COURS ÉLÈVES TS CHAPITRE 3 15/12/19 LE DOMAINE CONTINENTAL ET SA DYNAMIQUE En classe de première S ont été mises en place les principales caractéristiques de la tectonique des plaques , mais l'attention s'est portée principalement sur le domaine océanique . Nous aborderons cette année le domaine continental. Il s'agira de dégager les caractéristiques de la lithosphère continentale puis d'en comprendre l'évolution en particulier à partir de l'étude des zones montagneuses. Aucune plaque n'est formée que de lithosphère continentale. Celle ci est toujours associée à de la lithosphère océanique. La limite entre lithosphère continentale et lithosphère océanique est appelée marge continentale (marge = bordure) . Nous développerons successivement: - les caractéristiques des 2 types de lithosphères en travaillant au niveau des marges - la formation des reliefs continentaux (montagnes) dans les zones de convergence - la formation des roches continentales dans les zones de convergence - la destruction des montagnes 3.1 Les marges continentales, frontières entre la lithosphère océanique et la lithosphère continentale La marge continentale est la limite entre la lithosphère continentale et la lithosphère océanique. A l'origine, elle se trouve donc en bordure de plaque. 3.1.1 Les caractéristiques des 2 types de lithosphères : La lithosphère est formée des roches rigides de surface , croûte et une petite partie du manteau. Lithosphère océanique et lithosphère continentale se distinguent à plusieurs niveaux : - au niveau de la nature des roches : par rapport à la croûte océanique, la croûte continentale est surtout formée de roches voisines du granite = granitoïdes (basaltes/gabbro pour la croûte océanique). Granite - au niveau de l' épaisseur de la croûte : plus grande pour le continent, 30 km en moyenne (5-10 km pour la croûte océanique) . - au niveau de l'âge: qui peut aller jusqu'à 4 milliards d'années (Ga) pour le continent (alors que la croûte océanique n'excède pas 200 Ma ). Cet âge est déterminé par radiochronologie (= technique basée sur la décroissance radioactive naturelle de certains éléments au cours du temps). - au niveau de la densité : plus faible pour le continent (2,7 en moyenne pour la croûte et 3,1 pour la lithosphère) que pour l'océan (2,9 pour la croûte océanique, jusqu'à 3,28 pour la lithosphère). Les différences d'altitude moyenne entre les continents et les océans s'expliquent par ces différences de densités crustales. Densité des couches de surface de la Terre Comme la lithosphère océanique lors de sa formation, la lithosphère continentale est moins dense que l'asthénosphère sur laquelle elle repose ; L'asthénosphère étant ductile (visqueuse) se comporte comme un fluide. La lithosphère subit donc une force verticale qui la maintient en surface, elle « flotte » sur l'asthénosphère. On parle d'isostasie (ou d'équilibre isostatique) . Si la lithosphère s'amincit ou s'épaissit, l'équilibre est rompu entraînant un mouvement vertical pour rétablir l'équilibre. On parle de réajustements isostatiques. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 1 Sur 9 COURS ÉLÈVES TS 15/12/19 3.1.2 Évolution de la lithosphère océanique et de la marge continentale au cours du temps 3.1.2.1 Formation du fond océanique et création d'une marge continentale Lorsque des remontées de chaleur ont lieu sous un continent, elles peuvent conduire à un amincissement de la lithosphère continentale. Cet amincissement peut être suivi d'une fracturation du continent avec formation de failles normales (zone de rift continental) puis d’une divergence des 2 morceaux du continent. Cette divergence est suivie de remontées de magma . Masse volumique en tonnes par m3 Le continent initial s'est donc divisé en 2 continents comportant chacun une marge continentale et séparés par une dorsale, zone où se forme la nouvelle croûte océanique . 3.1.2.2 Évolution de la marge active en marge passive du fait de la divergence En permanence, de la lithosphère océanique est produite au niveau des dorsales. L'écartement au niveau de la dorsale des 2 plaques nouvellement formées éloigne la marge continentale de la zone d'activité qui est alors Formation de la lithosphère qualifiée de marge passive. Au niveau de la marge, les océanique sous les dorsales failles normales créées dans la phase initiale demeurent comme témoin de la phase de divergence initiale. En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit et s'épaissit, cela provoque une augmentation de sa densité. Tant que sa densité reste inférieure à celle de l’asthénosphère, elle s'enfonce progressivement dans l'asthénosphère, on parle de subsidence (enfoncement) thermique (subsidence liée à des changements de température). 