les rémoins de la subduction TPCOLLISION1

Les témoins de la subduction et de la collision
dans les Alpes franco-italiennes (TS)
Les acquis
Il s’agit principalement de la classe de Première : la composition et la structure de la
Terre sont connues, avec notamment la distinction entre croûtes océanique et continentale, et
la notion de lithosphère. L’enseignement de la géologie dans cette classe concerne aussi les
phénomènes de divergence, ce qui conduit à présenter, à analyser et à comprendre la structure
des marges passives, avec les séries sédimentaires associées.
Les acquis sont aussi ceux de la Terminale. Cette leçon sur la collision s’inscrit
naturellement dans la progression après l’étude de la subduction.
On s’attachera à souligner en introduction les reliefs de la chaîne qui constituent les
marqueurs morphologiques de la collision continentale, et qui motivent alors la recherche et
l’étude plus précise d’autres marqueurs.
Une proposition de plan
I / Les marques d’un raccourcissement et d’un épaississement
1 / Les marqueurs tectoniques
-> Poste 1
Il s’agit surtout de montrer qu’un certain nombre de structures, observées à différentes
échelles, attestent d’un raccourcissement.
Ces marqueurs tectoniques sont les plis, les failles inverses et les charriages.
2 / Le raccourcissement et l’épaississement à l’échelle lithosphérique
-> Poste 2
On pourra se fonder ici sur les données de profondeur du Moho, ainsi que sur
l’analyse du profil ECORS, qui permet de formuler des hypothèses sur la structure profonde
de la chaîne.
Il s’agit de montrer l’existence d’une racine crustale.
Celle-ci apparaît en considérant la profondeur du Moho. L’interprétation, donnée, du
profil ECORS fait apparaître l’ensemble de la chaîne comme un prisme orogénique développé
à l’échelle de la lithosphère dans son entier.
II / Des témoins des stades anté-collision
1 / L’existence d’un domaine océanique
On s’intéresse ici aux ophiolites obduites et non subduites, où l’on retrouve les
constituants finalement peu modifiés d’une lithosphère océanique. Les observations faites
dans ce poste seront les observations initiales permettant de comprendre ensuite les évolutions
métamorphiques liées à la subduction.
-> Poste 3
2 / La présence de marges océaniques
Ce poste sera l’occasion de revenir sur les marqueurs de la collision puisque l’on peut
montrer que ces marges ont été tectonisées lors de la collision ultérieure (phénomène
d’inversion tectonique).
-> Poste 4
III / Des témoins de la subduction
1 / La subduction de matériaux océaniques et continentaux
-> Poste 5
2 / Le devenir des matériaux subduits
-> Poste 6
Bilan : les différents phénomènes impliqués dans la formation d’une chaîne de montagnes.
Conception des différents postes
- Poste 1:
Il s’agit dans un premier temps d’identifier des marqueurs tectoniques et d’en
comprendre la signification. Ceci doit conduire à l’idée d’un raccourcissement.
On aura le plus grand souci de mettre en relation les supports utilisés.
On veillera aussi à toujours bien situer géographiquement sur les cartes, les lieux
étudiés. On observera cependant que le repérage et l’identification des structures tectoniques
sur les cartes géologiques ne sont pas exigibles (pas de reconnaissance cartographique des
structures observées à l’échelle de l’affleurement.
objectifs cognitifs :
- Les marqueurs tectoniques de la collision.
objectifs méthodologiques :
- Réaliser des croquis d’interprétation.
- Formuler des hypothèses explicatives.
supports didactiques :
- Photographies de paysages, montrant des plis (anticlinaux et synclinaux), des
failles inverses (ou association pli-faille), des chevauchements ou des nappes de charriage.
Les paysages étudiés sont localisés autant que possible sur les cartes géologiques (on pensera
notamment aux cartes à 1/250 000, Annecy, Gap ou Thonon), qui ne peuvent cependant pas
faire l’objet d’une étude en elle-même, l’exploitation de ces cartes restant trop difficile au
niveau considéré. On pourra penser à la série de diapositives « Géologie des régions, Les
Alpes », Nathan. On n’omettra pas d’utiliser les Guides géologiques régionaux (Masson) qui
fournissent de précieuses informations sur la localisation des structures les plus intéressantes,
souvent accompagnées de schémas d’interprétation.
