La lithosphère et la tectonique des plaques

RR - 16/04/17 - 769772799 - 1/6
Première S
Chapitre
5.2
3 semaines
La lithosphère et la
tectonique des plaques
I. La lithosphère est fracturée en plaques
A. Les plaques lithosphériques sont délimitées par des accidents géologiques
B. Les plaques lithosphériques sont de nature variée
► TP 1. Les mouvements relatifs des plaques
II. Les plaques lithosphériques présentent des mouvement relatifs
A. Divergence au niveau des dorsales où elles se forment
B. Convergence dans les zones de subduction et de collision où elles disparaissent
C. Coulissage le long des failles transformantes (ni formation ni destruction)
► TP 2. L’enregistrement du déplacement des plaques
D. Les volcans de point chaud enregistrent les directions de déplacement des plaques
► TP 3. Le moteur du déplacement des plaques
III. La machinerie thermique de la Terre est le moteur du déplacement des plaques
A. La dissipation de l'énergie interne entraîne des mouvements de convection manteliques
B. La divergence traduit des courants montants chauds
C. La partie superficielle d'une cellule de convection entraîne la plaque horizontalement
D. La subduction traduit des courants descendants froids



OBJECTIF
La lithosphère est divisée en plaques qui se déplacent les unes par
rapport aux autres (cf. 4°).
On appelle tectonique les déformations et les mouvements affectant des
terrains géologiques postérieurement à leur formation.
On cherche à préciser les arguments scientifiques qui valident la
théorie de la tectonique des plaques.
Accompagnement. Réalisation de 2 schémas en carte et en coupe illustrant le
principe de la tectonique des plaques. Ils constituent une référence à utiliser et à
enrichir en première (divergence) et en terminale (convergence).
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I. La lithosphère est fracturée en plaques
A. Les plaques lithosphériques sont délimitées par des accidents
géologiques
► FIGURE 1. Répartition des séismes et des volcans dans Hatier p. 298 fig. 1.
► FIGURE 2. Répartition de la sismicité à la surface de la Terre dans Daniel p.
357.
► FIGURE 3. Les principales plaques lithosphériques et leurs frontières dans
Hatier p. 305 fig. 15.
► FIGURE 4. Les reliefs terrestres (Carte du fond des océans) dans Hatier 3°
de couverture et Daniel p. XVI.

La distribution géographique des séismes et des volcans montre qu'ils se
répartissent selon des bandes étroites se relayant sur toute la surface du globe.
Ces alignements divisent la surface de la Terre en calottes sphériques rigides : les
plaques.


À l'exception de leurs limites les plaques lithosphériques sont peu déformables
La distribution des plus forts reliefs (montagnes et dorsales océaniques) se
superpose à la distribution des séismes et souligne les limites de plaques.

La distribution de la plupart des volcans se superpose aux deux précédentes.
B. Les plaques lithosphériques sont de nature variée
► FIGURE 5. Relevé cumulé des reliefs terrestres dans Dictionnaire des
Sciences de la Terre - Encyclopædia Universalis p. 574.

