COURS ÉLÈVES 3 04/12/16 LA TECTONIQUE DES PLAQUES : L’HISTOIRE D’UN MODÈLE Au XIXème siècle, le fonctionnement du globe terrestre fait l'objet de nombreuses discussions passionnées. Des observations communes (présence de montagnes, d'océans) ou moins communes (chaleur interne de la Terre, reculs et avancées de la mer) sont à l'origine des modèles explicatifs admis à l'époque. Un de ces modèles défendu en particulier par le géologue Suess admet que l'intérieur de la Terre se refroidit et que ce refroidissement provoque sa contraction. La couverture extérieure froide devient trop grande, se plisse dans certaines zones (donnant naissance aux montagnes) et s'effondre par ailleurs (donnant naissance à des océans). Le modèle de Suess est donc basé essentiellement sur des mouvements verticaux de la croûte. Le modèle de Suess 3.1 La construction du modèle de la tectonique des plaques Le modèle de Suess suppose une couche rigide de surface de même nature partout. Le constat d'une distribution bimodale des altitudes va à l'encontre de cette nature uniforme (pour des raisons physiques, si les roches de surface étaient toutes de même nature, les altitudes devraient osciller autour d’une seule valeur moyenne). Distribution des altitudes à la surface du globe 3.1.1 La naissance de l’idée de déplacement horizontal Au début du XXème siècle, les premières idées évoquant la mobilité horizontale de la surface du globe sont formulées (Wegener en particulier) . Elles s’appuient sur plusieurs constatations : - la distribution bimodale des altitudes (continents/océans). - les tracés des côtes (complémentaires dans certaines régions); - la distribution géographique des paléoclimats (zones de même climat très séparées). - la distribution géographique de certains fossiles (zones de mêmes fossiles très séparées) . Observations fondant l'idée d'une mobilité horizontale à la surface du globe Ces idées se heurtent au constat d’un état solide de la quasi-totalité du globe terrestre établi, à la même époque, par les études sismiques. L’idée de mobilité horizontale est alors rejetée par l’ensemble de la communauté scientifique. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 1 Sur 8 COURS ÉLÈVES 04/12/16 3.1.2 Déterminer l'age des fonds océaniques pour valider le modèle 3.1.2.1 Par l'étude des anomalies magnétiques Au début des années 1960, les découvertes de la topographie océanique et des variations du flux thermique permettent d’imaginer une expansion océanique par accrétion de matériau remontant à l’axe des dorsales, conséquence d’une convection profonde (voir suite du cours). La mise en évidence de bandes d’anomalies magnétiques symétriques par rapport à l’axe des dorsales océaniques associée aux faits que les roches magmatiques de la dorsale (basaltes en particulier) sont d'age actuel et de plus en plus âgées quand on s'en éloigne , s'explique par cette expansion. Cette expansion a également pour conséquence un déplacement des continents. Cela valide donc l'idée de dérive des continents et de mouvements Anomalies magnétiques et age de plaques. des fonds océaniques. Les failles transformantes, quant à elles ne peuvent s'expliquer que par des mouvements horizontaux 3.1.2.2 Par l'utilisation des sédiments Si le fond océanique est formé à un moment donné puis se déplace latéralement, le modèle prévoit que la croûte océanique est d’autant plus vieille qu’on s’éloigne de la dorsale. Si c'est bien le cas, les sédiments devraient en témoigner par la présence de sédiments déposés sur ce fond de plus en plus anciens en s'éloignant de la dorsale . Les âges des sédiments en contact avec le plancher océanique (programme de forage sous-marins JOIDES) confirment ces présupposés et confirment également les vitesses déterminées par les autres techniques. Age des fonds océaniques de part et d'autre de la dorsale Atlantique Age des fonds océaniques et sédiments Avec l’utilisation des techniques de positionnement par satellites (GPS), à la fin du XXème siècle, les mouvements horizontaux sont devenus directement observables et leurs vitesses ont été confirmées. Le modèle construit à partir de ces données considérant que des plaques solides se déplacent à la surface du globe est nommé modèle de la tectonique des plaques. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois Dépôts successifs de sédiments sur un fond océanique en expansion. 2 Sur 8 COURS ÉLÈVES 3.2 04/12/16 Un premier modèle global: des plaques en déplacement. 