- Observations à différentes échelles d’échantillons déformés.
activité et production de l'élève :
- Croquis d’interprétation des structures observées.
- Reconstitution de la structure anté-déformation et interprétation.
notions construites :
Certaines déformations (plis, failles inverses et charriages) témoignent de l’existence
de mouvements horizontaux à l’origine de raccourcissements. Ces mouvements révèlent
l’importance de phénomènes compressifs qui accompagnent la convergence.
- Poste 2:
On s’intéresse maintenant à des marqueurs structuraux à l’échelle de la chaîne, ce qui
conduit à appréhender la structure d’ensemble de la chaîne.
objectifs cognitifs :
- Déformations, raccourcissement et épaississement à l’échelle lithosphérique.
objectifs méthodologiques :
- Saisir et mettre en relation des informations.
supports didactiques :
- Carte d’isoprofondeur du Moho.
- Profil ECORS interprété (on se reportera aux références bibliographiques
citées, notamment DERCOURT J. (Géologie et géodynamique de la France Outre-mer et
européenne, 1998, Dunod), DEBELMAS J. et MASCLE G. (Les grandes structures
géologiques, Masson, 1997) ou LEMOINE M. et al. (De l'océan à la chaîne de montagnes,
Gordon and Breach, 2000), dans lesquelles ce profil est discuté.
activité et production de l'élève :
- Représenter l’évolution de la profondeur du Moho selon une coupe EstOuest.
- Étudier la profondeur du Moho à différents points du profil étudié.
- Retrouver des types de déformations déjà observés dans le poste 1
- Indiquer en quoi ce profil atteste d’un raccourcissement et d’un
épaississement à l’échelle de la lithosphère.
notions construites :
Dans certaines zones alpines, la profondeur du Moho est plus importante que dans une
croûte continentale normale : la croûte est donc localement épaissie (jusqu’à plus de 50 km).
On observe par ailleurs des écailles superposées de manteau, qui traduisent un
raccourcissement général à l’échelle de la lithosphère. On reprend ici à une autre échelle des
notions déjà construites dans le poste précédent.
Ce poste permet en particulier de mieux comprendre ce que sont les nappes de
charriage à l’échelle crustale, nappes dont la superposition conduit à un épaississement de la
croûte.
Ce raccourcissement et cet épaississement se marquent à différents niveaux de la
croûte par l’existence de nombreux chevauchements (synthèse avec le poste 1).
- Poste 3:
Il s’agit maintenant de parvenir à l’idée de collision entre deux plaques continentales.
Ceci suppose que soit reconnue l’existence d’anciennes limites de plaques. On s’intéresse
alors à des formations particulières, identifiées dans les Alpes, les ophiolites.
On travaillera ici sur des ophiolites obduites (exemple : ophiolites du Chenaillet) et
non subduites (exemple : ophiolites du Mont Viso), les mécanismes de l’obduction n’étant
toutefois pas au programme.
objectifs cognitifs :
- Nature pétrographique des ophiolites et signification.
objectifs méthodologiques :
- Utiliser des outils d’observation .
- Formuler des hypothèses explicatives.
supports didactiques :
- On se fondera sur des observations d’affleurements et d’échantillons étudiés à
l’échelle macroscopique et microscopique.
- Série ophiolitique du Chenaillet : documents divers (photographies ou cassette
vidéo, échantillons des différents niveaux).
- Localisation des formations ophiolitiques sur la carte géologique et sur le profil
ECORS.
activité et production de l'élève :
- Analyser les échantillons et les identifier (notamment gabbros, pillow-lavas…). Cette
analyse s’appuie sur les connaissances acquises (formation de la croûte océanique, classe de
Première).
- Construire une colonne synthétique des différentes roches (-> obtention d’un « log »
ophiolitique). Formuler alors une hypothèse sur l’origine des roches.
