La tectonique des plaques - LE SITE DE MATHIEU RODRIGUEZ

La tectonique des plaques : des grandes questions
d’hier aux grandes questions d’aujourd’hui
Alfred Wegener, théoricien de
la « dérive des continents »
Cours
Ecole Normale Supérieure - CACHAN
Par Mathieu RODRIGUEZ
[email protected]
Pr. Agrégé en sciences naturelles
Plan
• 1) Les prémices de la théorie de la dérive des continents
• 2) La formulation de la théorie de la dérive des continents
• 3) Les forces motrices de la dérive des continents et le rejet
de la théorie
• 4) Les grandes découvertes à l’origine de la théorie de la
tectonique des plaques
• 5) La formulation de la théorie de « la tectonique des
plaques »
• 6) Quel est le moteur de la tectonique des plaques?
• 7) Quel rôle pour les panaches mantelliques dans la
tectonique des plaques? L’exemple de l’ouverture du Golfe d’
Aden
Les prémices de la théorie de la dérive des continents
(XVIII°-XIX° siècle)
Le voyage dans les Alpes de H.B. De Saussure (1779)
Les structures géologiques et les mouvements horizontaux de
« l’écorce terrestre »
Horace Bénédicte
de Saussure
Le pli couché de St Clément
1779
Les nappes de charriage
Marcel
Bertrand
Les nappes de charriage se forment à la
faveur de failles inverses sub-horizontales
et sont le signe d’un important
raccourcissement horizontal.
Déplacement des formations sur des
dizaines,
Voire centaines de km
Nappe de Digne et dôme de Remollon, Alpes
Elie de Beaumont et la contraction thermique de la Terre, en 1828
Un premier cadre conceptuel
Les plis et les failles inverses seraient le résultat de glissements
gravitaires sur les flancs des reliefs créés par intumescence thermique…
La gravimétrie et la structure profonde de la Terre, les prémisses
Clairaut
Bouguer
Les anomalies de Bouguer dans
les Alpes, un paradoxe?
L’isostasie
Les reliefs des chaînes de
montagne sont compensés par
une racine crustale en profondeur
(principe d’Archimède)
Le modèle de Pratt sera repris lors de la
découverte des dorsales océaniques
Airy
Approche paléontologique :
Les « liaisons continentales » d’ E. Suess et E. Haug.
Eduard Suess,
1831-1914
Auteur de
« La Face de la Terre »
Ils observent des analogies de faunes et de flores fossiles entre des régions aujourd'hui
séparées par des océans et remarque que celles-ci sont inexplicables si l'on n'admet pas
l'existence de liaisons intercontinentales : l'isolement génétique aurait nécessairement abouti à
de profondes divergences. Selon eux, les continents étaient autrefois beaucoup plus étendus et
ils se sont effondrés en leur milieu pour former les bassins océaniques
Quelle théorie unifiait ces observations avant « la dérive des
continents » de Wegener?
Suess : il ne peut y avoir de
déformation sans
déplacements horizontaux.
Les déformations suivent les
mêmes directions au sein
d’une chaîne de montagne.
Les chaînes de montagne sont
des empilements d’écailles
d’âge et de nature différents.
Estimation du
raccourcissement dans les
Calédonides : 100 km!
En 1887, M. Bertrand affirme que l'Amérique du Nord et l'Europe formaient autrefois un seul
continent qui s'est effondré en son centre pour constituer l'Atlantique. L'unité des deux blocs
continentaux est démontrée par le prolongement des chaînes européennes (chaînes
calédonienne, hercynienne et alpine) sur le continent américain.
La théorie des géosynclinaux
Isostasie
Surrection de relief
pour compenser l’excès
d’apports sédimentaires
Déformations gravitaires
Explique les variations
de pression et Température
subies par les minéraux
Métamorphiques…
CETTE THEORIE REFUTE L’INTERVENTION DE TOUT MOUVEMENT HORIZONTAL D’ECHELLE REGIONALE!!!
L’intérieur de la Terre
Les calculs de Roche :
Masse volumique moyenne de la Terre: ρ= 5,52.103 kg.m-3 … contraste avec la densité
des roches de surface!
L’intérieur de la Terre vu par les ondes sismiques
Dr. Inge Lehmann , découverte du
noyau en 1936.
Beno Guttenberg, limite manteau-noyau 1912
MAIS… LA TERRE EST SOLIDE???
La formulation de la théorie de la dérive des continents (1912)
Alfred Wegener
La correspondance entre les formes des
continents:
Il ne s’agit pas uniquement de l’emboîtement
géométrique des pièces d’un même puzzle car
d’un continent à l’autre, ce sont également les
formations géologiques qui se poursuivent de
manière très satisfaisante.
