9.1.2 l`expansion des fonds oceaniques

Leçon 9
LA TECTONIQUE DES PLAQUES
Leçon 9
QUELLES SONT LES INTERROGATIONS?
Les questions:
- comment fonctionne globalement la tectonique des plaques ?
- comment fonctionne l’expansion des fonds océaniques?
- comment fonctionne une zone de subduction?
Le plan de la leçon:
- 9.1 La machinerie terrestre
- 9.2 Les MORBs – fusion adiabatique
- 9.3 La nécessité des failles transformantes
- 9.4 Les points chauds - OIBs
- 9.5 Les zones de subduction
- 9.6 Les arcs volcaniques
- 9.7 Les transformations de la plaque subductée
9.1 LA MACHINERIE TERRESTRE
9.1.1
LES PLAQUES LITHOSPHERIQUES
• The seismic belts divide the Earth surface
into plates.
• While some of the plates are huge, e.g. the
Pacific, some are tiny, i.e. the Gorda and the
Coccos plates.
major plates:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Pacific – 105 x106 km2
Eurasian - 70 x106 km2
Antarctic - 60 x106 km2
Australian - 45 x106 km2
S. American - 45 x106 km2
African - 80 x106 km2
N. American - 60 x106 km2
minor plates:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Cocos - 5 x106 km2
Phillipine - 6 x106 km2
Caribbean - 5 x106 km2
Nazca - 15 x106 km2
Arabian - 8 x106 km2
Indian - 10 x106 km2
Scotia - 5 x106 km2
Juan de Fuca - 2 x106 km2
9.1.2
L’EXPANSION DES FONDS OCEANIQUES
Ma
Les sédiments et donc la croûte océanique sont de plus en plus récents vers les rides.
9.1.3
LE MOTEUR DE L’EXPANSION DES FONDS OCEANIQUES
From: quakeinfo.ucsd.edu/%7Egabi/sio15/Lecture04.html
“Slab Pull” is thus much more effective than “Ridge Push”. But both are poor terms:
“slab pull” is really a body force (gravity acting on the entire dense slab..
The old question of whether convection drives plate tectonics or not is also moot: plate
tectonics is mantle convection.
The core, however, cools by more vigorous convection which heats the base of the
mantle by conduction and initiates plumes (lower viscosity)
9.1.4
LA MORPHOLOGIE DES RIDES OCEANIQUES
from: http://www.geo.lsa.umich.edu/~crlb/COURSES/270
fast-spreading: magma enters a large magma chamber in crust;
Broad bulge exists at ridge
slow-spreading: magma chamber freezes between pulses of spreading;
Axial rift valley occurs
9.1.5
MORPHOLOGIE DES RIDES ET VITESSE D’EXPANSION
Fast-spreading East Pacific Rise
Slow-spreading Mid-Atlantic Ridge
• Thermal structure is warmer
• Thermal structure is cooler
• Crust is thicker, lithosphere is thinner
• Crust is thinner, lithosphere is thicker
• Higher degrees of melting
• lower degrees of melting
• Sustained magma chambers and volcanism
• Episodic volcanism
• Less compositional diversity
• Higher compositional diversity
COMMENT MESURER LA VITESSE D’EXPANSION DES FONDS OCEANIQUES?
9.1.6
LES INVERSIONS DU CHAMP MAGNETIQUE: UN OUTIL
POUR MESURER LA VITESE D’EXPANSION
Polarité du champ magnétique
Aspect actuel de la carte des anomalies magnétiques
Axe de symétrie
Arrivée de magma
coupe
9.1.7
LA VITESSE D’EXPANSION DES RIDES OCEANIQUES
Rappel: Les
inversions
fournissent un
repère temporel
facile (programme
des classes de
lycée SVT)
9.1.8
LA CAUSE POSSIBLE DES INVERSIONS DU CHAMP
MAGNETIQUE
Après leur plongée dans le
manteau au niveau des zones
de subduction, certaines
plaques parviendraient
jusqu'au noyau, où elles
modifieraient les écoulements
du fer fondu.
(Geoph. Res. Lett. Oct. 2011)
Ce sont donc bien des
mouvements de roches
extérieures au noyau qui
provoqueraient l'asymétrie
des écoulements dans le
noyau liquide et
détermineraient ainsi la
fréquence des inversions.
