Modéliser la surface de la Terre : frontières et

Séquence 5
Modéliser la surface de la Terre :
frontières et déplacement
des plaques lithosphériques
Sommaire
1. Le recyclage de la lithosphère océanique
2. Le premier modèle de la tectonique des plaques
3. Affiner et réactualiser le modèle de la tectonique des plaques
Exercices de la séquence 5
Glossaire des séquences 4 et 5
Documents annexes
Séquence 5 – SN12
1
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1
Document 1
Mobiliser les
acquis
Un constat
Questions
Le recyclage
de la lithosphère océanique
Carte des âges des fonds océaniques
Pratiquer une démarche scientifique (observer, questionner, formuler
une hypothèse, expérimenter, raisonner avec rigueur, modéliser).
Recenser, extraire et organiser des informations.
Colorier chaque tranche d’âge de la lithosphère océanique d’une cou-
leur différente.
Déterminer l’âge de la plus vieille lithosphère océanique observée.
Comparer cette valeur avec l’âge de la lithosphère continentale : envi-
ron 4 milliards d’années. Que pouvez-vous en déduire ?
On a montré que la lithosphère océanique apparaît au niveau des dorsales. Comme la Terre a une surface fixe, cela veut dire qu’il y a disparition de lithosphère à un autre endroit du globe.
Comment
la lithosphère océanique disparaît-elle de la surface de la Terre ?
Les résultats de nombreux enregistrements sismiques ont permis de caractériser les phénomènes ayant lieu au niveau des zones de disparition
de la lithosphère océanique, qu’on appelle zones de subduction.
Séquence 5 – SN12
3
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A
Activité 1
Étude de la profondeur
des foyers sismiques
Disposition des foyers sismiques (À l’aide du logiciel Tectoglob)
Exprimer et exploiter des résultats, à l’écrit, , en utilisant les technologies
de l’information et de la communication.
Questions
Lancer le logiciel Tectoglob. Faire apparaître séismes et volcans. Cen-
trer la carte sur le Pacifique. Que constatez-vous ?
Zoomer de façon à n’avoir dans votre champ de vision que l’Amérique
du sud.
Tracer une coupe à environ 25° de latitude sud, entre 80 et 60° de lon-
gitude. Pour l’aide au tracé d’une coupe sous Tectoglob, voir la fiche
n° 8.
Imprimer votre travail. Compléter avec les légendes suivantes : chaîne
volcanique (Andes), fosse océanique, fonds océaniques.
Tracer une droite passant par le maximum de foyers sismiques. Calcu-
ler l’angle que fait cette droite avec l’horizontale.
Que pouvez-vous constater constatant la profondeur maximale des
foyers des séismes ? Sachant que les séismes ne peuvent se produire
qu’au sein de la lithosphère, quelle hypothèse pouvez-vous faire
concernant le devenir de la plaque Pacifique à cet endroit ?
À retenir
A l’endroit où la plaque océanique disparaît, on observe un important relief négatif : la fosse
océanique. Au voisinage des fosses océaniques, la distribution des foyers des séismes en fonction de leur profondeur s’établit selon un plan incliné appelé plan de Bénioff.
B
Étude des profils de vitesse
des ondes P
On rappelle que Wegener pensait que la croûte continentale seule se
déplaçait, en glissant directement « dans » ou « à la surface de » la
croûte océanique. De nos jours, on sait que ce n’est pas la croûte seule
qui est mobile, mais la lithosphère. Les plaques formant la lithosphère
sont rigides. On peut caractériser les propriétés de la lithosphère en utilisant les profils sismiques des ondes P.
4
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Séquence 5 – SN12
Activité 2
Les plaques lithosphériques
Recenser, extraire et organiser des informations.
Document 2
La lithosphère terrestre est constituée d’une mosaïque de plaques lithosphériques rigides.
Plaque
Nord
Américaine
Plaque
des Caraïbes
Plaque
des Cocos
Plaque
Pacifique
Plaque
Nazca
Plaque
Africaine
Plaque
Arabique
Plaque
Philippine
Plaque
Sud
Américaine
Mouvement de divergence
Mouvement de convergence
Questions
Plaque
Eurasiatique
Plaque
Pacifique
Plaque
Indo
Australienne
Plaque Antarctique
Identifier une plaque ne portant que de la lithosphère océanique.
Identifier une plaque à la fois de la lithosphère océanique et de la
lithosphère continentale.
1. Au niveau des fonds abyssaux
On commence par étudier le profil des ondes P au milieu du domaine
océanique, loin des côtes et de la dorsale.
On rappelle que plus un milieu est dense, plus les ondes s’y propagent
vite.
Activité 3
Profil sismique en domaine abyssal
Recenser, extraire et organiser des informations.
Percevoir le lien entre sciences et techniques.
On étudie le profil des ondes P au niveau des fonds abyssaux (c’est-àdire au milieu du domaine océanique).