Exemple des boucliers précambriens
Exemple de la chaîne calédonienne
Les conceptions de Suess ou Bertrand
sont revisitées
Analogies des faunes et des flores fossiles qui
imposent des liaisons intercontinentales
Continuité des structures géologiques
Répartition des formations glaciaires paléozoïques
La dérive des continents
Résumé
Wegener affirme que les continents,
constitués de sial reposent sur un
substratum de sima plus dense qui affleure
directement au niveau des océans. Les
continents, autrefois réunis en une seule
masse continentale nommée Pangée, se
sont dispersés pour atteindre leur position
actuelle en fendant le sima qui les entoure.
Les idées nouvelles sont de
remplacer
les
continents
intermédiaires affaissés de Suess
par une translation continentale
et de faire intervenir la théorie de
l'isostasie avec une perspective
nouvelle par rapport à la théorie
des Géosynclinaux
L’application de la dérive des continents aux
chaînes de Montagne, les travaux d’E. Argand
EMILE ARGAND, en 1924
Les chaînes alpines
vues par E. Argand
Déjà le paradoxe de la subduction continentale!
Validité des travaux de E. Argand?
Confrontation avec les données actuelles
de la géophysique (Profil ECORS Alpes)…
Détails la semaine prochaine!
Les forces motrices de la dérive des continents
&
Le rejet de la théorie
Les mécanismes proposés par Wegener et ses partisans
Wegener
envisage
quatre
forces
susceptibles de jouer un rôle moteur :
_La force d’Eötvös qui est une
conséquence de la théorie de l’isostasie
sur une Terre aplatie et qui pousse les
continents vers l’équateur,
_les forces de précession,
_les frictions des marées qui poussent les
continents vers l’ouest,
_l’attraction directe entre les continents.
Ces forces sont excessivement faibles (la
force d’Eötvös, de loin la plus importante, a
une amplitude qui ne dépasse pas trois
millionième de celle de la pesanteur), mais
parce qu’elles agissent constamment dans
la même direction et avec la même
intensité, Wegener affirme qu’elles peuvent
produire des déplacements importants.
Wegener se trompe dans ces calculs de
vitesse d’ouverture des océans (il trouve
des valeurs de l’ordre de la dizaine de
mètres par an)
La force d'Eötvös provient de ce que le
centre de gravité G du continent est distinct
du centre d'action P de la force d'Archimède
et qu'à l'intérieur d'une Terre ellipsoïdale, la
direction de la pesanteur s'écarte de la
normale à la surface : le poids g du continent
et la poussée d'Archimède a (inverse du
poids j du matériau déplacé) donnent
naissance à une résultante e dirigée vers
l'équateur
Un exemple de critique parmi les plus virulentes :
H. Jeffreys,
et l’impossibilité mécanique de la tectonique des
plaques
« Une autre hypothèse impossible est fondée sur la conception que la Terre est dénuée de
toute résistance à la déformation. Cette hypothèse affirme qu'une petite force peut non
seulement provoquer des mouvements indéfiniment grands, à condition qu'elle dispose
d'une durée suffisante, mais encore qu'elle peut surmonter une force plusieurs fois plus
importante et agissant dans le sens inverse pendant la même durée. Par exemple, selon la
théorie de Wegener, une force minuscule n'aurait pas seulement déplacé l'Amérique par-delà
l'Atlantique actuel, mais encore la résistance opposé à ce mouvement par le fond du
Pacifique aurait provoqué l'élévation des montagnes Rocheuses. […] Pour que cette formation
de montagnes se réalise toutefois, il faut un apport d'énergie pour élever les roches
concernées ; la contrainte disponible doit surmonter la gravitation et doit donc dépasser la
pression exercée par le poids de la montagne. Le frottement des marées et les différences
entre les valeurs de la gravitation dans les parties supérieures et inférieures des continents
sont généralement les forces invoquées par des théories de ce type ; elles sont capables de
produire des contraintes de l'ordre de 10-5 dynes/cm2 [10-6 Pa], alors que pour élever les
Rocheuses il faudrait environ 109 dynes/cm2 [108 Pa]. La supposition selon laquelle la Terre
pourrait être déformée indéfiniment par de petites forces à la seule condition que celles-ci
agissent longtemps, est donc une supposition très dangereuse, qui peut conduire à des
erreurs graves. (Harold Jeffreys, The Earth, 1924, Cambridge, University Press, p. 261.)
