Géodynamique_13 [Mode de compatibilité] - Perso-sdt

Géodynamique
2014
Unité d’introduction et de socle commun aux 5 UE optionnelles choisies au second semestre de
l'année de Master 1
Pré-requis: Bases en cinématique des plaques, géophysique,
géologie sédimentaire, structure du globe, géochimie
OBJECTIFS: Maîtrise et connaissance quantitative et interdisciplinaire des
différentes approches des Sciences de la Terre (par la géophysique, la
pétrologie-géochimie, et les paléo-environnements) qui éclairent les
mécanismes et les modalités des mouvements de la lithosphère (origine des
forces, transmission de celles-ci au sein de la lithosphère et de
l'asthénosphère)
Géodynamique
IN FINE :
- Connaissance des observables nécessaires pour apprécier
l'évolution dynamique du globe
- Aptitude à reconstituer l’évolution géodynamique d’une région en
faisant la synthèse des données issues d’articles spécialisés
- Développement d’une réflexion sur les domaines de validité des
diverses approches et les limites des modèles qui en sont issus
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Géodynamique
CONTENU:
THEME 1 : Quantification des mouvements lithosphériques : méthodes
d’étude (paléomagnétisme, géodésie, sismologie, paléo-environnements) et
modèles cinématiques globaux et régionaux - Frontières de plaques et leur
évolution
THEME 2: Arguments pétrologiques, géophysiques et géochimiques en faveur
du recyclage de la lithosphère et de la convection mantellique globale;
modèles de convection mantellique et de couplages et interactions entre
subductions, points chauds, rifts continentaux et océaniques
THEME 3: Exemples régionaux d’évolution géodynamique (couples accrétionsubduction, grands décrochements, convection à différentes échelles):
observations géologiques et géophysiques, modélisation des processus
physiques
2014
Quantification des mouvements
lithosphériques
Méthodes d’étude (paléomagnétisme, géodésie,
sismologie, paléo-environnements) et modèles
cinématiques globaux (géologiques et actuels) et
régionaux
J. Deverchère, 4 h CM, 4h TD, 1h TP ; C. Grigné, 5 h CM, 4h TD
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de Marc FOURNIER
(UPMC)
PLAN
• 1. Introduction: rappels de notions de base (lithosphère; hypothèse des plaques
rigides; types de limites; échelles de temps et d’espace…)
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2. Distribution de la déformation aux limites de plaques
3. Mesures géologiques des mouvements de plaques actuels (rappels)
4. Mouvements de plaques relatifs et absolus
5. Mesures géodésiques spatiales: GPS, SLR, VLBI
6. Comparaison Géodésie / Nuvel 1A: implications – degré de rigidité
7. Comparaison à d’autres indicateurs:
– Mesures de contraintes: WSM
– Tenseurs de moment sismique
– Glissement sur failles
• 8. Contextes géodynamiques particuliers
– Le cas du partage de déformation près des zones de subduction
– Le cas des épaississements lithosphériques: conséquences
– Le cas du roll-back (bassins marginaux) (TD)
• 9. Perturbations de vitesse et de contraintes: divers effets transitoires
• (10. Applications: Exemples à l’échelle régionale)
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1. Introduction: rappels de notions de base (lithosphère mécanique-thermique, hypothèse
des plaques rigides, types de limites, échelles de temps et d’espace)
A. Notion de LITHOSPHERE MECANIQUE et THERMIQUE
- limite lithosphère - asthénosphère
- Lithosphère : partie supérieure crustale (~30-45 km), de composition granitique et de faible
densité (environ 2800 kg/m3) - partie inférieure mantellique (80-100 km), de forte densité
(3300 kg/m3) et de composition péridotitique.
- Limite avec l’asthénosphère sous-jacente : diffuse, ne correspond à aucune différence
chimique; différence réside dans un changement de comportement mécanique lié à
l’augmentation de température en profondeur.
-> Passage lithosphère -asthénosphère : essentiellement thermique , correspond à une
température limite, généralement assimilée à l’isotherme 1350°C
- LITH ~solide élastique, ASTH ~solide déformable à fluage lent
- REMARQUE: COMPARER densité de la lithosphère mantellique (3300 kg/m3) et de l’asthénosphère
(3250 kg/m3): différence infime, cependant suffisante pour faire couler la lithosphère mantellique
dans l’asthénosphère (corps visqueux) si la croûte de faible densité est absente
-> la présence de la croûte permet à la lithosphère de se maintenir au dessus de
l’asthénosphère.
-> Importance du degré de couplage crustal!!!!
O. Merle, 2001, http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-erosion-thermique.xml
1. Introduction: rappels de notions de base (lithosphère mécanique-thermique, hypothèse
des plaques rigides, types de limites, échelles de temps et d’espace)
Limite thermique variable en profondeur: mécanismes,
conséquences
- Erosion thermique (A): point chaud ou remontée de matériel profond à la base de
la lithosphère -> manteau à T° élevé (+ 100 - 200°C) -> isotherme à 1350°C
remonte vers la surface -> partie profonde de lithosphère lentement transformée en
asthénosphère (diffère de l’extension lithosphérique !!!)