3.2.1 La nature des plaques La différence d’altitude observée entre continents et océans met en évidence la différence de nature des roches qui les constituent. Distribution des altitudes à la surface du globe Les études pétrographiques permettent de caractériser et de limiter deux grands types de croûtes terrestres selon la nature des roches les constituant: une croûte océanique essentiellement formée de basalte (1) en surface et de gabbro (2) sous le basalte et une croûte continentale constituée entre autres de granite (3). La croûte repose sur le manteau, constitué de péridotite 4). Différentes couches vers la surface du globe 3.2.2 L'épaisseur des plaques La vitesse des ondes sismiques à différentes profondeurs confirme les études pétrographiques et les complète. Elle permet de se faire une idée de la nature des matériaux (basalte, granite …) et de l'état de ces matériaux (liquide solide ductile). En particulier les ondes S ne se propagent pas dans le liquide et les ondes sont ralenties dans le ductile (visqueux). Les plaques auraient l'épaisseur de la lithosphère (solide) et se déplaceraient sur l'asthénosphère (ductile) . Structure de la Terre en coupe L'épaisseur des plaques Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 3 Sur 8 COURS ÉLÈVES 04/12/16 3.2.3 Les limites des plaques Les mouvements de plaques se traduisent par une activité aux frontières de plaques (séismes, volcans, montagnes). Inversement, la présence de signes d'activité est donc généralement un marqueur de limite de plaque . Les limites de plaques 3.2.4 Les mouvements des plaques 3.2.4.1 Le moteur du mouvement Depuis sa formation, l'intérieur de la Terre présente une température élevée par rapport à son environnement. Des échanges de chaleur ont donc lieu en permanence de la Terre vers son environnement qui ont conduit à son refroidissement. Ce refroidissement a permis la formation d'une couche rigide en surface, la lithosphère. Mais sa présence gène les dégagements de chaleur. Les zones de frontières de plaques sont des lignes où s'effectuent préférentiellement les échanges de chaleur depuis cette période. Le matériau chaud remonte sous les limites de plaques puis s'écarte sur les côtés entraînant la plaque susjacente. Une petite fraction du matériau chaud entre en fusion et sort au niveau des dorsales. Courbe d'évolution de la température en profondeur 3.2.4.2 Les différents types de déplacement des plaques. Les plaques lithosphériques se déplacent à la surface du globe. Elles s'écartent dans certaines zones (divergence), se rapprochent dans d'autres zones (convergence) et enfin, coulissent parfois latéralement l'une contre l'autre (limite transformante, coulissement) . Les frontières de plaques correspondent parfois avec les bordures de continents (marges continentales) mais ce n'est pas le cas le plus fréquent. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois Différents types de frontières de plaques 4 Sur 8 COURS ÉLÈVES 3.3 04/12/16 La tectonique des plaques au niveau des océans 3.3.1 La naissance d'une plaque océanique, les zones de rifting 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'un écartement des 2 morceaux du continent lié aux mouvements de matière sous la plaque (divergence). Un magma d'origine asthénosphérique s'infiltre alors dans les fractures de la zone du rift formant alors une nouvelle croûte océanique. La bordure des continents ainsi séparés (marge continentale) devient pour une courte durée une marge continentale active . Les 2 marges continentales sont alors séparées par une dorsale, zone où se forme la nouvelle croûte océanique. Rift est Africain Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 5 Sur 8 COURS ÉLÈVES 3.3.2 04/12/16 La croissance d'une plaque océanique et ses conséquences 3.3.2.1 Le fonctionnement des dorsales En permanence, de la lithosphère océanique est produite au niveau des dorsales. La divergence des plaques de part et d’autre de la dorsale permet la mise en place d’une lithosphère nouvelle à partir de matériaux d’origine mantellique . Formation de la lithosphère océanique sous les dorsales Un manteau plus chaud remonte sous les dorsales, en remontant il subit une baisse de pression ce qui entraîne sa fusion partielle et donc la production de magma. Le magma produit remonte par les failles liées à la zone d'écartement et forme la nouvelle lithosphère. Elle est constituée de basalte en surface (refroidissement rapide ) gabbro sous les basaltes (refroidissement lent) et péridotite sous le gabbro (reste du manteau non fondu). 3.3.2.2 Transformation des marges actives en marges passives L'écartement des 2 plaques nouvellement formées au niveau de la dorsale écarte la marge continentale de la zone d'activité transformant les marges actives en marges passives. Les failles normales créées dans la phase initiale demeurent comme témoin de la phase de divergence initiale. Les marges passives s'enfoncent sous l'accumulation de sédiments provenant en particulier du continent, on parle de subsidence (= enfoncement). Elles constituent de ce fait des zones favorables à la formation des hydrocarbures liquides et gazeux. L'exploitation nécessite, après identification d'un gisement, de creuser un puits pour y accéder. Ce puits doit traverser la roche piégeant les hydrocarbures et atteindre la roche réservoir. Pour les gisements conventionnels, les hydrocarbures, libres de toute contrainte et sous pression, remontent sans autre intervention humaine une fois le puits creusé. Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 6 Sur 8 COURS ÉLÈVES 04/12/16 3.3.3 Des modifications de la lithosphère océanique au cours du temps 3.3.3.1 Modification des roches au fond des océans Pendant leur déplacement au fond de l'océan, les roches de la lithosphère océanique se refroidissent et s'imprègnent d'eau. Ces changements de conditions (température et eau) déstabilisent certains minéraux des basaltes/gabbros (pyroxènes, plagioclases) et provoquent la formation de nouveau minéraux (chlorite, actinote, hornblende) . Gabbro Metagabbro Ces transformations de minéraux à l'état solide (sans passer à l'état liquide) sont qualifiées de métamorphisme. Le métamorphisme subi par les roches des fonds océaniques est un métamorphisme de basse pression et de basse température en présence d'eau aboutissant à des minéraux verdâtres d’où le qualificatif de schistes verts donné à ce type de roches métamorphiques . La présence de schistes verts est un indicateur des conditions de formation de la roche (basse pression, basse température et eau). 3.3.3.2 Les points chauds océaniques Fonctionnement d'un point chaud. Des remontées de matériaux chauds ponctuelles et fixes (points chauds) peuvent conduire à la formation de lignes de volcans au milieu d'une plaque dont un seul est actif . La direction de la ligne de volcans et la position du volcan actif indique la direction de déplacement de la plaque. 3.3.3.3 Destruction de la plaque océanique dans une zone de subduction Au voisinage des fosses océaniques, les foyers des séismes se répartissent en profondeur selon un plan incliné (plan de Benioff). L’interprétation de ces données sismiques est que la lithosphère s’enfonce dans l'asthénosphère au niveau des fosses dites de subduction . La limite inférieure de la lithosphère correspond généralement à l’isotherme 1300° C. Dans les zones de subduction, les matériaux de la vieille Répartition des foyers de lithosphère océanique s’incorporent au manteau. Voir séismes sous la Japon schémas de la partie 322. En s 'éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit, s'épaissit, ce qui augmente sa densité. Lorsque celle ci est plus forte que celle de l'asthénosphère, la lithosphère s'enfonce en profondeur. Conclusion : Le modèle de la tectonique des plaques constitue un cadre intellectuel utile pour rechercher des gisements pétroliers. La tectonique globale peut permettre de déterminer : - La position de bassins favorables au dépôt d'une matière organique abondante - L'existence d’une tectonique (subsidence) qui permette l’enfouissement et la transformation de la matière organique puis la mise en place d'un gisement. La rare coïncidence de toutes ces conditions explique la rareté des gisements dans l’espace et le temps. Frontières de plaques et marges continentales Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 7 Sur 8 COURS ÉLÈVES 04/12/16 Table des matières 3LA TECTONIQUE DES PLAQUES : L’HISTOIRE D’UN MODÈLE....................................................1 3.1La construction du modèle de la tectonique des plaques..................................................................................................1 3.1.1La naissance de l’idée de déplacement horizontal.........................................................................................................1 3.1.2Déterminer l'age des fonds océaniques pour valider le modèle.....................................................................................2 3.2Un premier modèle global: des plaques en déplacement..................................................................................................3 3.2.1La nature des plaques.....................................................................................................................................................3 3.2.2L'épaisseur des plaques..................................................................................................................................................3 3.2.3Les limites des plaques...................................................................................................................................................4 3.2.4Les mouvements des plaques.........................................................................................................................................4 3.3La tectonique des plaques au niveau des océans...............................................................................................................5 3.3.1La naissance d'une plaque océanique, les zones de rifting.............................................................................................5 3.3.2 La croissance d'une plaque océanique et ses conséquences..........................................................................................6 3.3.3Des modifications de la lithosphère océanique au cours du temps................................................................................7 Conclusion :...............................................................................................................................................................................7 Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 8 Sur 8