Si la dérive est impossible, comment réfuter les
arguments naturalistes? Un exemple…
•
•
Bailey Willis s’efforça de rendre les indices de glaciation
compatibles avec l’immobilité des continents. La
solution : les isthmes, bandes de 5000 km de long
sorties ex nihilo des océans (dont on ne connaissait pas
les reliefs). Les isthmes isolaient des océans, et
conditionnaient la répartition des glaciations.
Et la paléo-biogéographie? Rôle des oiseaux migrateurs.
On interprétait les régions ayant des fossiles différents
comme des environnements différents, et non des lieux
différents.
Bailey Willis
La théorie de la dérive des continents est donc rejetée en raison de l’absence d’un moteur
physique convaincant, de l’impossibilité de tester les hypothèses émises sur la structure
profonde de la Terre et sur la rhéologie de ses différentes enveloppes, mais surtout en
raison d’une méconnaissance quasi-totale de la géologie des fonds sous-marins… Ainsi
les géosynclinaux servirent de paradigme aux sciences de la Terre jusqu’aux années 60…
Les grandes découvertes à l’origine de la théorie de la
tectonique des plaques
Le Glomar challenger, premier navire océanographique
La découverte de la convection dans le manteau
Lord Rayleigh
Ra=α.ΔT.g.h3 /κ.ν
http://planet-terre.enslyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/me
tadata/LOM-convection-mantelliquetectonique-plaques.xml
Le moteur de la convection thermique est la poussée d'Archimède,
due à la différence de masse volumique Δρ entre deux zones d'un
même système. Le Δρ d'un système dépend de l'écart de
température ΔT et du coefficient de dilatation thermique α. La
poussée d'Archimède dépend de l'accélération de la pesanteur g et
de Δρ ; elle dépend en fait du produit ΔT.α.g. Deux paramètres
physiques vont s'opposer à la convection thermique : la viscosité
cinématique ν qui s'oppose aux mouvements, et la diffusivité
thermique κ qui limite les écarts de température. Plus un corps est
visqueux, moins il se déformera. Et plus un corps a une diffusivité
thermique élevée, moins il pourra s'établir de gradients de
température et de masse volumique importants car la diffusion de
chaleur par conduction limitera les écarts de température. On peut
aussi montrer que la hauteur h d'un système favorise la convection :
plus un système est mince, mieux la chaleur s'évacue par
conduction ; plus il est épais, plus les mouvements de convection «
ont de la place » pour s'établir
Les différents régimes de convection selon le nombre de
Rayleigh
• 1700<Ra<30 000 convection stationnaire
• 30 000<Ra<70 000 bouffées occasionnelles de
panaches ascendants
• Ra>70 000 convection chaotique
La convection mantellique, un possible moteur?
Arthur Holmes
•
« On peut conclure qu'il y a maintenant des preuves convaincantes de l'existence d'une dérive
continentale à une échelle du même ordre que celle défendue par Wegener. […] Beaucoup de
géologues ont hésité à accepter cette lecture franche et logique des roches, parce qu'aucune force
gravitationnelle ne semblait capable de déplacer les morceaux continentaux dans la bonne
direction de l'Afrique vers le Pacifique. […] Il reste à considérer la suggestion heureuse que nous
devons à A. J. Bull, à savoir que les courants de convection peuvent s'établir dans la strate inférieure
en raison du chauffage différentiel par la radioactivité. Au lieu du magma basaltique mobile de Joly,
on imaginerait une pyrosphère hautement visqueuse, chauffée inégalement jusqu'à de très grandes
profondeurs. Un courant orienté vers le haut et semblable à un rideau se développerait sous la
zone de la plus forte sortie de chaleur. En se retournant à la base du sial ou à côté de cette
dernière, il exercerait une traînée puissante sur la surface inférieure dans deux sens opposé,
conduisant ainsi à la formation d'un géosynclinal. Le courant de retour vers le bas serait
naturellement à rechercher juste au-delà des bords continentaux. Une masse continentale serait en
mesure d'avancer en butant sur le plancher océanique dense situé en avant d'elle. Au fur et à
mesure du processus, la formation des montagnes serait engagée et à la fin la direction des
courants serait inversée. » (Arthur Holmes, « Radioactivity and Continental drift », Geological
Magazine, 65, 1928, p. 237-238.)
Les cartes de la sismicité et la définition des frontières de plaques
Hypothèse initiale : les plaques sont des ensembles rigides, la déformation est concentrée
au niveau de leurs limites. Vrai au premier ordre, il existe cependant une sismicité intraplaque.
La sismicité révèle les frontières océaniques, et l’activité tectonique des océans, qui n’ont pas
encore été explorés dans les années 50!