Séquence 5 – SN12
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Document 3
Profil de vitesse des ondes P
0
0
1
2
3
5
4
6
7
Vitesse (km . s-1)
8
9
50
100
Ondes S
Ondes P
150
200
250
300
Questions
Profondeur (km)
Sur un profil de vitesse des ondes P, repérer la base de la lithosphère.
Indiquer sa température moyenne.
Comment pouvez-vous interpréter le ralentissement des ondes P entre
100 km et 200 km de profondeur ?
La base de la lithosphère est constituée de péridotite ductile, c’est-àdire très partiellement fondue (1 %). Cette fusion partielle diminue la
densité de la roche, et provoque un ralentissement des ondes : on parle
de LVZ (Low Velocity Zone). Le haut de la LVZ marque la séparation entre :
– la lithosphère, située au-dessus de la LVZ, qui a un comportement rigide
– l’asthénosphère (du grec asthenos, sans résistance) située en-dessous de la LVZ, qui est constituée de manteau déformable.
2. Au niveau des zones de subduction
On s’intéresse maintenant au profil des ondes sismiques au niveau des
zones de disparition de la lithosphère océanique. On reprend l’exemple
de la côte est chilienne.
Activité 4
Profil sismique en zone de subduction
Recenser, extraire et organiser des informations
6
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Séquence 5 – SN12
Document 4
Profil de vitesse des ondes au niveau de l’Amérique centrale
Fosse
E
W
0 km
Profondeur 400
670
en km
Amérique Centrale
Questions
CMB
Décrire la variation observée de la vitesse des ondes P au niveau de la
zone de subduction.
Mettre ces résultats en relation avec les observations de la profondeur
des foyers sismiques sous Tectoglob (activité précédente).
La lithosphère océanique s’enfonce dans l’asthénosphère au niveau
des zones de subduction, elle est ainsi « recyclée ».
À retenir
L’ensemble des plaques constitue la lithosphère. La lithosphère est rigide, contrairement à
l’asthénosphère sous-jacente, qui est ductile. La lithosphère se déplace en glissant sur l’asthénosphère : c’est la tectonique des plaques. La limite entre la lithosphère et l’asthénosphère est
appelée LVZ, elle se situe à 100 kms de profondeur et sa température est d’environ 1300°C.
C
Modèle d’une zone de subduction
Les zones de transition océan-continent sont appelées « marges ». On distingue les marges actives, où il y a subduction de la lithosphère océanique, et
les marges passives, où il n’y pas de subduction. Les marges actives sont le
lieu de nombreux séismes et sont souvent bordées de volcans. Par exemple,
le tour de l’océan Pacifique est essentiellement constitué de marges actives
(on parle de « ceinture de feu » du Pacifique). La cordillère des Andes et
la chaîne côtière états-unienne font partie de cette ceinture de feu. En revanche, l’Atlantique est essentiellement bordé de marges passives, à l’exception de la subduction des Caraïbes.
Activité 5
Schéma-bilan des subductions
Communiquer dans un langage scientifiquement approprié
Questions
Réaliser un schéma représentant le devenir d’une plaque lithosphé-
rique océanique au niveau d’une zone de subduction.
Vous pouvez vous aider du point méthode du chapitre 2 de la séquence 1.
Séquence 5 – SN12
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Télécharger et utiliser le logiciel ‘’SUBDUCTION ‘’ réalisé par P.Perez.
Vous pouvez le télécharger à l’adresse suivante : http://pedagogie.
ac-toulouse.fr/svt/serveur/lycee/perez/subduction/subduction.htm
Si le lien ne fonctionne pas, tapez ‘’subduction + Perez’’ sur votre moteur
de recherche.
Compléter, à l’aide du logiciel, le schéma avec les légendes suivantes :
croûte océanique, croûte continentale, manteau lithosphérique, Moho,
océan, plaque plongeante, plaque chevauchante.
Bilan
La lithosphère océanique apparaît au niveau des dorsales médio-océaniques, et disparaît au niveau des zones de subduction. La lithosphère
« plongeante » est mise en évidence grâce à l’étude de la profondeur des
foyers sismiques et des profils de vitesse des ondes P.
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Séquence 5 – SN12
2
Le premier modèle de la
tectonique des plaques
Nous sommes maintenant à la fin des années 1960, les idées de Wegener concernant la mobilité des plaques sont acceptées par la communauté scientifique. Le problème lié aux forces à l’origine du mouvement
a été partiellement résolu grâce à la mise en évidence des cellules de
convection mantelliques. Il reste à proposer un modèle cohérent des
mouvements des plaques, précisant les directions et les vitesses de chacune d’entre elles.
Les photos et les échantillons pris par le submersible Nautile au niveau
de la faille Vema nous avaient permis de caractériser la structure de la
lithosphère océanique.
Cette faille se situe au niveau de la dorsale Atlantique, et présente une
direction perpendiculaire à l’axe de la dorsale.
Document 1
Position de la faille Vema
60°
50°
40°
30°
20°
10°
0°
10°
Charlie-Gibbs
50°
40°
Oceanographer
30°
Atlantis
Kane
20°
Véma
10°
St. Paul
Romanche
0°
On retrouve de nombreuses autres failles présentant la même orientation. Elles sont appelées failles transformantes.