L'épaisseur des plaques lithosphériques est variable (en moyenne 100 km). Selon
le cas cela traduit une croûte de nature continentale ou bien océanique.
Cependant la répartition des plaques n'est pas en rapport avec la répartition des
océans et des continents. Une plaque peut être entièrement océanique (Nazca),
océanique et continentale (Afrique), uniquement continentale (Turquie).
► TP 1. Les mouvements relatifs des plaques
II. Les plaques lithosphériques présentent des
mouvement relatifs
 Les déformations aux frontières de plaques (séismes, reliefs...) sont la conséquence
de leurs déplacements.
A. Divergence au niveau des dorsales où elles se forment
► FIGURE 6. Âge des sédiments océaniques (forages) dans Hatier p. 301
fig. 7.
1. L'âge maximum des sédiments océaniques augmente au fur et à mesure que
l'on s'éloigne de l'axe de la dorsale et il est symétrique par rapport à cet axe
(océan Atlantique).
► FIGURE 7. Les données du paléomagnétisme dans Hatier p. 308.
2. Les anomalies magnétiques alternativement positives et négatives forment
des bandes parallèles, symétriques et de plus en plus anciennes à mesure que
l'on s'éloigne de l'axe de la dorsale.
► FIGURE 8. Âge des fonds océaniques dans Hatier p. 309 fig.22.
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 Certains minéraux du basalte (magnétite) s'aimantent en fonction du champ
magnétique au moment de leur mise en place puis conservent cette orientation après
refroidissement (magnétisme rémanent).
 Lors des mesures en milieu marin le champ magnétique actuel se combine au champ
fossile des basaltes. Quand le champ fossile est « normal », il s’ajoute au champ actuel
on enregistre une anomalie positive. Quand le champ fossile est « inverse » il se
retranche au champ actuel, on a une anomalie négative.
NB. Cela concerne la direction du champ magnétique et non la position exacte des pôles
qui varie par ailleurs.
► FIGURE 9. Éloignement par mesure GPS dans Hatier p. 309 fig. 23.
► FIGURE 10. Mouvements relatifs aux limites de plaques dans Nathan
p. 304 fig. 2.
3. Le positionnement par satellite (GPS : Global Positionning System) permet
des mesures annuelles (précision de l'ordre de quelques mm) qui confirment
les observations géologiques portant sur des durées élevées. Il y a divergence
au niveau des dorsales.
 On utilise au moins 4 satellites émetteurs qui envoient des signaux de longueur
d'onde micrométrique (qui traversent les nuages) sur des balises au sol.
 On réalise une mesure au moins tous les 3 ans et idéalement au bout de 10 ans pour
obtenir une valeur de vitesse dont l'erreur relative soit acceptable. Des ellipses d'erreur
sont en général présentées sur les documents présentant les mesures de vitesses GPS.
 À partir de 2008 le système européen Galiléo aura la même fonction que le système
américain GPS.

Ces observations montrent que la lithosphère océanique :
- prend naissance au niveau des dorsales (actuel dans l'axe de la dorsale) ;
- diverge à partir des dorsales (symétrie des âges, et GPS) ;
- se renouvelle complètement (= disparaît) en 180 Ma.
 La divergence de l'océan Atlantique est de l'ordre de 2 cm/an alors que celle de
l'océan Pacifique est d'environ 15 cm/an.
B. Convergence dans les zones de subduction et de collision où elles
disparaissent
► FIGURE 8. Âge des fonds océaniques dans Hatier p. 309 fig.22.

Les fonds océaniques sont jeunes. Leur âge ne dépasse jamais 180 Ma. La croûte
océanique d'âge supérieur disparaît.
► FIGURE 11. Activité sismique sous le Japon dans Hatier p. 302 fig. 8.
► FIGURE 12. Profil tomographique au niveau du Japon dans Hatier p. 303
fig. 9.
► FIGURE 4. Distribution des reliefs (Carte du fond des océans) dans Hatier 3°
de couverture et Daniel p. XVI.

La surface de la Terre est constante, il disparaît donc autant de croûte océanique
qu'il ne s'en forme. Ainsi, ans les zones de convergence, on observe soit un excès
de lithosphère (chaîne de montagne) soit une subduction.
La convergence sera étudiée en Terminale S.
C. Coulissage le long des failles transformantes (ni formation ni
destruction)
► FIGURE 13. Déplacement relatif et coulissage de deux plaques dans
Nathan p. 313 fig. 2 et Hatier p. 304 fig. 13.
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

Les plaques lithosphériques se déplacent sur une sphère. Leurs mouvements
relatifs impliquent des coulissages entre deux plaques voisines le long de failles
transformantes.
Il est possible de mettre en évidence ces coulissages en observant le décalage de
marqueurs symétriques au voisinage d'une dorsale.
► TP 2. L’enregistrement du déplacement des plaques
D. Les volcans de point chaud enregistrent les directions de
déplacement des plaques
► FIGURE 14. Point chaud de Hawaii dans Hatier 306 fig. 18.
► FIGURE 15. Alignements volcaniques dans Hatier p. 307 fig. 19 et 20.
► FIGURE 16. Le point chaud d'Hawaii dans Daniel p. 378
► FIGURE 17. Répartition des points chauds à la surface du globe dans
Dictionnaire des Sciences de la Terre - Encyclopædia Universalis p. 770.