Les plans de Wadati-Béniof et la découverte des zones de
subduction
Révélé par la sismicité
Une grande diversité de subductions, dont
les types « Marianne » et « Chili » sont les
extrêmes
Les premières cartes des fonds océaniques : découverte des dorsales
et des fosses de subduction
Marie Tharp à l’ouvrage…
Forages des sédiments :
peu épais et récents proches des dorsales
La découverte des anomalies du
champ magnétique des fonds
océaniques
Notion d’anomalie
en géophysique :
différence entre la
valeur mesurée et
sa valeur théorique
VINE
&
MATTHEWS
L’expansion des fonds océaniques
vue par les anomalies magnétiques
Cartes des anomalies magnétiques
Problème de la période de calme magnétique au Crétacé (MO à A34)
L’interprétation des anomalies magnétiques du plancher
océanique
Hess
• La situation évolue au début
des années 1960 lorsque
Hess découvre l’expansion
des fonds océaniques et
qu’il considère que les
dorsales
sont
la
manifestation en surface
des branches ascendantes
de cellules de convection et
que les fosses océaniques
sont les témoins des
branches descendantes
Idée d’un couplage mécanique Manteau/lithosphère, dans la lignée des intuitions de Holmes…
A vérifier!!!
FAILLES
TRANSFORMANTES
La frontière de
plaque Inde/Arabie
Un obstacle à la
proposition
de Vine & Matthews :
le flux de chaleur
Photo de fumeur noir
Flux de chaleur au niveau des dorsales océaniques : mesures incohérentes avec le flux prédit
par la conduction de la lithosphère océanique… Le paradoxe vient des fumeurs au niveau des dorsales !
Difficile au-delà de 180 Ma
(âge du plus vieux plancher océanique)
La formulation de la
théorie de « la tectonique
des plaques »
J.Morgan, X.LePichon, D. McKenzie
Les principales plaques tectoniques
Considéré instantané à
l’échelle des temps géologiques
Compléments : voir Larroque & Virieux : « Physique de la Terre solide »
voir Lallemand et al. « convergence lithosphérique »
Application : cinématique Amérique du Nord/ Juan de Fuca
Cinématique des plaques et GPS
Voir cours C. Vigny – P. Briole
MORVEL
(DeMets et al., 2010)
Quel est le moteur de la tectonique des plaques?
Est-ce la convection mantellique comme proposé par les pionniers,
Ou existe-t-il un autre mécanisme possible?
Rappels sur la convection mantellique (comment la mettre en évidence)
Imagerie de l’intérieur de la Terre : la tomographie des ondes sismiques
Etude du géoïde
Confrontation des observations aux modèles cinématiques
La mise en évidence des courants de convection mantellique
Les zones de fort flux de chaleur sont-elles le fait de
mouvements ascendants de l’asthénosphère?
La structure interne de la Terre,
Modèle PREM
(Preliminary Reference Earth Model)
La preuve de la convection par
l’étude d’échantillons de
Péridotites
Différentes compositions
minéralogiques
des péridotites, liées à des
changements
de Pression et Température
 mouvements intra-mantelliques
Péridotites:
Variations P/T : changements des
minéraux
=> Fournit des Points d’ancrage pour
connaître le géotherme …
…Et calculer le nombre de Rayleigh !
Détermination du géotherme
GEOTHERME ET
COUCHES LIMITES
THERMIQUES : couches minces
qui échangent de la chaleur par
conduction avec l'extérieur et
qui se mettent en mouvement à
cause des différences de masse
volumique
La tomographie sismique;
Le scanner de la terre interne
Convection mantellique, expansion océanique et subduction
Tomographie : la majorité des zones de subduction atteignent la limite avec le noyau
Il n’y a pas sous les dorsales d’anomalies thermiques s’enracinant à plus de 400 km de fond,
Il n’y a pas de remontée de manteau chaud en provenance de la base du manteau
La convection mantellique démontrée par la gravimétrie
• Le géoïde est une surface équipotentielle de référence du
champ de gravité.
• Rappel : La gravité g est la dérivée du potentiel de gravité 
dU/dz= d(gz)/dz= g
• En physique, on montre que l’interface entre deux fluides est
toujours une équipotentielle.
•  La surface moyenne des océans a donc été choisie comme
équipotentielle de référence!
• Géoïde = forme qu’aurait la Terre si elle était entièrement
recouverte par les océans
Altimétrie spatiale : Principes
ETAPE 1
Radar : émet un signal à très haute
fréquence verticalement.
⇒Distance satellite – surface de la mer
avec précision de 2 cm.
⇒Il faut ramener cette distance par
rapport à une surface de référence.