Ce sont des frontières en coulissage, elles correspondent à un décalage
de l’axe de la dorsale. (Elles sont bien visibles sous Google Earth).
À
quelles contraintes sont dues ces failles perpendiculaires aux dorsales océaniques ?
Séquence 5 – SN12
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A
Origine des failles transformantes
Avertissement : Le paragraphe qui vient est particulièrement complexe et ne
s’adresse qu’aux personnes ayant un intérêt particulier pour la physique.
Pour bien comprendre ce phénomène, il faut garder à l’esprit que les
plaques se déplacent sur une surface sphérique : elles sont en rotation.
Pour chaque plaque, on peut définir un axe passant par le centre de la
Terre autour duquel cette plaque tourne : on parle d’axe eulérien de rotation. Cet axe virtuel transperce la surface de la Terre en deux « pôles »
appelés pôles eulériens de rotation.
Le rayon de rotation de l’élément A
est plus grand que le rayon de
rotation des éléments B et C.
La vitesse angulaire de A
est donc supérieure
à celles de B et C.
Plaque
Ouest
élément A
Plaque
Est
élément B
N’allant pas à la même vitesse
ces éléments vont se dissocier
et se déplacer les uns par rapport
aux autres le long des failles
“transformantes”.
Axe de rotation
de la Terre
Dorsale
Faille transformante
Document 2
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Les déplacements des plaques sur une surface sphérique
Pour une plaque donnée, sa vitesse linéaire est constante. Par exemple,
les plaques situées de chaque côté de l’Atlantique s’écartent de l’axe de
la dorsale à une vitesse de 2 cm par an. Or, la vitesse « angulaire » VA
de déplacement, c’est-à-dire l’angle parcouru par la plaque par unité de
temps, est reliée à la vitesse linéaire VL par la formule VA = R.VL.
R représente la distance à l’axe eulérien de rotation. Au niveau de son
pôle eulérien de rotation, R vaut zéro, la vitesse angulaire est nulle. Plus
on s’éloigne du pôle de rotation, plus R augmente, donc plus la vitesse
angulaire augmente. Les différentes régions d’une même plaque ne se
déplacent pas toutes à la même vitesse angulaire.
Pour mieux comprendre, admettons qu’on ait deux plaques dont l’axe
de rotation soit confondu avec l’axe de rotation de la Terre. Ces deux
plaques s’écartent à une vitesse donnée. Au niveau du pôle Nord, la
vitesse angulaire de la plaque est nulle. Au niveau de l’Equateur, leur
écartement devrait normalement être bien plus important ! Or, la vitesse
linéaire d’écartement est constante, elle correspond à la vitesse à laquelle la dorsale située entre ces deux plaques est capable de produire
du plancher océanique.
Séquence 5 – SN12
La croûte océanique se fracture sous l’effet de ces contraintes opposées :
ce sont les failles transformantes, qui « transforment » le mouvement de
rotation en mouvement linéaire.
Les failles transformantes peuvent exister aussi en domaine continental.
Par exemple, dans les Alpes, la faille insubrienne est une faille transformante, de même que la faille de Sumatra. Le terme « faille transformante » est donc une expression générique pour désigner tout mouvement de coulissage horizontal entre deux parties de plaques.
Ces failles prouvent que les plaques ont un comportement rigide : elles
ne peuvent pas se « déformer », elles peuvent seulement se fracturer
sous l’effet de contraintes importantes. Reste à déterminer leur direction
et leur vitesse…
À retenir
Deux jeux de force opposés agissent sur les plaques lithosphériques :
– les contraintes liées à la rotation, qui imposent un écartement plus important à l’équateur
eulérien qu’au pôle eulérien
– les contraintes liées à la production de magma, qui imposent une vitesse d’écartement uniforme sur toute la longueur de la dorsale.
Ces forces provoquent la fracturation de la lithosphère : des frontières coulissantes se mettent en
place, ce sont les failles transformantes.
B
Les différents types de mouvements aux frontières de plaques
Récapitulons : nous avons vu trois types de mouvements possibles au
niveau des frontières de plaques.
Au niveau des dorsales, le plancher océanique se forme, les plaques
océaniques s’écartent à des vitesses variant de 2 à 12 cm par an.
Au niveau des zones de subduction, le plancher océanique disparaît,
englouti dans l’asthénosphère sous-jacente.
Au niveau des failles transformantes, les plaques coulissent les unes par
rapport aux autres.
Grâce au paléomagnétisme, on peut calculer les vitesses moyennes des
plaques sur plusieurs millions d’années. Attention, ce sont des vitesses et
des directions relatives ; c’est-à-dire qu’on décrit la vitesse et le mouvement
d’une plaque par rapport à une autre plaque. Pour obtenir un modèle satisfaisant de l’ensemble des mouvements des plaques, il faut maintenant :
Séquence 5 – SN12
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– préciser le mouvement instantané des plaques, c’est-à-dire leurs
vitesses et sens de déplacements actuels. Les déplacements des
plaques sont obtenus de nos jours par des données satellitaires (GPS :
Global Positioning System), voir chapitre suivant.