Ces volcans ne sont en général pas situés aux frontières de plaques (sauf
l'Islande). Ils marquent une remontée ponctuelle et fixe de matériel du manteau
profond (magma). Ils s'expriment par des éruptions massives de laves
basaltiques (OIB = Océanic Island Basalt) :
- si le point chaud se forme à l'aplomb d'une croûte continentale, il se forme
d'épaisses coulées : les trapps ;
- si le point chaud se forme à l'aplomb d'un domaine océanique il est à l'origine
de plateaux océaniques épais.
En milieu océanique les points chauds sont aussi à l'origine d'alignements
insulaires qui enregistrent la direction des déplacements lithosphériques au
dessus d'un point fixe (Hawaii).
► TP 3. Le moteur du déplacement des plaques
III. La machinerie thermique de la Terre est le moteur du
déplacement des plaques
A. La dissipation de l'énergie interne entraîne des mouvements de
convection manteliques

La chaleur interne a actuellement pour origine essentielle la désintégration de
certains isotopes radioactifs. Cette source d'énergie interne entraîne des transferts
de chaleur depuis l'intérieur du globe jusqu'à la surface du globe ou flux
géothermique.

Le gradient géothermique moyen est de 20°C à 30°C/km .
 Le flux géothermique mesuré en surface varie de 30 à 250 mW.m-2 (moyenne
80 mW.m-2). Ces valeurs sont faibles par rapport à l’énergie externe (constante solaire
= 340 W.m-2).
-2
Fux géothermique (en mW.m )
Croûte océanique
Croûte continentale
Dorsale
Plancher abyssal
Vieux socle granitique
250
70
60
► FIGURE 18. Flux de chaleur émis par la Terre dans Hatier p. 343 fig. 2.
► FIGURE 19. Tomographie sismique du manteau supérieur dans Hatier p.
344 fig. 4.
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
Comme dans tous les solides ce transfert peut se faire par conduction mais les
roches sont de mauvaises conductrices de la chaleur. L'inégale répartition du flux
géothermique trahit l'existence de mouvements de convection thermique dans
le manteau (transport de chaleur par mouvement de matière car les roches du
manteau ont un comportement ductile (= plastique).
► FIGURE 20. Modèle analogique de mouvement de convection dans Hatier
p. 345 fig. 8.
B. La divergence traduit des courants montants chauds
► FIGURE 21. Profil de la dorsale Atlantique (séismes) dans Hatier p. 301 fig.
6.
► FIGURE 20. Vitesse des ondes P et isogéothermes au niveau d'une
dorsale dans Hatier p. 345 fig. 6 et 7.
► FIGURE 18. Flux géothermique à l'aplomb d'une dorsale dans Hatier p. 343
fig. 3.
► FIGURE 25. Le moteur de la tectonique des plaques RR
► SCHEMA. Le moteur de la tectonique des plaques à partir de la figure 25 à
construire pas à pas.


La dorsale océanique culmine à moins 2 500 mètres, et se caractérise par :
- une lithosphère océanique jeune et fine ;
- un flux géothermique positif élevé ;
- une sismicité élevée mais de surface.
On en déduit que les fonds océaniques se forment en permanence à ce niveau,
c'est l'accrétion ou expansion océanique.
C. La partie superficielle d'une cellule de convection entraîne la plaque
horizontalement
► FIGURE 22. Profondeurs de l'Atlantique et du Pacifique en fonction de
l'âge de la lithosphère dans Daniel p. 405
► FIGURE 23. Structure d'une dorsale (épaississement) dans Hatier p. 348 fig.
15.
► FIGURE 24. Coupe simplifiée
Accompagnement fig. A et D.

d’une
dorsale
océanique
dans
L'épaisseur et la densité de la lithosphère océanique augmentent à mesure que
l'on s'éloigne de la dorsale. Cela provoque un enfoncement dans l'asthénosphère.
Les mécanismes de l'épaississement et de l'augmentation de densité crustale sont
étudiés au chapitre 5.3-IIC.