ETAPE 2
Localisation du satellite et de sa
position sur sa trajectoire (altitude,
latitude, longitude…)
Ex : système DORIS
ETAPE 3
Projection de la position du satellite
sur l’ellipsoïde de référence.
⇒Précision de l’altitude du satellite de
3 cm.
Attention : nombreuses corrections avant interprétation du résultat
Les anomalies du géoïde sont-elles le fait d’hétérogénéités dans
la répartition des masses à l’intérieur de la Terre?
Dans la réalité, les masses ne sont pas réparties aussi
uniformément que dans le modèle d’une terre ellipsoïdale,
à enveloppes concentriques et uniformes
!!! Les creux et les bosses du géoïde sont définis par rapport à l’ellipsoïde de référence!!!
Géoïde et position des points chauds
Principe de l’orbitographie
Pour satellite, f gravité = f centrifuge
Pour équilibrer
excès de masse,
Il faut augmenter la
force centrifuge
Pour rester sur une
Équipotentielle, et
Retrouver une même
Valeur du champ de
Gravité, le satellite doit
S’éloigner de l’excès de
Masse, vers des valeurs
De g + faibles
Orbite
satellite
Excès de
masse
On établit une
Trajectoire de
Référence (ellipsoïde),
basée Sur les lois de
Kepler. On mesure
Les écarts par
Rapport à ce
Modèle.
Les écarts sont dus à
L’hétérogénéité de la
Répartition des masses
À l’intérieur de la Terre
Modèle statique : que se passe –t-il lorsqu’on introduit un excès de masse?
Surface mer
Lithosphère
Manteau
+++
Excès de
masse
BOSSE!
+ gravité forte,
+ eau attirée
Dc bosse du
Géoïde (& niv. Moyen
Des mers)
Modèle statique : que se passe –t-il lorsqu’on introduit un déficit de masse?
Surface mer
Lithosphère
-- - déficit de
masse
Manteau
CREUX!
+ gravité faible,
-eau attirée
Dc creux du
Géoïde (& niv. Moyen
Des mers)
A partir de la tomographie sismique dans le manteau, on
obtient la Répartition des masses (la vitesse des ondes
sismiques dépendant de la Densité du milieu traversé).
On peut donc modéliser le géoïde!
Mais le modèle statique donne des creux là où on observe des
bosses,
Et vice- versa…
 Nécessité de prendre en compte la convection!!!
Effet dynamique
+++++++
----dense, le déficit de masse remonte par convection, entraînant avec lui du manteau plus dense.
L’effet dynamique entraîne donc une bosse du géoïde pour un déficit de masse!
Il faut combiner l’effet statique et l’effet dynamique pour avoir le géoïde réellement observé.
Les orbites des satellites et l’analyse du géoïde permettent donc d’imager la convection dans le
manteau
Anomalies de grandes longueurs d’ondes
Grandes
longueurs
d’onde du
géoide
CALCULE
(modèle
Tomographie
sismique _modèle
de convection
mantellique)
Grandes
longueurs
d’onde du
géoide
OBSERVE
Figure extraite de Cazenave et Feigl
« formes et mouvements de la terre, satellites et géodésie »
Document GRGS
CONCLUSIONS
• Vitesse des mouvements, âge des plaques et quantité de chaleur
évacuée
• La subduction est le moteur essentiel de la tectonique des plaques
• De façon générale ce sont les forces gravitationnelles qui entraînent
le mouvement des plaques : la vitesse moyenne du mouvement est
inversement proportionnelle à l'âge moyen des plaques. Cette
vitesse s'ajuste en fait à la quantité de chaleur qui doit être
évacuée. Plus cette quantité de chaleur est grande, plus la vitesse
est rapide et l'âge moyen faible.
Gros plan sur la naissance d’un océan, le Golfe d’ADEN
D’après les travaux de:
Marc Fournier (P6)
Nicolas Chamot-Rooke (ens)
Philippe Huchon (P6)
Elia D’Acremont (P6)
Mathieu Rodriguez (P6-ens)
Les
mécanismes
du rifting?
Morphologie d’une dorsale
par sondeur multi-faisceaux
Les anomalies magnétiques du
Golfe d’Aden
Bibliographie
•
•
•
V. Deparis et H. Legros, Voyage à l’intérieur de la Terre. De la géographie antique à la
géophysique actuelle. Une histoire des idées., Paris, CNRS Editions, 2000 (Résumé du livre sur
Planet-terre –site ens lyon).
Pour une approche centrée sur les chaînes de montagne, un lien vers une conférence de j.m.
Lardeaux : http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOMconference-lardeaux.xml
Pour
la
convection
:
http://planet-terre.enslyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-convection-mantellique-tectoniqueplaques.xml