3.1.2.3 Évolution de la marge passive en marge active du fait de la subduction À un moment donné la densité de la lithosphère océanique devient supérieure à celle de l'asthénosphère, la lithosphère plonge alors dans l'asthénosphère, on parle de subduction océanique . Il y a ensuite traction en profondeur de la plaque par la lithosphère océanique dense plongeante ce qui devient une cause majeure de la divergence (la partie peu dense de la plaque est tirée par la partie très dense s’enfonçant dans la zone de subduction). En raison de ce phénomène, en surface, son âge n'excède pas 200 Ma. Au niveau de la zone de subduction, la lithosphère continentale se sépare de la lithosphère océanique plongeante. Il y a formation d'une nouvelle frontière de plaque avec convergence des 2 lithosphères et apparition de séismes, montagnes et volcans. La marge passive devient active. Evolution de la masse volumique de la lithosphère en fonction de son age 3,3 3,25 3,2 Masse volumique lithosphère Masse volumique asthénosphère 3,15 3,1 3,05 2 10 15 25 30 40 60 Age en millions d'années 80 Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 100 2 Sur 9 COURS ÉLÈVES TS 3.2 15/12/19 Les zones de convergence, zones de formation des roches continentales 3.2.1 La magmatisme de zone de subduction à l’origine des matériaux composant les continents En moyenne, la composition des continents est proche de la composition des roches magmatiques issues du volcanisme de zone de subduction, andésites et granodiorites en particulier . Les volcans des zones de subduction émettent des laves souvent visqueuses associées à des gaz et leurs éruptions sont fréquemment explosives . Une fraction des magmas arrive en surface conduisant à un volcanisme produisant des roches de type andésite. La plus grande partie du magma cristallise en profondeur et donne des roches à structure grenue de type granodiorite Modifié de http://www.lethist.lautre.net/epicentre.htm (~granitoïdes). Le volcanisme de zone de subduction Un magma, d'origine mantellique (péridotite), aboutit ainsi à la création d'un nouveau matériau continental (granitoïdes) : on parle d'accrétion (accroissement) continentale. Cette accrétion se produisant dans les zones de subduction, elle se fait autour des continents préexistants. Les continents grandissent ainsi progressivement par leur périphérie, constitués d'un centre très âgé auquel viennent s'accoler des roches plus récentes. Carte de l’age des roches continentales Mais comment expliquer ce magmatisme à partir de roches plutôt froides (venant de la surface) et subissant une augmentation de pression (plongeantes) ce qui ne devrait pas faciliter la fusion ? 3.2.2 La présence d’eau, condition nécessaire à la formation du magma des zones de subduction L'analyse de la composition des minéraux composant ces roches volcaniques montre la présence de minéraux hydratés. Or, les expériences de laboratoire montrent que la présence d'eau peut, dans certaines conditions, faciliter la fusion des roches. Dès lors se pose la question de l’origine de l’eau nécessaire à cette fusion et à la formation des minéraux hydratés. Les conditions de fusion de la péridotite Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 3 Sur 9 COURS ÉLÈVES TS 15/12/19 3.2.3 Le métamorphisme des roches plongeantes , source d’eau à l’origine de la fusion On trouve, dans les chaînes de montagnes, des gabbros comportant des minéraux qui ne sont stables que dans des conditions de pression et de température absentes de la surface de la Terre (Glaucophane, Grenat ...). Les faciès métamorphiques Minéraux d'un métagabbro Faciès mét. Caractérise Actinote H2O 2%, Chlorite H2O 10 %) (hornblende) Schiste vert Basse température Basse pression Glaucophane (H2O 2 %) Schiste bleu Moyenne pression Basse température Grenat + jadéite (H2O 0 %) éclogite Haute pression Métamorphisme et magmatisme liés à l'enfoncement de la lithosphère océanique dans les zones de subduction À gauche de M, transformations à l'état solide = métamorphisme. À droite de M, début de fusion de certains minéraux = magmatisme. Plus les minéraux se forment en profondeur et moins ils comportent de fonctions OH (voir tableau ci-dessus). Cela implique une déshydratation des minéraux océaniques en train de plonger en profondeur. La mise en relation de ces éléments conduit à considérer que la subduction des matériaux de la croûte océanique provoque la déstabilisation de certains minéraux à l’état solide (métamorphisme). Cela libère de l'eau que la croûte a emmagasinée au cours de son histoire ce qui pourrait être à l’origine de la fusion partielle de la péridotite du manteau. Par ailleurs, les conditions de stabilité des associations de minéraux observées (des faciès métamorphiques) permettent de reconstituer les conditions de pression et de température subies par les matériaux océaniques et continentaux retrouvés. . Un exemple de gabbro métamorphique de faciès éclogite lumière polarisée non analysée Un exemple de gabbro métamorphique de faciès schiste bleu Un exemple de gabbro lumière polarisée non analysée lumière polarisée non analysée Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 4 Sur 9 COURS ÉLÈVES TS 3.3 15/12/19 Les zones de convergence, zones de transformation des roches continentales Des transformations sont observées à grande échelle et visibles par des indices tectoniques, d’autres sont visibles à petite échelle et visibles par des indices pétrographiques. 