Ainsi se crée une pente douce depuis l'axe de la dorsale à - 2 500 m de
profondeur, jusqu'à la plaine abyssale à - 4 000 m de profondeur. Du fait de
l'augmentation d'épaisseur de la plaque, cette pente est accentuée sur sa face
inférieure. Cela permettrait un glissement gravitaire de la lithosphère océanique
le long de cette pente qui faciliterait le déplacement lié à la convection.
Voir Caron p. 93.
 La zone des faibles vitesse des ondes sismiques (LVZ) qui sépare la lithosphère de
l'asthénosphère constitue une "couche savon" facilitant ce glissement.
D. La subduction traduit des courants descendants froids
► FIGURE 18. Tomographie sismique du manteau supérieur dans Hatier p.
344 fig. 4.
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► FIGURE 12. Profil tomographique au niveau du Japon dans Hatier p. 303
fig. 9.
► FIGURE 11. Activité sismique sous le Japon dans Hatier p. 302 fig. 8.


Les fonds océaniques les plus anciens sont datés de 180 Ma et se rencontrent au
niveau des fosses océaniques dont la profondeur est supérieure à 6 000 mètres
(elle peut atteindre 11 000 m). Elles se caractérisent par :
- des séismes dont la profondeur des foyers augmente régulièrement jusqu'à 700
km (plan de Benioff-Wadati) ;
- un flux géothermique élevé en avant de la fosse mais anormalement bas à son
niveau.
On en déduit que la lithosphère océanique, froide, s'enfonce dans l'asthénosphère
sous une lithosphère sus-jacente, c'est la subduction. Cela explique la jeunesse
de la lithosphère océanique par rapport à la lithosphère continentale.
 La Terre est datée de 4,6 Ga. Sur les continents on trouve des terrains datés jusqu'à
3,8 Ga (Groenland) mais la lithosphère océanique a un âge maximum de 180 Ma.
 180 Ma représente une "limite d'âge" pour laquelle toute lithosphère océanique a
une densité supérieure à l'asthénosphère.
Remarque 1. De manière hypothétique on referme la cellule de convection
entre la base de la zone de subduction et la zone d'accrétion.
 On ignore pour l'instant si la circulation convective se fait sur un ou deux niveaux
dans le manteau (voir Daniel p. 375 et 376).
Remarque 2. Un point chaud correspond à un panache de chaleur lié à la partie
ascendante de cellules de convection du manteau profond indépendantes de
celles du manteau superficiel. Ce panache traverse les cellules de convection
manteliques (= du manteau superficiel) et parvient à la surface en un point fixe.
La position des points chauds est donc indépendante des limites de plaques. Le
magmatisme qui en résulte a des caractéristiques différentes de celui des
dorsales.



BILAN
Le relief de la surface terrestre ainsi que les activités sismiques et
volcaniques sont les témoins d'une tectonique des plaques dont les
déplacements peuvent être mesurés.
Les plaques divergent au niveau des dorsales, convergent dans les
zones de subduction et de collision, et coulissent le long des failles
transformantes.
Le moteur de cette tectonique réside dans les mouvements de convection
du manteau. La dissipation de l’énergie interne du globe provoque en
effet des mouvements de fluage dans le manteau solide mais très chaud.
Quand ces mouvements s’exercent sur la lithosphère, essentiellement
solide car froide, il en résulte des mouvements horizontaux. La limite de
température entre lithosphère et asthénosphère est 1 200°C (LVZ).
 La distinction lithosphère - asthénosphère n’est donc pas chimique mais
thermique (mécanique).
Mise à jour des deux documents de travail.