L`altimétrie satellitaire, le géoïde et les grandes structures
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elements-geologie.com L’altimétrie satellitaire, le géoïde et les grandes structures océaniques Sommaire LE PRINCIPE DE L’ALTIMÉTRIE LE GÉOÏDE, LES GRANDES LONGUEURS D’ONDE LE GÉOÏDE, LES COURTES LONGUEURS D’ONDE LA BATHYMÉTRIE PRÉDITE PAR ALTIMÉTRIE SATELLITAIRE LES GRANDS DOMAINES BATHYMÉTRIQUES DE L’OCÉAN MONDIAL LES GRANDES STRUCTURES OCÉANIQUES : - HÉMISPHÈRE DU PACIFIQUE - HÉMISPHÈRE ATLANTIQUE-INDIEN - RÉPARTITION DE LA SISMICITÉ - DORSALES - MARGES - MONTS SOUS MARINS ET RIDES ASISMIQUES - PLAINES ABYSSALES. Découvrez la 15e édition du « Pomerol » tout en couleurs, Éléments de Géologie (Dunod, 2015, M. Renard, Y. Lagabrielle, E. Martin, M. de Rafélis), à jour des dernières connaissances de la recherche en géosciences. Un livre qui répond aux exigences des étudiants, des candidats aux concours, des enseignants, des chercheurs… Et de l’amateur éclairé ! Voir chapitre 7 Toute l’info sur ce livre << Tous les reportages de terrain de elements-geologie.com Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LE PRINCIPE DE L’ALTIMÉTRIE Les satellites altimétriques des programmes CNES-NASA Topex-Poseidon en haut et Jason (en bas). Les missions Jason-1, -2 assurent le relais de la mission TopexPoseidon. Jason-3 sera prêt pour 2013. Le satellite altimétrique mesure la distance altimétrique. Plusieurs passages au même point permettent de moyenner cette distance en retirant la topographie dynamique (celle qui intéresse les océanographes physiciens). On peut alors calculer le géoïde qui correspond à la surface moyenne de l’océan au repos. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LE GEOÏDE : LES GRANDES LONGUEURS D’ONDES Le géoïde est une surface équipotentielle de gravité (g a la même valeur partout sur cette surface) qui correspond au niveau MOYEN des océans au repos. Cette surface se prolonge sous les continents. En raison de la distribution hétérogène des masses au sein du globe, le géoïde ne correspond pas exactement à l’ellipsoïde de référence. Les écarts positifs et négatifs entre les surfaces du géoïde et de l’ellipsoïde sont nommés les ondulations du géoïde. Les valeurs extrêmes de ces écarts sont de l'ordre de + ou - 100m, par exemple + 76 m (bosse au niveau de la Nouvelle Guinée), + 54 m (bosse de l’Atlantique Nord) et – 93 m (creux au sud de l’Inde). Les ondulations du géoïde présentent des longueurs d’ondes de plusieurs ordres, s’étalant entre 10 000 km et seulement quelques m. Elles correspondent à des hétérogénéités dans la distribution des masses au sein de la Terre à différentes échelles, du manteau inférieur à l’interface Terre-Eau. Ce dernier correspond à un très fort contraste de densité. Son signal altimétrique est significatif. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LE GEOÏDE : LES GRANDES LONGUEURS D’ONDES La forme du géoïde le long d’une coupe méridienne à 60°W est dite en poire. Les anomalies de très grandes longueur d’onde sont créées par des hétérogénéités de masses situées très en profondeur dans le globe. On considère que ce sont des courants de convection dans le manteau inférieur qui sont responsables de ces anomalies. La correspondance entre ces anomalies et les images tomographiques du manteau profond n’est pas immédiate. Ici, il faut considérer que des masses en mouvement dans le manteau inférieur sont capables d’engendrer par un effet d’aspiration, un déficit de masse dans le manteau supérieur expliquant une anomalie négative du géoîde de grande longueur d’onde. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LE GEOÏDE : LES COURTES LONGUEURS D’ONDES Variations de la gravité engendrées par des reliefs océaniques : une marge continentale à droite et un volcan sous marin (à gauche). Le signal diminue quand la profondeur de l’anomalie augmente (2, 3, 4 km). En rouge l’interface eau/roche générant un fort signal altimétrique. eau roche Un exemple d’enregistrement altimétrique du satellite GEOSAT. On distingue les traces successives du passage du satellite au dessus de la zone de fracture El Tanin (Pacifique sud). Il s’agit d’une zone de fracture majeure orientée N120 env. avec un dénivelé topographique de l’ordre de 3000 m. Le long des traces, on reporte les variations de la gravité déterminées grâce à la mesure de la hauteur du géoïde. Ces enregistrements compilés à l’échelle globale permettent de construire la carte mondiale des anomalies de gravité ci-contre. Les anomalies de courte longueur d’onde du géoïde sont utilisées pour obtenir une image des reliefs océaniques. Le contraste de densité Terre-Eau est