La tectonique des plaques et la cinématique, Partie 1
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elements-geologie.com La tectonique des plaques et la cinématique Partie 1 En 4 parties Sommaire INTRODUCTION I. PRINCIPES FONDAMENTAUX 1. Le déplacement d’une calotte sphérique 2. Les mouvements possibles entre les plaques 3. Petits cercles et grands cercles 4. Mouvements sur la sphère : mouvements absolus et mouvements relatifs 5. Mouvements sur la sphère : position de l’axe de rotation eulérien 6. Mouvements sur la sphère : position de l’axe de rotation eulérien. Application à un cas réel II. LES FAILLES TRANSFORMANTES 1. Théorie 2. Sismicité et rôle cinématique 3. Déplacements des pôles de rotation Découvrez la 15e édition du « Pomerol » tout en couleurs, Éléments de Géologie (Dunod, 2015, M. Renard, Y. Lagabrielle, E. Martin, M. de Rafélis), à jour des dernières connaissances de la recherche en géosciences. Un livre qui répond aux exigences des étudiants, des candidats aux concours, des enseignants, des chercheurs… Et de l’amateur éclairé ! Voir chapitre 8 Toute l’info sur ce livre << Tous les reportages de terrain de elements-geologie.com Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com INTRODUCTION La théorie de la tectonique des plaques s’est bâtie sur les fondements des apports de la GEOPHYSIQUE. Dans ce reportage, nous passons en revue un à un les différents arguments qui permettent de construire un schéma cohérent de la mobilité lithosphérique. Puis nous jetons quelques bases de la science qui étudie le mouvement des plaques aujourd’hui et dans le passé : la cinématique. La sismologie permet de tracer le contour des plaques en carte et en coupe. Elle nous permet également de définir la limite basale de la lithosphère. Le paléomagnétisme confirme le renouvellement des fonds océaniques et permet de quantifier la mobilité horizontale des plaques grâce aux datations paléontologiques et radiochronologiques. La mesure du flux de chaleur confirme le caractère convectif de la circulation du manteau supérieur et la conduction de la chaleur à travers des plaques rigides. La gravimétrie, en imposant le concept d’isostasie, confirme la dualité lithosphère-asthénosphère. La géodésie permet aujourd’hui de mesurer les déplacements instantanés des plaques et de comparer avec des modèles de déplacements construits sur les anomalies magnétiques. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com I. LES PRINCIPES FONDAMENTAUX 1. Le déplacement d’une calotte sphérique Dans sa formulation initiale, la théorie de la tectonique des plaques pose un premier postulat essentiel. Ce postulat est indispensable pour modéliser les mouvements de la lithosphère. Les plaques lithosphériques sont des calottes sphériques rigides, mobiles sur le globe considéré comme une sphère. On peut traiter mathématiquement le mouvement des calottes sphériques, donc des plaques, en utilisant la géométrie développée par L. Euler (1707-1783). Comme la calotte est contrainte par sa sphéricité, son mouvement est toujours une rotation autour d’un axe dit eulérien qui passe par le centre de la sphère. On en déduit les points suivants : Pour décrire le mouvement d’une plaque, 3 paramètres seulement sont suffisants : la latitude et la longitude de l’axe eulérien et la vitesse angulaire de la rotation. L’axe peut percer la plaque ou percer la Terre en dehors de la plaque (c’est la différence qui existe entre les plaques AFR et PAC). La vitesse angulaire instantanée est la même en tout point de la plaque. La vitesse linéaire en un point varie avec la position du point considéré sur la plaque, elle est nulle au pôle eulérien et maximum à l’équateur eulérien. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com I. LES PRINCIPES FONDAMENTAUX 2. Les mouvements possibles entre les plaques Avant d’aborder le problème du déplacement des plaques sur la sphère, nous rappelons quels sont les mouvements possibles aux frontières des plaques. La figure ci-dessus schématise le type de relation cinématique existant entre les plaques, ainsi que la signification géodynamique des frontières de plaques. Les plaques A et B s’éloignent l’une de l’autre, la frontière est divergente, elle correspond à l’axe d’une dorsale océanique. Les plaques B et C se rapprochent l’une de l’autre, la frontière est convergente, il s’agit d’une fosse de subduction. Une dorsale de bassin arrière-arc se propage au sein de la plaque C. Noter que la lithosphère se déplace de façon indépendante au-dessus de l’asthénosphère. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com I. LES PRINCIPES FONDAMENTAUX 3. Petits cercles et grands cercles Avant toute chose, il convient de bien comprendre les notions simples de grand cercle et de petit cercle sur une sphère. Rappelons d’abord que l’intersection d’un plan avec une sphère est un cercle. Si le plan est d’orientation quelconque, l’intersection est un petit cercle. Si ce plan passe par le centre de la sphère, l’intersection est un grand cercle. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com I. LES PRINCIPES FONDAMENTAUX 4. Mouvements sur la sphère : mouvements absolus et mouvements relatifs On fait ici figurer les trois types de frontières de plaques: en divergence, en convergence et en coulissage. Pour décrire le mouvement d’une plaque A, on peut utiliser un repère fixe sur la sphère, on obtient ainsi un mouvement absolu. On peut également décrire le mouvement de A par rapport à une autre plaque B considérée comme fixe (figure cidessus, ou bien elle-même en mouvement. Pour cela, un observateur positionné sur A décrit ce qu’il voit du mouvement de B ou vice-versa. Il définit ainsi le mouvement relatif de A/B équivalent de celui de B/A. Ainsi, à travers une dorsale, on verra deux flèches égales qui s’opposent et à travers une subduction, deux flèches égales qui se font face. Dans le cas de mouvements relatifs, les deux flèches qui symbolisent le mouvement sont toujours égales et de sens opposé. Pour un mouvement absolu, une seule flèche suffit. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com I. LES PRINCIPES FONDAMENTAUX 5. Mouvements sur la sphère : position de l’axe de rotation eulérien Cette figure permet de comprendre que l’axe de rotation pour une plaque (mouvement absolu) ou pour deux plaques (mouvements relatifs) n’est pas systématiquement situé sur la ou sur les 2 plaques concernées. On présente ici le cas des rotations absolues des plaques Pacifique et Afrique dont les axes eulériens sont situés respectivement en dehors et à l’intérieur de la plaque concernée. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com I. LES PRINCIPES FONDAMENTAUX Les failles Partie 3 que : failles inverses etd’une chevauchements Rappelons d’abord la vitesse linéaire en un point plaque varie avec la position de ce point. Elle est nulle au pôle 6. Mouvements sur la sphère : position de l’axe de rotation eulérien. Application à un cas réel de rotation et elle est maximale à l’équateur eulérien. Autrement dit, les vecteurs vitesses linéaires sont variables en direction et en module sur la plaque. Rappelons ensuite que les vecteurs vitesse linéaire de modules égaux s’organisent sur un petit cercle dont le centre est le pôle de rotation de la plaque. Application Sur cette carte du Pacifique nord-est, les petites flèches rouges indiquent la vitesse linéaire absolue. Elles sont de modules variables (de 6 à 10 cm/an). Grâce aux vecteurs des 8 cm/an, on peut tracer un des petits cercles de la rotation de la plaque PAC. La courbure nous indique la direction du pôle, ce que confirme l’évolution du module des vitesses. Vers le pôle Vérifions sur la figure précédente où se trouve le pôle de rotation de la plaque Pacifique! Vers l’équateur eulérien « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com II. LES FAILLES TRANSFORMANTES 1. Théorie Failles transformantes La frontière entre les plaques A et B est composée de segments le long desquels les plaques s’éloignent par mouvement de divergence, et de segments le long desquels les plaques coulissent. Ces segments en coulissage correspondent à des failles transformantes car ils ont la propriété de «transformer» un mouvement d’un type (divergence ou convergence) en un mouvement d’un autre type (par exemple, divergence-divergence ou divergence-convergence comme ci-dessus). « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com II. LES FAILLES TRANSFORMANTES 2. Sismicité et rôle cinématique Les failles transformantes sont des clés pour comprendre la tectonique des plaques. Nous savons que leurs tracés sont des portions de petits cercles tous centrés sur l’axe eulérien de la rotation. Si l’on trace les perpendiculaires à ces petits cercles on obtient donc des grands cercles qui se croisent tous au niveau des deux pôles eulériens de rotation. Repris de Ph. Huchon dans : La convergence lithosphérique, collectif, Vuibert Grands cercles perpendiculaires aux tracés des failles transformantes Cas des failles transformantes de l’Atlantique équatorial. On définit à l’intersection des grands cercles une région dans laquelle se trouve le pôle du mouvement relatif de rotation entre les plaques Afrique et Amérique du sud (ellipse jaune). La dorsale, limite divergente des plaques est en pointillé rouge. Exemple de mécanismes au foyer dans l’Atlantique central vers 15°N de latitude. La sismicité nous montre que les mécanismes au foyer des séismes se produisant le long des failles transformantes de l’Atlantique sont bien de type décrochement. Ces séismes se produisent dans des régions caractérisées de plus par l’existence des séismes en faille normale. Ces derniers sont localisés à l’axe de la dorsale et rendent compte des mouvements en extension liés à la divergence des plaques. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com II. LES FAILLES TRANSFORMANTES 3. Déplacements des pôles de rotation Smith and Sandwell Le tracé des zones de fracture présente parfois des angulosités qui s’expliquent facilement par le phénomène de migration des pôles de rotation. Si cette angulosité est répétée de façon cohérente sur plusieurs zones de fracture à l’échelle d’un océan et de part et d’autre de l’axe d’accrétion qui sépare deux plaques, cela indique qu’un changement de la position du pôle de rotation relative entre les deux plaques est intervenu. L’exemple de l’Atlantique central et nord est très démonstratif, comme le montre le schéma ci-dessous qui permet de visualiser les positions P2, P1 et Pa du pôle de rotation relative de l’Afrique par rapport à l’Amérique du Nord. Note : un autre enregistrement du déplacement des pôles de rotation se trouve dans les angulosités des chaînes de volcans sous-marins « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015.