9.2 LES MORBs – FUSION
ADIABATIQUE
9.2.1
LE VOLCANISME SOUS-MARIN: LES PILLOW LAVAS
OMAN
Au contact de
l’eau de mer,
les laves
basaltiques
s’épanchent en
formant des
empilements
de « pillow
lavas».
P. Asimow
Hekinian et al. (1976)
Contr. Min. Pet. 58, 107.
9.2.2
LA STRUCTURE DE LA CROUTE OCEANIQUE
CROUTE OCEANIQUE
Rappel leçon 1
MOHO
ASTHENOSPHERE
9.2.3
LES MORBs (MEAN OCEAN RIDGE BASALTS)
A “typical” MORB is an olivine Tholeiite with low K2O (< 0.2%) and low TiO2 (< 2.0%)
Pas de quartz
Pas oxydé
olivine
A: Na2O + K2O
F: FeO + Fe2O3
M: MgO
9.2.4
LES MORBs ET LA FUSION ADIABATIQUE DU MANTEAU
La décompression adiabatique entraîne la fusion partielle du manteau. Le gradient
géothermique croise la courbe du solidus.
9.2.5
UN MODELE DE LA FUSION DU MANTEAU
Hot mantle
cool mantle
Asimow et al., 2004
Hot mantle starts melting at deeper depths, thus has a larger melt triangle or
area over which melting occurs than a cooler mantle
Mantle rising nearer axis of plume traverses greater portion of triangle and
thus melts more extensively
9.2.6
L’ASCENSION DES MAGMAS
fragile
ductile
1 - No partial melting (otherwise it wouldn’t be rigid) so no permeable flow
2 - Pressures at the base of the lithosphere are too high to have open conduits
3 - Magma ascends through the lithosphere (and oceanic crust) in dikes; Fine as long as
ρ(magma) < ρ(country rock)
4 - Magma ascends to the level of neutral buoyancy
9.2.7
LA MECANISME DE LA CRISTALLISATION DES MORBs
The low-P crystallization sequence is:

1) olivine ( Mg-Cr spinel),

2) olivine + plagioclase ( Mg-Cr spinel),

3) olivine + plagioclase + clinopyroxene
After Bowen (1915), A. J. Sci.,
and Morse (1994), Basalts and
Phase Diagrams. Krieger
Publishers.
9.3 LA NECESSITE DES FAILLES
TRANSFORMANTES
9.3.1
FONCTIONNEMENT D’UNE FAILLE TRANSFORMANTE
transformante continentale
transformante océanique
9.3.2
AXES ET POLES DE ROTATION (GEOMETRIE D’EULER)
Euler’s fixed point theorem: “Every displacement from one position to another on
the surface Earth can be regarded as a rotation about a suitably chosen axis
passing through the center of the Earth.”
- The axis of rotation is the suitably chosen axis passing through the
center of the Earth.
- The poles of rotation or the Euler’s poles are the two points where the
axis of rotation cuts through the Earth surface.
9.3.3
VITESSE ANGULAIRE ET VITESSE RELATIVE
v  R sin 
• The relative velocity, , of a certain point on
the earth surface is a function of the angular
velocity, , according to:
• R: earth radius ;
• : angular distance between the pole of
rotation and point in question.
Thus, the relative velocity is equal to zero at the poles, where =0 degrees, and is a
maximum at the equator, where =90 degrees.
• The relative velocity is constant along small circles defined by =constant.
• Note that large angular velocity does not mean large relative velocity.
9.3.4
LES FAILLES TRANSFORMANTES OCEANIQUES
Atlantique
Ride océanique
Faille transformante
Earthquake epicenters superimposed upon the transform faults in the central Atlantic.
Note how the epicenters overlap the ridge axis (red) and transform faults (green). The
earthquakes on the transform faults are all strike-slip indicating sliding motion.
9.3.5a
LES FAILLES TRANSFORMANTES CONTINENTALES
La faille nord-anatolienne (Turquie)
The North Anatolian Fault
??
It is a transform fault separating the Anatolian Plate (Turkey) from Eurasia. The fault
accommodates the movement of Turkey westward into the Mediterranean Basin. The
fault is the site of many large earthquakes. In addition, the fault ruptures have a very
definite time sequence with the next earthquake expected right by Istanbul.
9.3.5b
LES FAILLES TRANSFORMANTES CONTINENTALES
Californie – Mer Morte
The San Andreas
Fault lies between the
Mendocino Triple
Junction and the
spreading centers in
the Gulf of California
Marks the boundary
between the Arabian and
African plates.
