère. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 29 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Géochimie : SCLM est un réservoir appauvri, résidu de la fusion partielle de l’asthénosphère. • Géodynamique / Tectonique : SCLM est la partie rigide du manteau au-dessus de l’asthénosphère. • Géodynamique / Thermique : SCLM est la base de la couche limite thermique, dont on calcule l’épaisseur par les données de flux de chaleur. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 29 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Géochimie : SCLM est un réservoir appauvri, résidu de la fusion partielle de l’asthénosphère. • Géodynamique / Tectonique : SCLM est la partie rigide du manteau au-dessus de l’asthénosphère. • Géodynamique / Thermique : SCLM est la base de la couche limite thermique, dont on calcule l’épaisseur par les données de flux de chaleur. • Sismologie : la base de la SCLM est la LVZ. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 29 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 30 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Xénolithes et xénocristaux : le SCLM est souvent du même âge que la croûte au-dessus. • Ceci implique que le SCLM se déplace avec les continents. • Définitions de différents ensembles selon leurs âges tectono-thermiques (e.g. Griffin et al., 1999) : ¥ Archons : pas d’événements tectoniques depuis 2.5 Ga ¥ Protons : formés entre 2.5 et 1.0 Ga ¥ Tectons : formés après 1.0 Ga C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 31 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Tomographie ondes S (Grand, 1994) : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 32 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Tomographie ondes S (Grand, 1994) : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 32 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Tomographie ondes S (Grand, 1994) : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 32 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Tomographie ondes S (Grand, 1994) : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 32 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Tomographie ondes S (Grand, 1994) : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 32 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Tomographie ondes S (Grand, 1994) : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 32 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Tomographie ondes S (Grand, 1994) : • Zones de forte vitesse sismique sous la lithosphère continentale, visible jusqu’à ∼300 km, particulièrement sous les cratons anciens. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 32 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Tomographie ondes S (Grand, 1994) : • Zones de forte vitesse sismique sous la lithosphère continentale, visible jusqu’à ∼300 km, particulièrement sous les cratons anciens. • Fortes vitesses sismiques liées à la température ou à la composition ? C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 32 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Les SCLM d’âge archéen ou protérozoïque sont plus froids et plus épais que les SCLM phanérozoïques. ¥ Flux de chaleur faible (e.g. Jaupart et Mareschal, 1999). ¥ Tomographie sismique (e.g Grand, 1987, 1994) ¥ Xénolithes géobaromètres (e.g. Rudnick et al., 1998) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 33 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Les SCLM d’âge archéen ou protérozoïque sont plus froids et plus épais que les SCLM phanérozoïques. ¥ Flux de chaleur faible (e.g. Jaupart et Mareschal, 1999). ¥ Tomographie sismique (e.g Grand, 1987, 1994) ¥ Xénolithes géobaromètres (e.g. Rudnick et al., 1998) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 33 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Les SCLM d’âge archéen ou protérozoïque sont plus froids et plus épais que les SCLM phanérozoïques. ¥ Flux de chaleur faible (e.g. Jaupart et Mareschal, 1999). ¥ Tomographie sismique (e.g Grand, 1987, 1994) ¥ Xénolithes géobaromètres (e.g. Rudnick et al., 1998) • Pour que ce SCLM ait pu être préservé depuis l’Archéen ou le Protérozoïque, il faut qu’il soit chimiquement moins dense que le SCLM plus récent, ou qu’il soit très résistant. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 33 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Des études récentes tendent à montrer que : ¥ l’épaisseur de la lithosphère augmente avec l’âge. (i.e. lithosphère archéenne plus épaisse que lithosphère protérozoïque, elle même plus épaisse que lithosphère phanérozoïque) ¥ le SCLM est d’autant moins dense, chimiquement, que l’âge est grand. (e.g. O’Reilly et al., 2001) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 34 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Des études récentes tendent à montrer que : ¥ l’épaisseur de la lithosphère augmente avec l’âge. (i.e. lithosphère archéenne plus épaisse que lithosphère protérozoïque, elle même plus épaisse que lithosphère phanérozoïque) ¥ le SCLM est d’autant moins dense, chimiquement, que l’âge est grand. (e.g. O’Reilly et al., 2001) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 34 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Des études