– préciser le mouvement absolu des plaques, c’est-à-dire par rapport à
un référentiel fixe, sur une longue période de temps.
La notion de référentiel
Point
physique
On appelle référentiel un objet ou un ensemble d’objets par rapport auxquels on décrit le mouvement d’un autre corps.
Par exemple, si je descends un escalator qui est en train de monter, je
suis immobile dans le référentiel terrestre (je fais du sur-place) mais j’ai
un mouvement descendant dans le référentiel de l’escalator.
Où
trouver un référentiel fixe, alors que la surface du
globe paraît en perpétuel mouvement ?
À retenir
A la surface du globe, les plaques lithosphériques peuvent s’écarter, se rapprocher, ou coulisser
les unes par rapport aux autres.
C
Le volcanisme intraplaque
À la surface du globe, le volcanisme est essentiellement observé en bordure de plaques, soit au niveau des dorsales (ex dorsale indienne) soit
au niveau des zones de subduction (ex les Antilles). Pourtant, on trouve
aussi d’étranges alignements volcaniques au beau milieu des plaques,
par exemple à la Réunion ou à Hawaii. Les basaltes issus de ces coulées
de lave indiquent une source profonde du magma.
Activité 1
Comment expliquer les alignements d’îles volcaniques intraplaques observés à Hawaii ?
Recenser, extraire et organiser des informations.
Exprimer et exploiter des résultats, à l’écrit et à l’oral, en utilisant les technologies de l’information et de la communication.
Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : oral, écrit,
graphique, numérique.
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Séquence 5 – SN12
Pour cette activité, on va utiliser les logiciels Google Earth et Excel.
Consulter les fiches n° 6 et n° 7.
Vous devez au préalable télécharger le fichier Hawaï.kmz.
Ouvrir Google Earth et ouvrir dans Google Earth le fichier Hawaï.kmz.
Questions
Identifier les volcans hawaiiens encore en activité.
Donner les dates des séismes les plus récents.
Faire une exploration en 3D de l’archipel et décrire les caractéristiques
de ce paysage volcanique (décrire le relief et la forme des volcans).
Relever l’âge des différents volcans. Que constatez-vous ?
Expliquer en quoi les résultats précédents permettent de supposer un
déplacement de la plaque Pacifique au-dessus d’un point fixe, où il y
a production de magma.
Créer sous Excel un fichier Hawaii.xls avec une colonne pour les dis-
tances des différents volcans au volcan Kilauea (en km) et une colonne pour les âges en millions d’années.
Construire la courbe « distance en fonction de l’âge du volcanisme ».
Afficher la droite de régression linéaire correspondante, et son équation.
En déduire la vitesse de déplacement de la plaque.
Formuler une réponse au problème initial.
On appelle « point chaud » une remontée locale de magma d’origine profonde. Certains points chauds sont actifs depuis des dizaines de millions
d’années. Les points chauds sont ancrés à la limite manteau-noyau et ne
se déplacent pas à la surface du globe. On peut donc les utiliser comme
des référentiels fixes, pour retrouver le mouvement absolu des plaques
sur de longues périodes de temps.
Activité 2
Ride d’Hawaii et ride de l’Empereur
Recenser, extraire et organiser des informations.
Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique.
Document 3a
Localisation d’Hawaii
AMERIQUE
DU
NORD
ASIE
Hawaï
AUSTRALIE
Séquence 5 – SN12
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Document 3b
Schéma ride d’Hawaii-Empereur
Fos
ses
des
Alé
out
ien
(70)
nes
Iles Hawaii
Mauna Loa (0)
e l’Em
Suiko (60)
d
Monts
Jimmu (65)
Nihoa (5)
pereur
Jingu (55)
100 km
Kilauea (0)
Koko (46)
Kinmei (42) Limite Hawaii-Empereur
Volcans récents et
actuels émergés
Midway (18)
Rid
ed
0
1000 km
’Ha
wa
ii
Iles Hawaii
Necker (10)
Nihoa (5)
Hawaii (0)
Questions
Volcans sous-marins
éteints
(55)
Age des volcans
(en Ma)
A partir du doc 3b, identifier la date à laquelle il y a eu un changement
dans la direction de déplacement de la plaque.
Calculer la vitesse à laquelle se déplaçait la plaque avant ce changement de direction.
Comparer avec la vitesse actuelle de déplacement, calculée à l’activité 1.
À retenir
Les points chauds sont des remontées locales de magmas profonds, considérés comme fixes
au cours des temps géologiques. Ils sont à l’origine d’alignements volcaniques intraplaques
(ex : Hawaii).
D
Le modèle NUVEL-1
Le premier modèle global de la tectonique des plaques a été établi en
1968 par Xavier Le Pichon, il comprenait alors 6 plaques. Au fur et à mesure que les données s’accumulent, le modèle se complexifie : un modèle
à 11 plaques apparaît en 1978. En 1990, le modèle NUVEL-1 présente une
lithosphère à 12 plaques, de tailles très variables – de l’énorme plaque
Antarctique à la microplaque des Cocos. Leurs déplacements varient de 1
à 10 cm par an… environ la vitesse à laquelle poussent nos ongles !