Note the sub-parallel
faults that have created
pull-apart basins in the
steps between the faults.
The Dead Sea basin has
greater than 7 km of
sediments in the basin
below the water.
9.3.6
LES BASSINS DE PULL -APART
La simulation
expérimentale
montre comment
se forme une
dépression par le
coulissage des
deux bords de la
faille.
9.3.7
LES TYPES DE FAILLES TRANSFORMANTES
• Transform faults can be grouped into six basic classes. By far the most
common type of transform fault is the ridge-ridge fault.
9.4 LES POINTS CHAUDS - OIBs
9.4.1
POINTS CHAUDS: OIBs ET LIPs
Îles du Pacifique
plateau du Deccan
OIBs: Ocean Basalt Islands
LIPs (Large Igneous Provinces)
9.4.2
LES ILES DU PACIFIQUE: OIBs ET HOTSPOTS
Rappel leçon 8
Le point chaud d’Hawaï a-t-il imprimé
seulement la trajectoire de la plaque
Pacifique ou une combinaison de cette
trajectoire avec son redressement
dans le temps?
9.4.3
PLATEAU DU DECCAN ET POINT CHAUD DE LA REUNION
Passant au-dessus du point chaud de la
Réunion au cours de sa migration vers le Nord,
l’Inde a accumulé des basaltes formant le
plateau du DECCAN.
9.5 LES ZONES DE SUBDUCTION
9.5.1
LES SEISMES: UNE SONDE DE LA STRUCTURE DES
SUBDUCTIONS
(Nature 451, 2008 )
 On distingue trois classes de séismes, en
fonction de la profondeur où ils se produisent :
• séismes superficiels : foyer à 0 - 60 km de profondeur
• séismes intermédiaires : 60 - 300 km
• séismes profonds : >300 km
- relaxation des contraintes profondes par glissement de deux blocs le long d’un plan de
faille
- activité volcanique (montée de magma)
9.5.2
LE PLAN DE WADATI – BENIOFF
Convergence océan-continent
Cordillère des Andes
pl. Amérique S
pl. Nazca
Wadati-Benioff Zone named after
Hugo Benioff and Kiyoo Wadati who
discoverd it independently in 1949.
9.5.3
SUBDUCTION VUE PAR LA TOMOGRAPHIE SISMIQUE
from Fukao et al., 2001
Blue = fast anomaly = dense = cold
Red = slow anomaly = buoyant = hot
9.5.4
L’ANGLE DE LA SUBDUCTION
L’angle de la subduction
varie suivant les contextes
géologiques:
- faible: Amérique du Nord
- moyen: Andes
- fort: plaque pacifique
La question est: jusqu’où s’enfonce la plaque subductée?
9.5.5
STRUCTURE PROFONDE DE LA PLAQUE SUBDUCTEE
Stockage à la
discontinuité à 660 km
Stockage à la couche D’’
Il semble que certaines plaques s’enfoncent jusqu’à la limite manteau-noyau tandis
que d’autres restent bloquées sur la zone de transition à 660 km. Rappel leçon 8:
lorsqu’elles atteignent la couche D’’, elles peuvent générer les inversions de champ
magnétique.
9.5.6
CONVERGENCE OCEAN - OCEAN
Aleutian Islands, N Pacific
Pacific
Plate
(oceanic)
Phillipine
Plate
(oceanic)
Marianas Islands, SW Pacific
9.5.7
MECANISME DE LA SUBDUCTION ENTRE PLAQUES
OCEANIQUES
Volcanic islands
develop at the
surface of the overriding crust (forming
Island Arcs).
ultramafic mantle
Volcans de boue
(serpentine)
EXEMPLE: LA FOSSE
DES MARIANNES
The oldest, densest crust
normally descends beneath
the younger crust.
9.5.8
SUBDUCTION DES GUYOTS (SEAMOUNTS)
9.5.9
CONVERGENCE CONTINENT - CONTINENT
Collision de plaque arabique avec l’Eurasie.
Formation de la chaîne du Zagros en Iran.