- Conséquences:
(1) Transformation du manteau lithosphérique en
asthénosphère de moindre densité : engendre un
déséquilibre isostatique, à l’origine d’un soulèvement
de la région affectée par cette érosion thermique –
phénomène réversible (ordres de grandeurs de temps:
plusieurs millions d’années);
(2) changement de résistance mécanique (Te baisse)
- Autres sources possible de remontées
asthénosphériques (A)
(A)
O. Merle, 2001, http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-erosion-thermique.xml
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1. Introduction: rappels de notions de base (lithosphère mécanique, hypothèse des
plaques rigides, types de limites, échelles de temps et d’espace)
- Concept de tectonique des plaques: ACCRETION – PLAQUES
COMPOSITES, RIGIDES au premier ordre
Implications:
Equilibre entre création-destruction - Les plaques transmettent les
contraintes sur de grandes distances sans se déformer -> leurs
mouvements relatifs sont pris en compte à leurs limites
- Trois types de limites (constructives, destructives, conservatives) –
Failles transformantes (6 classes)
- Notion de vitesses relatives entre plusieurs plaques – Triangle
des vitesses
- Sur la sphère: notion de pôles et de vecteurs de rotation
-> mouvement relatif entre 2 plaques adjacentes évolue le long de la
limite de plaques
Mouvements de plaques à la surface de la Terre:
(a) Lignes de latitude et de longitude de rotation (petits et
grands cercles)
(b) Type de limites entre deux plaques (B fixe)
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1 PACIFIQUE
Principales plaques
2 EURASIE
3 AFRIQUE
4 ANTARCTIQUE
5 INDE-AUSTRALIE
6
7
8
9
AMERIQUE DU NORD
AMERIQUE DU SUD
NAZCA
PHILIPPINE
10 ARABIE
11 COCO
12 CARAIBE
2 postulats: Plaques rigides – Frontières étroites
Déformation: échelles de temps et d’espace
des phénomènes
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2. Distribution de la déformation aux limites de plaques
Activité sismique
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Dimension des limites de plaques diffuses
[Gordon and Stein, 1992]
3. Mesures géologiques des mouvements de plaques actuels:
rappel
Aperçu historique
•
•
•
•
Les modèles cinématiques sont apparus juste après le concept de tectonique des
plaques pour décrire leurs mouvements relatifs.
Le Pichon [1968]; Chase [1972; 1978]; Minster & Jordan [1978];
DeMets et al. [1990; 1994]
Modèles “géologiques”: Tous ces modèles utilisent: 1. Age et position des
anomalies magnétiques des océans; 2. Direction des failles transformantes; 3.
Vecteurs glissement des séismes
Modèles géodésiques: depuis le milieu des années 90, des vitesses angulaires
relatives entre plaques ont pu être mesurées par des techniques géodésiques
Smith et al. [1994]; Larson et al. [1997]; Crétaux et al. [1998]
La plupart des modèles cinématiques globaux font deux hypothèses de base:
• Plaques rigides
• Limites de plaques étroites
• Modèles cinématiques récents: Kreemer et Holt [2001]: prise en compte de 3000 vecteurs
vitesse dans les zones de déformation et des vitesses angulaires entre 25 plaques rigides
8
MESURE GEOLOGIQUE des mouvements de plaques actuels
Principes: QUE MESURER?
-
Failles transformantes:
(1) sur petits cercles –> utiles pour
trouver le pôle entre 2 plaques
adjacentes (2) Vitesses constantes le
long de cette frontière
-
Dorsales:
(1) Pas nécessairement
perpendiculaires à la direction
d’extension… (2) Taux d’accrétion:
change en fonction du sinus de la
distance angulaire au pôle -> pôle de
rotation et vitesse angulaire peuvent être
déterminés
MESURE GEOLOGIQUE des mouvements de plaques actuels
Principes: QUE MESURER (suite)?
