la formation de la lithosphere oceanique et son evolution
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1ère partie de l’épreuve Dossier. LA FORMATION DE LA LITHOSPHERE OCEANIQUE ET SON EVOLUTION FORMATION DE LA LITHOSPHERE OCEANIQUE ET SON EVOLUTION Niveau : 1ère S - TS Extrait du programme : Divergence et phénomènes liés (durée indicative : 3 semaines) Formation et divergence des plaques lithosphériques au niveau des dorsales océaniques. Activités tectoniques et magmatiques associées - Tectonique : la morphologie, la présence de séismes et les failles normales qui structurent les dorsales océaniques attestent de mouvements en extension. - Magmatisme : les dorsales océaniques sont le siège d'une production importante de magma : de l'ordre de 20 km3 par an. Ces magmas sont issus de la fusion partielle des péridotites du manteau induite par décompression. Ils sont de nature basaltique. La fusion partielle leur donne une composition chimique différente de celle de la roche source. Le refroidissement plus ou moins rapide des magmas conduit à des roches de textures différentes (basaltes/gabbros). En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit, s'hydrate et s'épaissit. - Marges passives des continents : elles sont structurées par des failles normales et sont le siège d'une sédimentation importante. Elles ont enregistré l'histoire précoce de la rupture continentale et de l'océanisation. L'activité des failles normales, héritage de rifts continentaux, témoigne de l'amincissement de la lithosphère et de sa subsidence. Expériences analogiques de tectonique en extension et comparaison avec les observations géologiques. Des péridotites aux basaltes. Formation des basaltes par fusion partielle des péridotites. Nature et chimie de la lithosphère océanique : roches initiales, roches hydratées et/ou déformées. Nature des roches sédimentaires des marges passives et des fonds océaniques : enregistrement de l'histoire d'un océan Documents : Document 1 : Document 2 : Document 3 : Document 4 – support concret : Principe de la faille transformante à différentes échelles. Comparaison du flux de chaleur mesuré et du flux de chaleur théorique entre 0 et 100km de la dorsale. Carte des âges des fonds océaniques à la surface de la Terre. Echantillon de roches du Chenaillet - Roche 1 (gabbro SV) - Roche 2 (serpentine) Document 1 : Comparaison de deux structures transformantes à différentes échelles : (a) Gros plan sur le dyke décalé, lit de la Sand River, Afrique du Sud, (b) Image d’une faille transformante affectant une dorsale océanique, région de Clipperton Document 1 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/objets/img_sem/XML/db/planetterre/metadata/LOM-Img330-2010-11-08.xml Un examen attentif de la photo montre que l'interprétation « décrochement dextre » est fausse. En effet, on voit très bien que la foliation des migmatites n’est pas affectée par le décrochement sénestre supposé entre les points A et B, ou E et F. Un décrochement décalant le dyke d’une dizaine de centimètres aurait également décalé la foliation préexistante sur toute la largeur de l’image. Il faut donc proposer une deuxième explication, qui n’est pas sans rappeler le fonctionnement d’une faille transformante. Deux dykes s’ouvrent simultanément et en relais, c’est-à-dire sans être dans la prolongation l’un de l’autre. Alors, l’ouverture simultanée de ces dykes entraîne un décrochement entre les 2 dykes seulement, décrochement qui ne « déborde » pas à droite ou à gauche des dykes. Le décalage sur cette fissure est senestre. Relier cela au fonctionnement des transformantes dans les dorsales. Les mécanismes au foyer montrent effectivement un mouvement compatible avec l’hypothèse d’une faille accommodant un relais entre deux sections de dorsales. Didactisation du document et utilisation en classe de TS Programme de première S : « - Tectonique : la morphologie, la présence de séismes et les failles normales qui structurent les dorsales océaniques attestent de mouvements en extension. » La plupart des séismes des zones de dorsales sont liés à ces failles transformantes. Bon moyen d’introduire le concept, offre une alternative à la présentation des mécanismes au foyer « à l’envers » par rapport à l’hypothèse d’un décalage des portions de dorsale. Document 2 : Comparaison du flux de chaleur mesuré et du flux de chaleur théorique entre 0 et 100km de la dorsale. Document 2 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) Le flux de chaleur est mesuré lors de campagnes océanographiques dédiées qui utilisent une sonde équipée de thermocouples et de résistances chauffantes que l’on enfonce dans les sédiments peu consolidés du plancher océanique. Cette sonde permet de mesurer au même point la conductivité thermique et le gradient vertical naturel de température (voir la page d’Alain Bonneville (IPGP) pour plus de détails). Le flux de chaleur en surface est obtenu en prenant le gradient vertical à la