14
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Séquence 5 – SN12
Activité 3
Le modèle NUVEL-1
Recenser, extraire et organiser des informations.
Document 4
Modèle à 12 plaques
14
1
15
4
2
10
3
9
5
6
8
17
19
7
13
16
18
20
12
11
Pour cet exercice, vous pouvez vous aider de Google Earth : ouvrir le
fichier kmz « Hawaii.kmz » et dans le menu Lieux, cliquer sur l’onglet
« plaques tectoniques ».
Questions
Colorer en bleu les principales zones de divergence.
Colorer en rouge les principales zones de convergence (collision ou
subduction).
Indiquer la direction et la vitesse de déplacement de la plaque Paci-
fique, calculée à l’activité 2.
Bilan
L’étude des failles transformantes a confirmé la nature rigide des plaques
lithosphériques. Restait à préciser le déplacement des plaques par rapport à un référentiel fixe. Ce référentiel a été fourni par les points chauds.
Quand une plaque se déplace au-dessus d’un point chaud, on observe
des alignements volcaniques intraplaques.
Séquence 5 – SN12
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3
Affiner et réactualiser le modèle
de la tectonique des plaques
Un modèle est d’autant plus précis qu’il est validé par de nombreuses
mesures et observations.
En
quoi les informations fournies par des techniques
récentes nous permettent-elles de valider et de préciser
le modèle de la tectonique des plaques ?
Le modèle de la tectonique de plaques prévoit que la croûte océanique
est d’autant plus vieille qu’on s’éloigne de la dorsale. La vitesse d’écartement des plaques a pu être calculée grâce aux anomalies magnétiques
(chapitre 3, séquence 1) et aux alignements volcaniques intraplaques
(chapitre 2, séquence 2). Existe-t-il une autre technique permettant de
quantifier la vitesse d’expansion d’un océan ?
A
Datation des sédiments
océaniques profonds
Des forages sous-marins ont été réalisés pour prélever les sédiments en
contact avec le plancher océanique : c’est le programme JOIDES : Joint
Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling.
Ces sédiments, les plus profonds, doivent avoir le même âge que la
croûte sur laquelle ils reposent. On peut dater l’âge de ces sédiments
par différentes méthodes physico-chimiques.
Activité 1
Deux méthodes de datation complémentaires
Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique.
Exprimer et exploiter des résultats, à l’écrit, à l’oral, en utilisant les technologies de l’information et de la communication.
On s’intéresse à l’expansion de la dorsale Atlantique sud à 28°.
Pour cette activité, reportez-vous à la fiche technique d’Excel (Fiche n° 6).
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Séquence 5 – SN12
Document 1
Document 2
Age des sédiments en fonction de la distance D à l’axe
Age (MA)
10
23
26
32
38
50
67
D (kms)
200
400
500
700
750
1000
1300
Les anomalies magnétiques de part et d’autre de la dorsale Atlantique
Axe de la
dorsale atlantique
Anomalies
magnétiques (nt)
+
0
–
150
100
50
0
50
100
Echelle des
inversions magnétiques
0
Questions
5
10
150
Distance
à l’axe (kms)
Age en MA
Tracer sous Excel la courbe « âge des sédiments en fonction de la dis-
tance à l’axe de la dorsale »
Faire une régression linéaire, en déduire la vitesse d’expansion de la
dorsale.
Calculer la vitesse d’expansion à partir des données paléomagnétiques.
Comparer les deux résultats.
Comparez avec la vitesse de déplacement de la plaque Pacifique cal-
culée à l’activité 1 du chapitre précédent.
À retenir
A retenir : Le modèle d’expansion océanique initial prévoyait une certaine vitesse d’écartement
des plaques, pour chaque dorsale. Ces valeurs ont pu être confirmées par les forages sousmarins JOIDES.
Des techniques de positionnement satellitaires mises au point à la fin
du 20e siècle nous permettent de calculer en instantané les vitesses des
différentes plaques. On appelle ces techniques : GPS (Global Positioning
System), ou « altimétrie satellitaire ».
Séquence 5 – SN12
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B
Utilisation de données satellitaires
pour confirmer les vitesses de plaques
Les satellites utilisés en GPS émettent des ondes, dont la vitesse est
connue avec précision. Ces ondes sont perçues par des récepteurs situés
sur la croûte. En calculant le temps de trajet des ondes du satellite au récepteur, on peut déduire la distance qui sépare ces deux objets. L’utilisation de 4 satellites nous permet de déduire la position exacte du récepteur.
Document 3
Schéma du satellite et du récepteur
Satellite 1
Satellite 2
Aller-retour
d’ondes
Récepteur
Terre
Activité 2
Utiliser les données GPS : la triangulation
Le GPS permet de mesurer la distance d d’un satellite (de position
connue) à la station choisie. On sait alors que la station se trouve
quelque part sur la sphère ayant pour centre le satellite et de rayon d. Si
on a 4 satellites, on peut avoir 4 sphères qui se recoupent en un point :
ce point est la station en question.