-
Mécanismes au foyer: Direction et sens de mouvement relatif ->
Localisation du pôle, direction du mouvement
Mouvements « à terre » sur limites de plaques: Décalages de
marqueurs -> Mouvement relatif local
Mouvements de plaques « instantanés » à l’échelle de
quelques années:
- VLBI
- GPS
- SLR (dont Doris)
- Géodésie terrestre
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Estimation du mouvement actuel des plaques: NUVEL-1
- ~300 taux d’accrétion + 120 directions de transformantes océaniques
+ 800 vecteurs glissement de séismes
V=ωxR
V vitesse linéaire
ω = Vitesse de rotation
R = distance à l’axe eulérien
V = ω x r sinθ
r = rayon de la Terre
θ = distance angulaire pôle-point
-> Modèle géologique
« instantané » (moyenne
sur 2-3 Ma)
Figure: Vecteurs de rotation pour le mouvement relatif instantané actuel
de paires de plaques
NUVEL1A (De Mets et al., 1990, 1994)
4. Mouvements de plaques relatifs et absolus
• Modèles relatifs de mouvements entre plaques basés sur
des données géologiques et moyennés sur qq millions
d’années
– RM2 (Minster & Jordan, 1978)
– NUVEL-1, NUVEL-1A (DeMets et al., 1990, 1994)
• Modèles absolus basés sur les données des modèles
relatifs - Deux hypothèses:
1. les plaques (lithosphère) ayant un mouvement d’ensemble négligeable
sur le manteau (condition de non-rotation: NNR)
2. des points chauds ayant des mouvements négligeables par rapport au
manteau
Dans les deux hypothèses: UN pôle de rotation d’une seule plaque est estimé, les
autres pôles sont déduits par addition de vecteurs
Altamimi ECOLE D’ÉTÉ, FORCALQUIER, 28 AOÛT 2003
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Calcul du mouvement relatif à une limite de plaque
Pôle de rotation, vitesse angulaire connus pour plaques adjacentes:
Direction et magnitude de mouvement relatif déduit en tout point
Passage à 3 plaques - Evolution des points triples - Etc…
(cf cours C. Grigné)
Calcul de mouvement absolu:
-> NNR-NUVEL1A
Vitesses souvent exprimées dans un
cadre NNR = “no-net-rotation” = façon
arbitraire de représenter les vitesses
sans référence à une plaque
particulière (lithosphère “moyenne”):
Définition de “NNR” par Holt et al.,
2004 :
“kinematically defined reference frame
in which the global integral of the cross
product of the velocity with the radial
vector is zero”
Mouvements de plaque absolus (suite)
- Plaques -> pas de points fixes à la surface du globe…
- Points chauds -> alignement d’îles océaniques volcaniques intraplaque
- Hypothèse: le manteau bouge beaucoup plus lentement que les plaques ->
manteau supposé fixe
- Ex: Hawaï -> Mouvement
absolu du Pacifique ->
Mouvement absolu de
toutes les autres plaques
déduit
- Idem pour autres points
chauds -> Test de la
validité de l’hypothèse
(points chauds fixes)
(cf. cours G. Chazot)
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Mouvements absolus de plaques déduits des points chauds (3
derniers millions d’années: modèle « Hot Spot ») ou du modèle
« NNR »: différences jusqu’à 3 cm/an
Si on retranche la
cinématique
relative de la
cinématique
globale: Même
rotation nette de
toutes les plaques
autour d’un pôle à
haute latitude (max.
2 cm/an à 90° du
pôle)
8 cm/an
DERIVE GLOBALE VERS L’OUEST
? : Quelles sont les plaques « rapides »? Quel est leur point commun?
1 PACIFIQUE
2 EURASIE
10 cm/an vers le Nord-Ouest
1 cm/an vers l'Est
3 AFRIQUE
4 ANTARCTIQUE
2 cm/an vers le Nord
Tourne sur elle-même
5
6
7
8
7 cm/an vers le Nord
1 cm/an vers l'Ouest
1 cm/an vers le Nord
7 cm/an vers l'Est
INDE-AUSTRALIE
AMERIQUE DU NORD
AMERIQUE DU SUD
NAZCA
9 PHILIPPINE
10 ARABIE
11 COCO
8 cm/an vers l'Ouest
3 cm/an vers le Nord-Est
5 cm/an vers le Nord-Est
12 CARAIBE
1 cm/an vers le Nord-Est
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LECTURES D’ARTICLES POUR MARDI 16 DECEMBRE
Thème: rôle des slabs dans la transmission des
forces aux limites de plaques
Principe:
1. TOUT LE MONDE LIT DANS LES 3 ARTICLES:
1. LE RESUME
2. LA CONCLUSION
3. LES FIGURES ET LEGENDES
2. CHAQUE GROUPE DE 3 ETUDIANTS LIT L’ARTICLE EN PRENANT DES
NOTES
3. CHAQUE GROUPE PRESENTE ORALEMENT LES PRINCIPAUX
RESULTATS AUX AUTRES (temps de parole équivalents) et CRITIQUE
LES CONCLUSIONS DES AUTEURS (qu’est-ce qui est convaincant et
clairement établi, qu’est-ce qui paraît plus douteux)
4. S’EN SUIT UNE DISCUSSION ET ECHANGES D’AVIS
LECTURES D’ARTICLES POUR MARDI 16 DECEMBRE
1. LALLEMAND et al., 2005: On the relationships between slab dip,
back-arc stress, upper plate absolute motion, and crustal nature in
subduction zones
Marine et Ruth
2. NISHIKAWA et IDE, 2014: Earthquake size distribution in subduction
zones linked to slab buoyancy
Nicolas et Aubéry + Abdel
1. BRUN et FACCENNA, 2008: Exhumation of high-pressure rocks driven
by slab rollback
Damien et Marie + Geoffrey
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