très élevé (passage de d#3 à d#1), beaucoup plus élevé que celui généré par les hétérogénéités situées plus en profondeur (voir le trait rouge sur le schéma ci-dessus). La réponse altimétrique est positive (bombement du géoïde) pour un relief positif (mont sous-marin, ride) et négative pour un relief en creux (une fosse crée une dépression du géoïde). Une zone de fracture plus profonde de 3000 m que le plancher avoisinant engendre ainsi un creux de 1 m du géoïde (exemple ci-dessus). « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LE GEOÏDE : LES COURTES LONGUEURS D’ONDES On produit ainsi des cartes globales du géoïde. On peut également représenter les anomalies de la gravité, qui sont des cartes de la dérivée du géoïde, plus expressives pour les ondulations de courte longueur d’onde que les seules variations du géoïde. Les scientifiques américains David Smith et Walter Sandwell ont publié dans les années 1990 des cartes des anomalies de la gravité à partir des données des satellites Geosat et ERS1. Depuis, de nombreuses cartes sont venues affiner avec une acuité sans cesse croissante, la représentation de notre globe. Les progrès sont venus rapidement lorsque l’on a su combiner les variations de la gravité et les données bathymétriques conventionnelles pour en faire la fusion et obtenir des cartes de la bathymétrie dite prédite. On peut en savoir plus sur ces différentes cartes et représentations en se connectant sur le site NGDC (National Geophysical Data Center) de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) (http://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html), voir également le site de la SCRIPPS, Institution of Oceanography (http://topex.ucsd.edu/WWW_html/mar_topo.html). « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LA BATHYMÉTRIE PRÉDITE PAR ALTIMÉTRIE SATELLITAIRE En France, le Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM) calcule une surface moyenne de l’océan (SMO) à partir des mesures collectées successivement par les satellites altimétriques GEOSAT, ERS-1 et TOPEX/Poseïdon entre 1987 et 1996. Pour réaliser les cartes de bathymétrie «prédite», les courtes longueurs d’onde du géoïde extraites de cette SMO sont converties en variations de profondeur du fond océanique. Elles sont ensuite contraintes par l’ensemble des sondes bathymétriques conventionnelles des bases de données mondiales. On obtient alors des cartes dites de la Bathymétrie mondiale prédite par Altimétrie Satellitaire du type de celles présentées ici, figurant également dans le cahier couleur de Eléments de Géologie. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LA BATHYMÉTRIE PRÉDITE PAR ALTIMÉTRIE SATELLITAIRE Ces données peuvent être présentées sous des formes variées, avec des échelles de couleur variables, des systèmes de projections différents et en intégrant ou non les données de la topographie terrestre. La topographie océanique (image fournie par A. Cazenave, LEGOS/CNES, Toulouse) « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com elements-geologie.net LES GRANDS DOMAINES BATHYMÉTRIQUES DE L’OCÉAN MONDIAL Les cartes de la bathymétrie prédite permettent de visualiser les grands domaines qui composent la morphologie de nos océans. Ces domaines sont : - Les marges actives et passives : les premières, où se produit la subduction de la lithosphère océanique, sont aussi des limites convergentes de plaques ; -- Les plaines abyssales ; -- Les dorsales, rides sismiques où se produit l’accrétion de la lithosphère océanique, sont également des limites de plaques divergentes ; -- Les monts sous marins et les rides asismiques, correspondant souvent à des points chauds. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com elements-geologie.net LES GRANDES STRUCTURES OCÉANIQUES : HÉMISPHÈRE DU PACIFIQUE Dans l’hémisphère du Pacifique, on remarque que la dorsale active, la dorsale Est-Pacifique (EPR) n’est pas centrale. Deux dorsales orthogonales, la dorsale du Chili et la dorsale Cocos-Nazca se connectent à l’EPR (jonctions triples Ride-Ride-Ride). Deux micro-plaques jalonnent l’EPR. Au sud de la micro-plaque Juan Fernandez, elle fait place à la dorsale PacAntarctique. Noter la localisation de la Zone de fracture El Tanin évoquée à la diapositive n° 5. Le Pacifique ouest se caractérise par l’abondance des rides asismiques volcaniques, des plateaux volcaniques (ex. Ontong-Java) et des monts sous-marins. On remarque que nombre des lignes volcaniques sont coudées en raison du changement dans le mouvement absolu de la plaque Pacifique. Le sud-Ouest et l’Ouest du Pacifique concentrent la plupart des bassins arrière-arcs du monde. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com elements-geologie.net LES GRANDES STRUCTURES OCÉANIQUES : HÉMISPHÈRE ATLANTIQUE-INDIEN La dorsale Atlantique interagit directement avec plusieurs points chauds. En Islande, cela conduit à une production volcanique accrue, à tel point que la dorsale émerge. Plus au sud, il existe également un bombement dû à l’interaction avec le point chaud des Açores, mais seules émergent quelques îles. A la marge ouest de l’Afrique, deux petits points chauds correspondent aux îles des Canaries et du Cap vert. La dorsale est-indienne a été, elle aussi, le siège d’interaction avec les points chauds, notamment, avec le point chaud qui a donné naissance au plateau des Kerguelen et à la ride Broken. Le point chaud de la Réunion, a mis en place les trapps du Dekkan, mais la trace du point chaud a été recoupé par l’ouverture de la dorsale nordouest indienne. Dans l’hémisphère atlantique-indien il n’existe qu’un bassin arrière-arc avec de l’ouverture active (dorsale Est-Scotia). La dorsale est centrale dans l’océan Atlantique (MAR, Mid-Atlantic-Ridge), mais dans l’Océan Indien, il existe trois dorsales actives ; le point où elles se rejoignent est le point triple de Rodriguez. Il existe quelques rides asismiques dans l’océan Atlantique. Les rides Rio Grande-Walvis, mises en place par le point chaud de Tristan da Cunha, dessinent un grand « V » qui montre que l’ensemble des plaques est remonté vers le nord depuis 130 Ma. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LES GRANDES STRUCTURES OCÉANIQUES : RÉPARTITION DE LA SISMICITÉ En comparant la carte de la sismicité globale et celle des reliefs océaniques, on peut déduire la carte des frontières actives des plaques : 1. l’axe des dorsales, encadré par les plaines abyssales (frontières divergentes), 2. les fosses de subduction à la marge des océans (frontières convergentes). « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LES GRANDES STRUCTURES OCÉANIQUES : LES DORSALES Carte des dorsales mondiales « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LES GRANDES STRUCTURES OCÉANIQUES : LES MARGES CONTINENTALES Carte mondiale des différents types de marge « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LES GRANDES STRUCTURES OCÉANIQUES : LE VOLCANISME D’ARC Les marges actives (convergentes) soulignées par les séismes (cf. ci-contre) sont dans la plupart des cas le siège d’un volcanisme actif à chimisme calcoalcalin, également appelé volcanisme orogénique. Ce volcanisme est réparti à la fois sur les continents et dans l’océan. C’est essentiellement au niveau de l’Ouest-Pacifique, où se produisent les subductions océans-océans, que l’on trouve les volcans orogéniques formant un arc installé sur croûte océanique. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LES GRANDES STRUCTURES OCÉANIQUES : LES RIDES ASISMIQUES ET LES POINTS CHAUDS Après les dorsales et les marges actives, le troisième type de structure océanique est caractérisé par l’absence de sismicité, il s’agit des rides, plateaux et monts sous-marins d’origine volcanique, très souvent liés à la présence de points chauds comme le montre la figure ci-dessus. Les points chauds sont représentés par les ronds rouges ; on donne également l’âge de la formation des rides et plateaux volcaniques. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LES PLAINES ABYSSALES En s’éloignant de l’axe des dorsales en raison du mouvement divergent des plaques, l’épaisseur de la lithosphère augmente car la plaque se refroidit « par le bas », puisque le courant ascendant de manteau chaud sous l’axe n’existe plus. La densité d’une colonne de roche augmente donc régulièrement en s’éloignant de l’axe. Par équilibre isostatique, la lithosphère s’enfonce dans l’asthénosphère. La variation de profondeur est une loi en fonction de la racine carrée de l’âge jusqu’à 70 Ma environ : p = 2500 + 350.t1/2 (p en m, t en Ma) « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015. elements-geologie.com LES PLAINES ABYSSALES Les plaines abyssales résultent de l’affaissement progressif du plancher océanique de façon symétrique par rapport à l’axe de la dorsale. Cette notion de symétrie est importante. Dans le même temps, le flux thermique diminue symétriquement hors axe, ce qui indique qu’il existe un lien entre approfondissement et refroidissement de la lithosphère. Diagrammes ci-contre : les relations essentielles entre profondeur, flux thermique et âge de la lithosphère. « Sommaire Extrait du site elements-geologie.com, complémentaire du livre Éléments de géologie 15e éd. de Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin et Marc de Rafélis, © Dunod Editeur, 2015.