3.3.1 Indices tectoniques d’une convergence : L'observation des roches en montagne montre des plis, des failles inverses , des nappes. Diaporamas sur les failles /plis Indices tectoniques de convergence Nappe Ces indices tectoniques (échelle kilométrique ou plus) plaident pour un raccourcissement de la lithosphère continentale des zones concernées. 3.3.2 Conséquences de la convergence à grande échelle : les zones de montagnes : La convergence aboutit ainsi à un épaississement de la zone concernée . Compte tenu du caractère ductile de l'asthénosphère située sous la lithosphère et des phénomènes d’isostasie, l'épaississement se fait non seulement vers le haut (montagnes), mais encore plus vers le bas (racines des montagnes). Divergence d’où expansion océanique Convergence d’où subduction. Au dessus de la lithosphère subductée, la lithosphère continentale se plie et forme une montagne en bordure d'océan.. Une partie de la lithosphère océanique se retrouve sur le continent (ophiolithe) Les 2 lithosphères continentales se collent, on parle de suture. La lithosphère continentale subductée se casse en écailles qui s’accumulent sous la montagne Les lithosphères continentales entrent en collision et forment une montagne à l'intérieur du continent. Les sédiments qui se trouvaient sur les marges peuvent être entraînés en profondeur et fournir du matériau pour l’accrétion continentale (couche jaune sur le schéma ci-dessus). D’autre part, on retrouve au milieu des chaînes de montagnes des associations de roches du type océanique (basalte, gabbro, péridotite). On appelle ces associations de roches des ophiolites . Associées à d'anciennes marges continentales passives (failles normales, blocs basculés), elles sont les traces d'un domaine océanique présent avant la formation de la montagne et aujourd'hui disparu Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 5 Sur 9 COURS ÉLÈVES TS 15/12/19 3.3.3 Les roches continentales, indices pétrographiques des conditions subies par la roche On peut observer sur les continents des roches métamorphiques (voir 332) de roches de composition continentale. Par exemple, on constate la présence de minéraux dont la formation implique un passage à haute pression et donc d’origine métamorphique. C’est le cas de la coésite. Métamorphisme de roches continentales dans les zones de collision Par exemple, on constate la présence de roches présentant des couches liées à une compression (lits) et donc d'origine métamorphique. Métamorphisme et magmatisme liés à l'enfoncement de roches continentales dans les zones de collision Par ailleurs, les roches continentales entraînées à grande profondeur peuvent subir une fusion partielle liée à l’augmentation de température conduisant à la formation de roches au moins partiellement magmatiques (granites par exemple, voir partie 342). Magmatisme de roches continentales dans les zones de collision Ces transformations impliquent un passage à haute température et/ou pression, donc un passage à grande profondeur. Ces roches sont des indices pétrographiques (observables à petite échelle) plaidant pour un enfoncement des roches continentales lié à un épaississement de la croûte continentale dans ces zones. Compte tenu des phénomènes d’isostasie, l’essentiel de l’épaississement se fait vers le bas. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 6 Sur 9 COURS ÉLÈVES TS 15/12/19 Pour ce qui concerne la lithosphère continentale, cela a conduit les géologues à élaborer le scénario suivant : dans les zones de subduction, tandis que l'essentiel de la lithosphère continentale continue de subducter, la partie supérieure de la croûte s'épaissit par empilement de nappes dans la zone de contact entre les deux plaques. La plaque plongeante descend à des profondeurs croissantes ce qui entraîne des modifications de pression (importantes et immédiates) et de température (peu importantes dans un premier temps , la roche froide mettant un certain temps à se réchauffer). En raison de ces modifications, les minéraux des roches de la plaque plongeante se transforment. Ils sont déstabilisés et se réorganisent constituant de nouveaux assemblages minéralogiques stables (dans les nouvelles conditions de pression et température). Ces transformations à l'état solide définissent le métamorphisme . Si les dorsales océaniques sont le lieu de la divergence des plaques et les failles transformantes une situation de coulissage , les zones de subductions sont le domaine de la convergence à l'échelle lithosphérique. La convergence des plaques est la cause de la formation des chaînes de montagnes. La subduction peut être suivie d'une collision entre 2 lithosphères continentales . La lithosphère continentale est entraînée à la suite de la lithosphère océanique. Une partie de la lithosphère continentale est subduite, empilée, épaissie et subit des transformations importantes (magmatisme et métamorphisme). Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 7 Sur 9 COURS ÉLÈVES TS 15/12/19 3.4 Au terme de la convergence, la disparition des reliefs Tout relief est un système instable qui tend à disparaître aussitôt qu'il se forme, les parties superficielles des reliefs sont les premières à être détruites. 