récentes tendent à montrer que : ¥ l’épaisseur de la lithosphère augmente avec l’âge. (i.e. lithosphère archéenne plus épaisse que lithosphère protérozoïque, elle même plus épaisse que lithosphère phanérozoïque) ¥ le SCLM est d’autant moins dense, chimiquement, que l’âge est grand. (e.g. O’Reilly et al., 2001) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 34 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Question : quels sont les processus qui contrôlent l’épaisseur de la lithosphère continentale ? C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 35 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Question : quels sont les processus qui contrôlent l’épaisseur de la lithosphère continentale ? • Différents phénomènes proposés par Bird (1979) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 35 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Question : quels sont les processus qui contrôlent l’épaisseur de la lithosphère continentale ? • Différents phénomènes proposés par Bird (1979) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 35 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Délamination = perte de tout ou partie de la lithosphère sous-continentale. • Le SCLM phanérozoïque (voire protérozoïque) est plus dense que l’asthénosphère sous-jacente, et peut donc potentiellement plonger. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 36 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Délamination = perte de tout ou partie de la lithosphère sous-continentale. • Le SCLM phanérozoïque (voire protérozoïque) est plus dense que l’asthénosphère sous-jacente, et peut donc potentiellement plonger. • La délamination est proposée comme étant à l’origine : ¥ de soulèvements très rapides de la croûte, ¥ de phénomènes extensifs post-collision, ¥ de magmatisme de type granitoïde, ¥ de flux de chaleur élevés... C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 36 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Bird (1979) : étude du plateau du Colorado • Soulèvement très rapide du Colorado • Activité magmatique intense, loin des frontières de plaques ◮ Pas d’explication possible dans le cadre de la tectonique des plaques. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 37 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Bird (1979) : étude du plateau du Colorado • Soulèvement très rapide du Colorado • Activité magmatique intense, loin des frontières de plaques ◮ Pas d’explication possible dans le cadre de la tectonique des plaques. • Bird propose ¥ que le manteau lithosphérique et l’asthénosphère sont de même composition, mais de température et de densité différentes. ¥ Une instabilité qui commencerait à “décoller” le SCLM de la croûte se propagerait très vite et peut délaminer ce SCLM. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 37 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Bird (1979) : étude du plateau du Colorado • Soulèvement très rapide du Colorado • Activité magmatique intense, loin des frontières de plaques ◮ Pas d’explication possible dans le cadre de la tectonique des plaques. • Bird propose ¥ que le manteau lithosphérique et l’asthénosphère sont de même composition, mais de température et de densité différentes. ¥ Une instabilité qui commencerait à “décoller” le SCLM de la croûte se propagerait très vite et peut délaminer ce SCLM. ¥ Une fois le SCLM disparu, il est très rapidement remplacé par un courant montant d’asthénosphère, créant le soulèvement et le magmatisme. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 37 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents (Bird, 1979) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 38 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 38 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Echelle de temps longue (plus de 100 Ma) pour revenir à la lithosphère thermique de départ. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 38 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Après délamination, les anomalies ¥ de flux de chaleur, ¥ d’élévation, ¥ gravimétriques persistent très longuement. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 38 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Modèle avec deux événements de délamination : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 38 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 38 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Schéma classique de délamination : Morency et Doin, 2004 C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 39 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Modèles de délamination : • Dans les modèles (numériques ou laboratoire) : il faut souvent imposer une zone de faiblesse pour initier la séparation du manteau lithosphérique et de la croûte. • Modèle récent : Ueda et al., 2012. Pas de zone de faiblesse pré-imposée. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 40 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Etat initial du modèle : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 41 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Différents types de délamination sont observés : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 41 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Différents types de délamination sont observés : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 41 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Différents types de délamination sont observés : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 41 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Différents types de délamination sont observés : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 41 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Différents types de délamination sont observés : • Délamination syn-collision : retrait du slab. • Délamination post-collision : retrait du SCLM. • Disparition du slab sans délamination. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 41 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Paramètres qui influent sur le régime observé (délamination ou non) : ¥ Age (et donc épaisseur) de la lithosphère océanique qui subducte, ¥ Vitesse de collision, ¥ Volume d’activation (Va ) de la lithosphère (i.e. dépendance de la viscosité à la pression). ¥ Présence ou non de fusion partielle. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 42 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Paramètres qui influent sur le régime observé (délamination ou non) : ¥ Age (et donc épaisseur) de la lithosphère océanique qui subducte, ¥ Vitesse de collision, ¥ Volume d’activation (Va ) de la lithosphère (i.e. dépendance de la viscosité à la pression). ¥ Présence ou non de fusion partielle. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 42 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Paramètres qui influent sur le régime observé (délamination ou non) : ¥ Age (et donc épaisseur) de la lithosphère océanique qui subducte, ¥ Vitesse de collision, ¥ Volume d’activation (Va ) de la lithosphère (i.e. dépendance de la viscosité à la pression). ¥ Présence ou non de fusion partielle. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 42 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Modèles de slab eduction : utilisés pour expliquer l’exhumation de roches métamorphiques HP - UHP C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 43 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 44 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 44 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 44 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 44 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 45 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Instabilités de Rayleigh-Taylor : • se développent entre deux fluides de densités différentes, • quand le gradient de densité est instable (lourd en haut, léger en bas). C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 46 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Instabilités de Rayleigh-Taylor : • se développent entre deux fluides de densités différentes, • quand le gradient de densité est instable (lourd en haut, léger en bas). • Processus qui ne fait pas intervenir de transfert de chaleur. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 46 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Instabilités de Rayleigh-Taylor : • se développent entre deux fluides de densités différentes, • quand le gradient de densité est instable (lourd en haut, léger en bas). • Processus qui ne fait pas intervenir de transfert de chaleur. ◮ Les instabilités de Rayleigh-Taylor ne peuvent pas représenter complétement la dynamique de la lithosphère. ◮ Il faut prendre en compte à la fois les contrastes de densité d’origine chimique (composition) et d’origine thermique. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 46 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Instabilités de type Rayleigh-Taylor proposées pour expliquer le volcanisme (riche en K) dans la Sierra Nevada (USA) il y a 3 Ma. (e.g. Elkins-Tanton et Grove, 2003) • Le SCLM est normalement stable, car il est très visqueux et résistant. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 47 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Instabilités de type Rayleigh-Taylor proposées pour expliquer le volcanisme (riche en K) dans la Sierra Nevada (USA) il y a 3 Ma. (e.g. Elkins-Tanton et Grove, 2003) • Le SCLM est normalement stable, car il est très visqueux et résistant. • Subduction à proximité, pendant 10 Ma. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 47 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Instabilités de type Rayleigh-Taylor proposées pour expliquer le volcanisme (riche en K) dans la Sierra Nevada (USA) il y a 3 Ma. (e.g. Elkins-Tanton et Grove, 2003) • Le SCLM est normalement stable, car il est très visqueux et résistant. • Subduction à proximité, pendant 10 Ma. ¥ Injection de fluide : rend le SCLM hydraté, ¥ Réchauffement au-dessus de la zone de subduction. ◮ La viscosité du SCLM diminue. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 47 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Instabilités de type Rayleigh-Taylor proposées pour expliquer le volcanisme (riche en K) dans la Sierra Nevada (USA) il y a 3 Ma. (e.g. Elkins-Tanton et Grove, 2003) • Le SCLM est normalement stable, car il est très visqueux et résistant. • Subduction à proximité, pendant 10 Ma. ¥ Injection de fluide : rend le SCLM hydraté, ¥ Réchauffement au-dessus de la zone de subduction. ◮ La viscosité du SCLM diminue. • Certains modèles indiquent que la viscosité de la partie inférieure de la lithosphère est le paramètre qui contrôle sa stabilité. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 47 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Modèle de Elkins-Tanton : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 48 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Modèle de Elkins-Tanton : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 48 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Modèle de Elkins-Tanton : C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 48 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Modèle de Elkins-Tanton : ¥ explication du volcanisme de la Sierra Nevada. ¥ Elkins-Tanton propose un mécanisme similaire pour les trapps de Sibérie : • Explication usuelle : arrivée d’un panache chaud. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 48 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Modèle de Elkins-Tanton : ¥ explication du volcanisme de la Sierra Nevada. ¥ Elkins-Tanton propose un mécanisme similaire pour les trapps de Sibérie : • Explication usuelle : arrivée d’un panache chaud. • Mais : il existe des pillows lavas, et la Sibérie était apparemment en subsidence au moment des éruptions. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 48 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Modèle de Elkins-Tanton : ¥ explication du volcanisme de la Sierra Nevada. ¥ Elkins-Tanton propose un mécanisme similaire pour les trapps de Sibérie : • Explication usuelle : arrivée d’un panache chaud. • Mais : il existe des pillows lavas, et la Sibérie était apparemment en subsidence au moment des éruptions. ◮ Une délamination de la lithosphère de type Rayleigh-Taylor pourrait expliquer la subsidence et le volcanisme. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 48 3 - Lithosphère /Asthénosphère - Continents Modèles récents de délamination pour la Sierra Nevada (e.g. Le Pourhiet et al., 2006; Saleeby et al., 2012) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 49 3 - Lithosphère /Asthénosphère - Continents Modèles récents de délamination pour la Sierra Nevada (e.g. Le Pourhiet et al., 2006; Saleeby et al., 2012) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 49 3 - Lithosphère /Asthénosphère - Continents Modèles récents de délamination pour la Sierra Nevada (e.g. Le Pourhiet et al., 2006; Saleeby et al., 2012) C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 49 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Observation de cette déstabilisation? Levander et al., 2011, Nature C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 50 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 51 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Moho Moho LAB LAB LAB LAB Moho LAB C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère LAB 51 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 51 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Déstabilisation par des mouvements convectifs Exemple : Morency et al., 2002. • Modèle : une partie de la surface est rendue artificiellement froide, pour représenter une racine lithosphérique. • La viscosité dépend de la température : la partie refroidie est donc plus visqueuse. ◮ On regarde si une racine lithosphérique persiste, et/ou le temps nécessaire pour qu’elle soit érodée par la convection. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 52 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Morency et al., 2002, identifient deux modes d’érosion de la lithosphère : • Erosion par les bords de la lithosphère C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 53 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Morency et al., 2002, identifient deux modes d’érosion de la lithosphère : • Erosion par les bords de la lithosphère • Convection de petite échelle sous la lithosphère C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 53 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Morency et al., 2002, identifient deux modes d’érosion de la lithosphère : • Erosion par les bords de la lithosphère • Convection de petite échelle sous la lithosphère ◮ Temps pour passer d’une lithosphère de 250 à 100 km d’épaisseur : entre 50 et 750 Ma C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 53 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Morency et al., 2002, identifient deux modes d’érosion de la lithosphère : • Erosion par les bords de la lithosphère • Convection de petite échelle sous la lithosphère ◮ Temps pour passer d’une lithosphère de 250 à 100 km d’épaisseur : entre 50 et 750 Ma • temps trop long pour expliquer les événements très rapides (ex. : uplift du Colorado → il faut un processus de délamination) • temps trop court pour expliquer la persistence de la lithosphère archéenne C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 53 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Expériences de Cottrell, Jaupart et Molnar, 2004 : • couche de fluide peu dense (lithosphère) reposant sur un fluide, moins visqueux, et plus dense (asthénosphère). • Comme la couche supérieure est refroidie, elle peut devenir plus dense que la couche inférieure. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 54 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents Expériences de Cottrell, Jaupart et Molnar, 2004 : • couche de fluide peu dense (lithosphère) reposant sur un fluide, moins visqueux, et plus dense (asthénosphère). • Comme la couche supérieure est refroidie, elle peut devenir plus dense que la couche inférieure. • Dans certains cas, la couche supérieure reste stable, mais peut être déformée. • Dans d’autres cas, cette couche devient totalement instable. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 54 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Paramètres qui définissent si on a, ou non, instabilité : ¥ Contraste de viscosité entre les deux couches → rôle peu important. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 55 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Paramètres qui définissent si on a, ou non, instabilité : ¥ Contraste de viscosité entre les deux couches → rôle peu important. ¥ Coefficient de flottabilité (Buoyancy number B) : ˛ ˛ ˛ ρa : densité de l’asthénosphère ˛ ˛ ρ : densité de la lithosphère ∆ρc (ρa − ρl ) ˛ l B= = ˛ ˛ α : coefficient d’expansion thermique ∆ρT α ρl ∆T ˛ ˛ ˛ ∆T : saut total de température au travers de la boîte C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 55 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Paramètres qui définissent si on a, ou non, instabilité : ¥ Contraste de viscosité entre les deux couches → rôle peu important. ¥ Coefficient de flottabilité (Buoyancy number B) : ˛ ˛ ˛ ρa : densité de l’asthénosphère ˛ ˛ ρ : densité de la lithosphère ∆ρc (ρa − ρl ) ˛ l B= = ˛ ˛ α : coefficient d’expansion thermique ∆ρT α ρl ∆T ˛ ˛ ˛ ∆T : saut total de température au travers de la boîte ¥ Nombre de Rayleigh de la lithosphère : Ral = C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère α ρl g ∆T h3 κ ηl 55 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Paramètres qui définissent si on a, ou non, instabilité : ¥ Contraste de viscosité entre les deux couches → rôle peu important. ¥ Coefficient de flottabilité (Buoyancy number B) : ˛ ˛ ˛ ρa : densité de l’asthénosphère ˛ ˛ ρ : densité de la lithosphère ∆ρc (ρa − ρl ) ˛ l B= = ˛ ˛ α : coefficient d’expansion thermique ∆ρT α ρl ∆T ˛ ˛ ˛ ∆T : saut total de température au travers de la boîte ¥ Nombre de Rayleigh de la lithosphère : Ral = C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère α ρl g ∆T h3 κ ηl 55 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Cottrell et al., 2004 : la lithosphère est proche de son épaisseur critique. • Le SCLM est d’autant plus dense qu’il est jeune : B Phanérozoïque Protérozoïque Archéen 0.20 0.40 0.50 C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 56 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Cottrell et al., 2004 : la lithosphère est proche de son épaisseur critique. • Le SCLM est d’autant plus dense qu’il est jeune : B Phanérozoïque Protérozoïque Archéen 0.20 0.40 0.50 C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 56 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Cottrell et al., 2004 : la lithosphère est proche de son épaisseur critique. • Le SCLM est d’autant plus dense qu’il est jeune : B Phanérozoïque Protérozoïque Archéen 0.20 0.40 0.50 • Il faut donc que le nombre de Rayleigh de la lithosphère Ra soit plus grand à l’Archéen qu’au Phanérozoïque. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 56 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Cottrell et al., 2004 : la lithosphère est proche de son épaisseur critique. • Le SCLM est d’autant plus dense qu’il est jeune : B Phanérozoïque Protérozoïque Archéen 0.20 0.40 0.50 • Il faut donc que le nombre de Rayleigh de la lithosphère Ra soit plus grand à l’Archéen qu’au Phanérozoïque. Phanérozoïque Protérozoïque Archéen Ra 150 500 1100 h (km) 120 180 240 C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 56 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents • Cottrell et al., 2004 : la lithosphère est proche de son épaisseur critique. • Le SCLM est d’autant plus dense qu’il est jeune : B Phanérozoïque Protérozoïque Archéen 0.20 0.40 0.50 • Il faut donc que le nombre de Rayleigh de la lithosphère Ra soit plus grand à l’Archéen qu’au Phanérozoïque. Phanérozoïque Protérozoïque Archéen Ra 150 500 1100 h (km) 120 180 240 ◮ Pour être à la limite de la stabilité : la lithosphère archéenne, peu dense, doit être plus épaisse que la lithosphère phanérozoïque. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 56 3 - Lithosphère / Asthénosphère - Continents ¥ Limite Lithosphère / Asthénosphère : pas toujours claire, et potentiellement affectée par des déstabilisations. ¥ Lithosphère ’jeune’ (moins de ∼ 1 Ga) : • SCLM probablement plus dense que l’asthénosphère, donc potentiellement instable. • Cette lithosphère sous-continentale peut être affectée par des instabilités : (1) convection de petite échelle et mouvements de type Rayleigh-Taylor. (2) perte de la cohésion avec la croûte : délamination. (3) une combinaison des deux processus. ¥ Lithosphère archéenne : • Moins dense, plus épaisse, et apparemment stable. C.Grigné - A - 5) Transition lithosphère/asthénosphère 57