C’est le même principe que lorsqu’on cherche à localiser l’épicentre d’un
séisme grâce à la réception d’ondes par des stations :
– on calcule la distance de l’épicentre à plusieurs stations de positions
connues.
18
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Séquence 5 – SN12
– pour chaque station, on trace le cercle ayant pour centre la station et
pour rayon la distance entre l’épicentre et la station
– l’intersection de ces cercles donne l’épicentre du séisme.
On parle dans les deux cas de triangulation.
Dans le cas du séisme, on se place dans un espace à deux dimensions
seulement (on néglige la courbure de la Terre) et donc on a besoin de 3
récepteurs. Voyons ceci avec un exemple.
Questions
Au cours d’un séisme, une station sismique proche de l’épicentre a
enregistré les sismogrammes suivants. Indiquer sur les enregistrements les temps d’arrivée des différentes ondes.
Les ondes reçues par les différentes stations
4
2
0
-2
déplacement du sol (mm)
Document 4
-4
2
1
0
-1
-2
4
2
0
-2
0
500
1000
temps (s)
1500
2000
2500
Exprimer la relation qui permet de calculer la distance d qui sépare
l’épicentre d’un séisme de la station sismique à laquelle il est enregistré en fonction de :
Aide
– la vitesse de propagation des
ondes P (VP)
– commencer par exprimer
– la vitesse de propagation des
VP en fonction de d et tP,
ondes S (VS)
puis VS en fonction de d
– la valeur (tS – tP)
et tS.
(tS = temps d’arrivée des ondes S,
– exprimer ensuite tS – tP en
fonction de d, VP et VS.
et tP = temps d’arrivée des ondes P).
Séquence 5 – SN12
19
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Au cours d’un autre séisme, qui s’est produite le 20 janvier 2003 dans
la région Nord-Ouest Pacifique, 4 stations sismiques ont enregistré l’arrivée des différents types d’ondes. Les résultats sont présentés dans le
tableau suivant :
Heure d’arrivé des ondes (temps universel UTC), enregistré par différentes sations sismiques.
Heure d’arrivée UTC
(heure : minute : seconde)
Code de la statin
Ondes P
Ondes S
PET
03:02:04
03:02:52
MA2
03:03:42
03:05:48
YSS
03:04:19
03:06:54
MAJO
03:06:25
03:10:40
On a VP = 7,74 km/s, et VS = 4,32 km/s.
Pour chacune des stations sismiques présentées dans le tableau précédent, calculer la distance à l’épicentre.
Déterminez l’heure à laquelle s’est produit le séisme.
Localiser l’épicentre de ce séisme sur la carte de la région suivante :
Les stations ayant enregistré le séisme
Document 5
Latitude
(Nord)
MA2
Nord
60
55
Mer d’Okhotsk
PET
50
YSS
45
Océan Pacifique
n
u
d
er
M
135
20
© Cned - Académie en ligne
o
ap
J
40
500
MAJO
Séquence 5 – SN12
140
145
0
500
150
1000 Kilomètres
155
160
Longitude
(Est)
À retenir
Avec l’utilisation des techniques de positionnement par satellites (GPS), les directions et vitesses
des plaques deviennent directement mesurables. Les valeurs données par le paléomagnétisme
et les alignements de volcans de points chauds sont confirmées.
C
Bilan : le cycle de la lithosphère
océanique
Les mesures des forages profonds et des GPS permettent donc d’établir un modèle de déplacement des plaques de plus en plus précis. En
permanence, la lithosphère océanique est produite dans les dorsales, à
partir de magmas d’origine mantélique. Au bout de plusieurs dizaines
de millions d’années, cette lithosphère océanique disparaît dans les
zones de subduction. Elle se met à se déshydrater, puis à fondre, et ses
constituants sont incorporés au manteau. Cela donne lieu, sur la plaque
chevauchante, à un volcanisme de type explosif – comme par exemple
aux Antilles.
Activité 3
Bilan : la tectonique des plaques
Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : oral,
écrit, graphique, numérique.
Reproduire sur une feuille A3 + compléter le schéma-bilan (document 6) :
Questions
Rajouter les âges de la lithosphère océanique dans les bulles : 0,1MA,
20MA, 90MA.
Rajouter le Moho tout au long de la lithosphère océanique, préciser sa
profondeur approximative pour les âges 0,1 et 90MA.
Rajouter le Moho tout au long de la lithosphère continentale, préciser
sa profondeur approximative.
Représenter en rouge les remontées magmatiques, et indiquer le phé-
nomène à l’origine de la fusion.
Dessiner en bleu la cellule de convection mantélique correspondant à
cette partie du globe.
Indiquer en noir les mouvements relatifs observés aux frontières de
plaques.
Préciser dans les encarts la composition lithologique de la croûte
continentale et de la croûte océanique.