- Indiquer ce qu’apprend l’existence de ces roches sur le phénomène de collision.
notions construites :
On observe au sein de la chaîne des formations associant différentes roches
(péridotites, gabbros, basaltes et radiolarites), analogues au cortège observé dans la croûte
océanique et le manteau. Ces formations peuvent être interprétées comme les témoins de
domaines océaniques disparus. La chaîne de montagnes résulte alors de la collision entre les
blocs continentaux autrefois séparés par le domaine océanique.
Rmq (hors programme) : Il convient ici de se souvenir que la séquence ophiolitique
décrite dans les Alpes (ophiolites LOT) diffère quelque peu de la structure de la croûte
océanique qui aura sans doute été présentée en Première (croûte homogène de type Pacifique).
Cette dernière s’apparente aux ophiolites HOT, dont le meilleur exemple est Oman. Les
ophiolites alpines se rapprochent davantage d’une croûte de type atlantique, mise en place par
une dorsale lente. Pour davantage d’informations, on se reportera avec intérêt à JUTEAU Th. ,
Genèse de la lithosphère océanique, Masson.
La mise en évidence de vestiges de croûte océanique peut alors conduire à s’interroger
sur l’existence d’autres structures océaniques, aujourd’hui déformées, comme les marges de
l’océan.
Les mécanismes de l’obduction ne sont pas au programme. On pensera cependant au
questionnement scientifique suivant la leçon. Il faudrait donc revoir les conditions de mise en
place des ophiolites. Il faudrait aussi se souvenir de la distinction existant entre les ophiolites
qui n’auront pas subi de métamorphisme lors de la subduction-collision (exemple, série
supérieure du Chenaillet, étudiée dans ce poste, et qui a été le siège d’une obduction), de
celles qui auront subi un métamorphisme important lors d’un enfouissement en profondeur
(ophiolites du Viso, par exemple). Ces dernières seront étudiées plus loin, comme témoignage
de la subduction (cf. poste 5).
Pour l’étude des ophiolites alpines, on se reportera avec intérêt à LEMOINE M. et al,
De l’océan à la chaîne de montagnes, Gordon et Breach, 2000.
- Poste 4 :
On recherche alors d’autres témoins de l’histoire océanique des plaques entrées en
collision, ici des structures de marges passives.
objectifs cognitifs :
- Identification des structures de marge.
objectifs méthodologiques :
- Mettre en relation des informations pour formuler une hypothèse explicative.
supports didactiques :
- Photographies à l’échelle de l’affleurement : on se reportera notamment à
LEMOINE M. et al., De l’océan à la chaîne de montagnes, Gordon and Breach, 2000 :
planches couleurs VII et VIII., avec indications des séries sédimentaires associées.
- En rappel éventuel, profil sismique d’une marge passive (par exemple in
DEBELMAS J. et MASCLE G. Les grandes structures géologiques, Masson, 1997).
- Reconstitution schématique d’une coupe de la marge européenne de l’Océan
alpin au Jurassique supérieur.
activité et production de l'élève :
- Identifier les arguments structuraux et sédimentologiques qui permettent de
reconnaître une structure de marge océanique passive.
notions construites :
- Certaines zones des Alpes révèlent d’anciennes structures de marge passive bordant
un domaine océanique. Ces marges passives sont déformées et témoignent de la collision
continentale. La chaîne alpine résulte de la collision de marges continentales après disparition
de l’océan.
Rmq : Dans le cadre de l’étude du phénomène de collision, le point essentiel serait en
fait de montrer la déformation ultérieure de ces marges (inversion tectonique des failles
normales rejouant ensuite en failles inverses). Ceci se prête toutefois plus difficilement à une
mise en évidence simple. En s’appuyant sur le poste 1, on pourra alors se contenter de
rappeler l’existence de déformations affectant l’ensemble des terrains.
.
- Poste 5 :
Les postes précédents ont mis en évidence l’existence d’un domaine océanique dont
des témoins se retrouvent déformés au coeur de la chaîne. Le problème posé est alors celui de
la résorption de ce domaine avant collision. Les connaissances acquises dans cette partie du
programme de Terminale, peuvent conduire à formuler l’hypothèse d’une subduction.
On sait que ces mouvements de subduction soumettent les matériaux à de nouvelles
conditions de pression et de température dont le métamorphisme est le meilleur marqueur.