3.4.1 Les modalités de la disparition des reliefs Altération et érosion (usure des roches) sous l'action des agents atmosphériques (eau, température, vent …) contribuent à l'effacement des reliefs. Les produits de démantèlement (arène granitique, sable et argile) sont transportés sous forme solide ou soluble par un agent de transport, vent ou eau. Lorsque la force de l'agent de transport (eau, vent) devient insuffisante, les produits de l'usure se déposent (sédimentation), les plus gros en premier, les plus fins en dernier. Dans la mesure ou il y a déplacement, on peut parler de flux sédimentaire . http://www.sciencedirect.com/science/article/ pii/S0921818100000667 L'érosion des roches continentales 3.4.2 Conséquences de l'érosion sur l’équilibre isostatique Les chaînes de montagnes anciennes, plus érodées que les récentes, ont des reliefs moins élevés. On y observe à l'affleurement une plus forte proportion de matériaux formés en profondeur. Cela s'explique compte tenu du phénomène d'isostasie. Les roches profondes remontent suite à l'érosion ce qui fait progressivement apparaître les roches profondes. Les baisses de température et de pression que cela implique peuvent entraîner : - la formation de nouvelles roches métamorphiques - la formation de nouvelles roches magmatiques. En effet, la baisse de pression est immédiate lors de la remontée des roches et s'accompagne d'une température qui reste élevée, cela peut conduire à la fusion des roches (fusion par baisse de pression). Conséquences de l'érosion sur les roches des racines de la montagne L'ensemble de ces phénomènes débute dès la naissance du relief et constitue un vaste recyclage de la croûte continentale. Les matériaux enfoncés en profondeur lors de la subduction sont modifiés (métamorphisme, magmatisme) puis remontent en surface en raison des réajustements isostatiques. Arrivés en surface, ils peuvent à nouveau être érodés, se retrouver dans les fonds océaniques et subir une nouvelle subduction … . Une partie des roches continentales est cependant préservée ce qui explique que la croûte continentale puisse conserver les roches les plus anciennes de la Terre. En conclusion , Du fait de l'érosion, la plus grande partie des continents est relativement plate, mais les marges continentales actives sont marquées par la présence de reliefs positifs, les chaînes de montagnes, liées à la convergence à l'origine de la formation des matériaux continentaux. L'érosion fait remonter des roches profondes les mettant ainsi à notre disposition. Il est dès lors possible de déterminer leur composition minéralogique, leur composition chimique et leur âge. Ces éléments font partie des principaux éléments à notre disposition pour reconstituer l'histoire de la Terre. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 8 Sur 9 COURS ÉLÈVES TS 15/12/19 Le domaine continental et sa dynamique Table des matières CHAPITRE 3 LE DOMAINE CONTINENTAL ET SA DYNAMIQUE......................................................1 3.1 Les marges continentales, frontières entre la lithosphère océanique et la lithosphère continentale...........................1 3.1.1 Les caractéristiques des 2 types de lithosphères :.........................................................................................................1 3.1.2 Évolution de la lithosphère océanique et de la marge continentale au cours du temps.................................................2 3.2 Les zones de convergence, zones de formation des roches continentales.......................................................................3 3.2.1 La magmatisme de zone de subduction à l’origine des matériaux composant les continents.......................................3 3.2.2 La présence d’eau, condition nécessaire à la formation du magma des zones de subduction......................................3 3.2.3 Le métamorphisme des roches plongeantes , source d’eau à l’origine de la fusion.................................................4 3.3 Les zones de convergence, zones de transformation des roches continentales..............................................................5 3.3.1 Indices tectoniques d’une convergence :.......................................................................................................................5 3.3.2 Conséquences de la convergence à grande échelle : les zones de montagnes :............................................................5 3.3.3 Les roches continentales, indices pétrographiques des conditions subies par la roche.................................................6 3.4 Au terme de la convergence, la disparition des reliefs.....................................................................................................8 3.4.1 Les modalités de la disparition des reliefs.....................................................................................................................8 3.4.2 Conséquences de l'érosion sur l’équilibre isostatique...................................................................................................8 Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 9 Sur 9