Séquence 5 – SN12
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Document 6
Schéma-bilan
Axe de la dorsale
Croûte
continentale :
Océan
Croûte
océanique :
Manteau :
Manteau :
Les frontières de plaques sont souvent sujettes à de violents épisodes sismiques
ou volcaniques. Ils constituent donc des zones à risques pour les populations.
Activité 4
Un séisme à Istanbul ?
Manifester de l’intérêt pour la vie publique et les grands enjeux de la
société. Recenser, extraire et organiser des informations.
Document 7
La micro-plaque Anatolienne
Turquie
Mer Noire
Plaque Eurasienne
Istanbul
Fa i lle
d
Nor -Anatolien n e
Micro-plaque Anatolienne
Mer
Méditerranée
250 kms
Questions
Chypre
Plaque
Afrique
Faille du Levant
Fa
ill
e
e
enn
toli
a
n
t-A
Es
Plaque
Arabique
Vecteur GPS
Décrire précisément le mouvement de la plaque Anatolienne, et en
préciser les conséquences.
Expliquer pourquoi Istanbul est une zone à haut risque sismique.
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Séquence 5 – SN12
À retenir
Le manteau fournit donc les matériaux nécessaires à la construction de la lithosphère océanique
nouvelle, et « recycle » les matériaux issus de la dégradation de la vieille lithosphère océanique.
Bilan
Les nouvelles techniques de mesure (forages, GPS) ont montré que le
modèle de la tectonique des plaques proposé prévoyait de façon efficace les vitesses de déplacement des plaques. Les mouvements peuvent
être suivis en temps réel, et le modèle est constamment réajusté. Toutefois, il reste à développer des systèmes prédictifs plus efficaces pour
nous prévenir des épisodes sismiques aux frontières de plaques.
Séquence 5 – SN12
23
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E
Exercice 1
xercices
de la séquence 5
Restitution de connaissances
Expliquer comment l’étude du volcanisme intraplaque a pu confirmer
la mobilité de la lithosphère océanique.
Présenter deux méthodes différentes permettant de quantifier la vi-
tesse d’expansion d’une dorsale océanique.
Montrer à l’aide d’exemples comment l’étude des ondes sismiques a
permis de mieux connaître la composition et la dynamique de la Terre.
Exercice 2
La Terre coupée en deux
Réaliser un schéma d’une coupe transversale de la Terre en prenant
comme échelle 1 cm = 300 km.
Vous devez représenter les frontières chimiques (Moho, la discontinuité
de Gutenberg et la discontinuité de Lehmann) et physique (LVZ).
Note : on appelle PREM (Preliminary Reference Earth Model) ce premier
modèle de la structure du globe.
Exercice 3
La fosse des Mariannes
On s’intéresse à la fosse océanique la plus profonde : celle des Mariannes. On l’étudie au moyen du logiciel Tectoglob.
Faire apparaître séismes et volcans et centrer la carte sur les Philippines.
Tracer une coupe au niveau des îles Mariannes, c’est-à-dire entre les
points (19°N, 139 E) et (28°N, 149°E), choisir une exagération des
reliefs de 20 %. Imprimer.
Tracer une droite passant par le maximum de foyers sismiques. Calcu-
ler l’angle que fait cette droite avec l’horizontale.
Comparer l’angle obtenu avec celui du Chili (activité 1 du chap.1).
Retrouver l’âge des fonds océaniques au niveau des îles Mariannes et
du Chili en vous aidant du doc1 du chap.1. Établir un lien entre cet âge
et la valeur de l’angle mesuré.
Exercice 4
Un archipel isolé
L’archipel Tristan da Cunha est l’île habitée la plus éloignée de tout continent ! Seulement 275 personnes peuplent cet ensemble de 4 îles per-
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Séquence 5 – SN12
dues au milieu de l’Atlantique sud, 400 kms à l’est de la dorsale. Toutes
les 4 sont des îles volcaniques. Le plus grand des volcans, qui constitue
la seule île habitée, est toujours en activité. On remarque que ce volcan
se situe à l’extrémité d’une traînée de volcans formant une « ride » sousmarine : la ride de Walvis. À l’exception de Tristan da Cunha, tous les
volcans sont sous-marins. Cette ride rejoint un grand plateau formé de
coulées basaltiques situé vers l’Angola.
Document 1
La ride de Walvis
Ce document présente les âges des différents volcans.
Dorsale Atlantique
Angola
x 120
x 70
Namibie
x 64
64 x x 61
40x
x x52 Ride de
37
x 30x
Walvis
1
x1
500 kms
30 W
x
20 W
10 W
0
10 E
20 E
Datation du basalte (en millions d’années)
Déterminer la direction et la vitesse moyenne de déplacement de la
plaque Africaine depuis la naissance de l’Atlantique sud.
La vitesse d’ouverture de l’océan a-t-elle été constante depuis sa for-
mation ? Justifiez votre réponse.
Exercice 5
La faille de San Andreas
Le séisme de Northridge s’est produit près de Los Angeles en 1994.