surface, que l’on multiplie par la conductivité thermique, k, (Loi de Fourier). On peut alors collecter toutes les données obtenues et les classer par ordre d’âge du plancher océanique. Une vérification directe de la théorie peut également être faite lors d’une campagne de mesures. La figure 2 montre les résultats d’une telle campagne, effectuée à proximité de la dorsale Juan de Fuca (Pacifique Nord-Est). On voit que les mesures suivent très bien la théorie, représentée avec son incertitude par les deux lignes pointillées, là où la couverture sédimentaire est suffisante pour que les mesures soient de bonne qualité. Près de la dorsale, les mesures et la théorie ne "collent" pas. En effet (1) les mesures sont difficiles car il y a peu de sédiments et (2) la chaleur est évacuée par circulation hydrothermale, avec sortie par les "fumeurs" et non pas de façon homogène sur le fond océanique. Didactisation du document et utilisation en classe de TS Programme de première S : « En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit, s'hydrate et s'épaissit. » Le programme de TS propose de calculer la subsidence de la LO par refroidissement. L’étude du flux de chaleur est nécessaire dans ce cadre. L’hydrothermalisme intervient dans l’étude du métamorphisme S Vert au niveau des dorsales (visibles au Chenaillet par exemple). Ce document peut permettre d’expliquer cela. Document 3 Carte des âges des fonds océaniques à la surface de la Terre. Document 3 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) Principe de l’acquisition : - datation relative par magnétostratigraphie : méthode Vine et Matthews - température de Curie : enregistrement de la polarité du champ magnétique terrestre lors de la cristallisation des basaltes/ gabbros des fonds océaniques - on peut suivre les bandes de polarité du champ magnétique // à la dorsale - datation absolue pour caler le tout : à la dorsale, on sait que les roches ont 0 Ma, et il existe quelques dragages qui ont permis des datations absolues. Interprétation : - pas de roches océaniques qui ont plus de -180 Ma (sauf cas très particulier comme la mer méditerranée) - lorsque la croûte océanique atteint 180 Ma, devient plus dense que le manteau asthénosphérique en dessous = plonge - décrire les mécanismes de densification de la LO avec le refroidissement (suite doc 2 & 4) + éventuellement calcul de l’épaisseur critique de la partie lithosphérique. Devenir de la lithosphère océanique : - en grande partie : subduction & recyclage dans le manteau (sup ou inf, à discuter) - parfois : reste en surface, ou plonge et remonte en surface o obduction (exemple Oman) : pas de métamorphisme o subduction/ exhumation : métamorphisme SB, voire éclogite en arrière-arc (exemple mer Egée) dans les chaines de montagne (exemple Alpes) Didactisation du document et utilisation en classe de TS Document 4 – support concret. - Echantillon 1 : Echantillon en lame mince (photo, LPNA) et macroscopique d’une même roche. - Echantillon 2 : Echantillon en lame mince (photo, LPA) et macroscopique d’une même roche. Document 4 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) - Echantillon 1 : gabbro du Chenaillet Macroscopique : on voit des plages blanches et des plages noires. Blanc = plagioclases, Noir = pyroxènes et/ ou amphiboles. Microscopie : confirme l’analyse minéralogique. Les pyroxènes sont entourés d’une couronne d’amphibole (visible avec un peu de « mauvaise foi du géologue » sur l’échantillon macro). Comment expliquer cela ? Grille pétrogénétique des basaltes : vers 700°C, en présence d’eau, on passe la limite de transformation Cpx + pl + H2O Hb. Hydratation de la roche conduit à l’apparition d’amphiboles (minéraux hydratés). Si on continue plus loin le refroidissement, apparition de la chlorite (rend la roche verte = visible au chenaillet). - Echantillon 2 : Serpentine Macroscopique : Roche verte, aspect en « peau de serpent », douce, brillante = minéraux phyllosilicates de type talc = serpentinite. Microscopie : LPA = minéraux noirs, moches, comme les phyllosilicates de type talc = serpentine. Comment expliquer cela ? Serpentinite = minéraux hydratés. Issus du métamorphisme par hydratation des péridotites mantelliques à BP/MT. Confirme le passage dans le faciès SV, avec hydratation. Hydrothermalisme : on a vu doc 2 que l’hydrothermalisme permettait de refroidir drastiquement la LO aux abords de la dorsale. Schémas de l’hydrothermalisme et parler de + 2+ l’albitisation des plagioclases : CaAl2Si2O8 + 4SiO2 + 2Na --> 2NaAlSi3O8 + Ca Didactisation du document et utilisation en classe de TS Programme de première S : « Le refroidissement plus ou moins rapide des magmas conduit à des roches de textures différentes (basaltes/gabbros). En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit, s'hydrate et s'épaissit. » Surtout si vous allez avec les élèves sur le Chenaillet (probable dans le quart SE de la France), il faudra parler de ces réactions d’hydratation.