9.5.10a
LE SEISME DE MAGNITUDE 9.0 AU JAPON
L’épicentre
~130 Ma
83 mm/an
Séisme du vendredi 11 mars 2011 à
05/46:24 prof: 24 km
15-30 Ma
40 mm/an
9.5.10b
LE SEISME DE MAGNITUDE 9 AU JAPON
Les déplacements horizontaux et verticaux
(Science 332, 2011)
(Science 332, 2011)
9.5.10c
LE SEISME DE MAGNITUDE 9 AU JAPON
Le tsunami
Le déplacement de la croûte océanique a
déclenché un tsunami dévastateur
comme le fut celui de Sumatra pour des
raisons similaires.
tsunami1_a.mov
http://neic.usg.gov/
tsunami1_a.mov
9.6 LES ARCS VOLCANIQUES
9.6.1
KOURILES ET ALEOUTIENNES
Aléoutiennes
Kamchatka-kouriles
Les îles océaniques forment des archipels en
arcs partout dans le monde.
POURQUOI CETTE FORME EN ARC?
9.6.2
CONSEQUENCE DE LA GEOMETRIE DE LA SPHERE
plaque Pacifique
plaque
Eurasie
Une zone de subduction étant un
enfoncement de la croûte, elle ne
peut avoir qu’une trajectoire en
forme d’arc sur la Terre qui est
ronde.
9.6.3
ARCS DE VOLCANS ACTIFS ET ETEINTS AU KAMTCHATKA
plaque
Pacifique
volcans éteints
plaque
Eurasie
volcans actifs
9.6.4
LE DEPLACEMENT DE LA SUBDUCTION: UNE REGLE
plaque Pacifique
aujourd’hui
5-10 Ma
(Nature 418, 2002)
9.6.5
LES BASSINS D’ARRIERE - ARC
Fujiyama (Japan)
Japan- Back Arc Rifting
Tensional
Setting
t1
t2
Slab migration
9.6.6
MECANIQUE DE LA MIGRATION DE LA SUBDUCTION
Destructive
more common where
Continental crust is older
e.g. Andean Margin
Constructive
more common where
Continental crust is younger
e.g. Pacific NW
9.6.7
DIFFERENCES ENTRE ARCS CONTINENTAUX ET ARCS
OCEANIQUES
LES EFFETS DE LA CROÛTE
CONTINENTALE EPAISSE
Thick sialic crust contrasts greatly with
mantle-derived partial melts may
produce more pronounced effects of
contamination
Low density of crust may retard ascent
causing stagnation of magmas and
more potential for differentiation
Low melting point of crust allows for
partial melting and crustally-derived
melts
Subcontinental lithosphere may be more
compositionally diverse that suboceanic
lithosphere, especially if crust is old
9.1.9
RESUME: LES SOURCES DE MAGMAS
1. Mid-Ocean Ridges
2. Intracontinental Rifts
3. Island Arcs
4. Active Continental Margins
5. Back-Arc Basins
6. Ocean Island Basalts
7. Miscellaneous IntraContinental Activity
kimberlites,
carbonatites,
anorthosites...
9.6 LES TRANSFORMATIONS DE LA
PLAQUE SUBDUCTEE
9.5.1
METAMORPHISME DE LA LITHOSPHERE OCEANIQUE
0
Mer du Japon
smectite - zéolites
serp
en
MAN
TEAU tine
jadeite - lawsonite
talc - chlorite OCEANI
QUE
se
rpe
ch
nti
lor
ne
ite
amphibole - lawsonite
-c
hlo
rite
ch
lor
ite
éclogite
sp
ine
lle
-g
ren
at
100
200
0
100
200
distance (km)
300
400
CROÛTE OCEANIQUE
profondeur (km)
Honshu
Pacifique
500
Deux ensembles
structuraux se
transforment au cours de
la subduction:
1 – la croûte océanique
formée de basalte se
transforme en amphibolite
puis en éclogite;
2 – la lithosphère
océanique (manteau
supérieur) se serpentinise
puis se transforme en
éclogite à spinelle.
9.5.2
FUSION DU MANTEAU ET VOLCANISME
M-crustal Melting
A- Assimilation
S- Storage
H-Homogenization
Le gradient géothermique
actuel étant trop faible pour
entraîner la fusion de la
plaque subductée, il ne peut
que provoquer sa
déshydratation par les
réactions métamorphiques.
L’eau ainsi expulsée envahit
le coin du manteau
asthénosphérique et
abaisse le point de fusion
des péridotites qui le
composent.
Prochaine leçon:
LES CONTINENTS