Il convient alors de montrer que la collision est précédée d’un phénomène de
subduction. On montre que ce phénomène a pu affecter des matériaux océaniques (ophiolites
subduites) mais aussi continentaux (gneiss de Dora Maira)
objectifs cognitifs :
- La subduction de matériaux océaniques et continentaux.
objectifs méthodologiques :
- Utiliser des outils d’observation.
- Saisir des informations .
supports didactiques :
- On pourra se fonder sur le métamorphisme de la série basique (métamorphisme subi
par la série ophiolitique ; ex. : métagabbros du mont Viso ; schiste bleu ; éclogite) : on
étudiera alors les compositions minéralogiques, les caractères structuraux et on comparera les
compositions géochimiques (échantillons, lames minces, analyses géochimiques et
minéralogiques). On se limitera dans ce poste à l’observation de paragenèses attestant du pic
métamorphique (faciès éclogitique).
- On pourra se fonder aussi sur le métamorphisme de matériaux continentaux
(métamorphisme subi le massif de Dora Maira à l’origine de gneiss contenant de la coésite).
- Diagramme P,T faisant apparaître les domaines de stabilité des phases minérales
observées. On indiquera le géotherme continental moyen.
- Carte du métamorphisme alpin.
activité et production de l'élève :
- Reconstituer les conditions pression-température de formation des roches étudiées.
- Formuler une hypothèse sur les phénomènes géodynamiques conduisant à ces
variations (acquis de la première partie du chapitre relatif à la convergence).
- Indiquer en quoi l’étude de la distribution du métamorphisme à l’échelle de toute
chaîne permet d’éprouver l’hypothèse formulée.
notions construites :
Ces roches correspondent à des roches métamorphiques.
Les minéraux qu’elles contiennent sont apparus lorsque ces matériaux ont été soumis à
des variations de pression et de température.
Les transformations observées traduisent une augmentation de pression, avec un
accroissement modéré de température (comparaison du gradient métamorphique et du
gradient moyen). Ceci est le signe d’un enfouissement des roches et peut témoigner du
phénomène de subduction.
Ce phénomène d’enfouissement a pu affecter des matériaux océaniques mais aussi
continentaux, ce qui pose le problème de l’évolution de cette subduction.
On observera aussi que la présence actuelle de ces roches à l’affleurement suppose une
exhumation ultérieure qui nécessite des mouvements verticaux de même ampleur, mais de
sens opposé.
On pourra également montrer que l’intensité du métamorphisme subi peut varier selon
les zones alpines considérées, ce qui contraint les modèles d’interprétations proposés.
- Poste 6 :
On montre alors que la collision découle de la mise en contact des deux lithosphères
continentales. Une subduction continentale est possible mais du fait des densités relatives de
la lithosphère et de l’asthénosphère, un blocage de la subduction s’effectue. Celui-ci est suivi
d’une remontée des fragments subduits, qu’ils soient océaniques (ophiolites subduites du
Mont Viso) ou continentaux (fragments de Dora Maira).
objectifs cognitifs :
- Le devenir des fragments subduits au cours de la collision.
objectifs méthodologiques :
- Saisir des informations.
supports didactiques :
- On se fondera sur l’étude des paragenèses successives montrées par les métagabbros
du Viso (rétromorphose du faciès éclogites au faciès schistes verts).
- On pourra également considérer le rétrométamorphisme affectant les matériaux
continentaux (Photographie de lame mince contenant un assemblage coésite – quartz au cœur
d’un cristal de grenat (cf. série de diapositives du CRDP de Strasbourg, Cl. Schneider)).
-Diagramme P,T faisant apparaître les domaines de stabilité des phases minérales
observées.
activité et production de l'élève :
- Analyser les relations géométriques entre les différentes paragenèses (dans les
métagabbros ou dans les gneiss de Dora Maira).
- Proposer alors une reconstitution de l’évolution des conditions pression-température
expliquant les observations.
- Construction d’un chemin P,T, t pour les métagabbros.
notions construites :
Les transformations des métagabbros (et de la coésite en quartz) indique une
remontée des matériaux vers la surface qui suit le blocage de la subduction et accompagne la
collision.