De magnitude 6.7 sur l’échelle de Richter, il a tué 72 personnes et fait
presque 9 000 blessés. Avec des dégâts estimés à 20 milliards de dollars, il est l’une des plus coûteuses catastrophes naturelles de l’histoire
des États-Unis.
On s’intéresse à la région de Los Angeles. Les déplacements de différentes stations sont mesurés par GPS et représentés par des flèches (le
point de référence se situe au niveau de l’océan Pacifique).
Séquence 5 – SN12
25
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d
Santa Cruz
Californie
a
b
c
e
f
Los Angelès
Océan
Pacifique
1 cm/an
g
x
réf.
h
Faille de
San Andreas
100 kms
a....h : nom des stations GPS
Document 2
La région de Los Angeles
Déterminer la direction de déplacement et la vitesse relative de la Ca-
lifornie par rapport à la ville de Los Angeles.
Comment pourrait-on qualifier la faille de San Andreas ? Justifier votre
réponse.
Conclure sur l’origine du séisme de Northridge.
26
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Séquence 5 – SN12
G
lossaire
des séquences 4 et 5
Les grandes étapes de la théorie de la tectonique des plaques
L’objectif de cette partie « géologie » est de vous faire comprendre les
différentes étapes de la naissance d’une théorie. On est parti d’une idée
contestée, la dérive des continents, et on est arrivé quarante ans plus
tard à un modèle complexe en perpétuelle évolution : la tectonique des
plaques. Les avancées techniques ont joué un rôle majeur dans l’élaboration et le raffinement de ce modèle.
1875 L’expédition du Challenger montre l’existence de montagnes sousmarines, les dorsales médio-océaniques.
1912 Wegener propose son modèle de « dérive des continents » appuyé
par des arguments paléontologiques, climatologiques et morphologiques. Le modèle est rejeté par l’ensemble de la communauté scientifique.
1960 Mesure du flux de chaleur à la surface du globe.
1962 Hess propose son premier modèle du « double tapis roulant océanique » en s’appuyant sur des données topographiques et sur le flux
thermique qui venait d’être mesuré.
1963 Vine et Matthews publient l’enregistrement paléomagnétique des
fonds océaniques (« peau de zèbre »). Ces résultats permettent de confirmer le modèle du tapis roulant et de calculer des vitesses d’expansion.
1968 Xavier Le Pichon publie le premier modèle, à 6 plaques, de la tectonique des plaques (directions et vitesses).
1971 Morgan, à l’aide des travaux de Tuzo Wilson, propose une explication des alignements volcaniques sous-marins par le déplacement des
plaques au-dessus de « points chauds », panaches magmatiques fixes
issus du manteau profond.
1990 Modèle NUVEL-1 : modèle à 12 plaques. Les données satellitaires
(GPS) permettent de préciser les déplacements des plaques.
Actuel : le modèle se complexifie et s’affine par ajout de données issues
d’observations satellites de plus en plus perfectionnées et de modélisations informatiques.
Séquence 5 – SN12
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Termes essentiels en geologie
Asthénosphère : partie inférieure ductile du manteau terrestre, formé de
péridotite fondue à moins de 1 %.
Croûte continentale : partie superficielle émergée de l’écorce terrestre,
formée de roches de nature granitique. Pour un continent d’altitude 0
son épaisseur est de 30 km. Son épaisseur peut cependant varier de
10 km à 70 km (au niveau des chaînes de montagnes).
Croûte océanique : ensemble formé de roches de type basalte et gabbro,
se formant au niveau des dorsales et disparaissant au niveau des zones
de subduction. Son épaisseur varie de 0 à 10 km.
Dérive des continents : Théorie proposée par Wegener en 1912, suivant
laquelle les continents (SiAl) plus légers se déplaceraient en glissant à
la surface d’une couche nommée SiMa du fait de la rotation terrestre.
Selon Wegener, à la fin de l’ère primaire (il y a 150 Ma), il n’existait qu’une
seule masse continentale qu’il nomma Pangée. Par la suite cette masse se
serait fragmentée en plusieurs blocs (les continents d’aujourd’hui) dérivant
les uns par rapport aux autres jusqu’à former le visage actuel de la Terre.
Schéma : modèle de Wegener
Continents (SiAI)
Couche rigide formant les
fonds océaniques (SiMA)
Couche "fondue" (SiMA)
Dorsale : chaine de montagne sous-marine, où le plancher océanique se
forme par accrétion de magma de nature basaltique.
Faille transformante : faille qui découpe la lithosphère océanique perpendiculairement à l’axe de la dorsale, et qui résulte de contraintes liées
au déplacement des plaques sur une surface sphérique.
Lithosphère : partie superficielle du globe, comprenant la croûte (continentale ou océanique) ainsi que la partie supérieure du manteau ; la
lithosphère est découpée en plaques mobiles.
LVZ (Low Velocity Zone) : zone de ralentissement des ondes, qui marque
une frontière physique entre la lithosphère et l’asthénosphère.
Manteau : ensemble de roches de type péridotite, situé entre la croûte
terrestre et le noyau. La partie supérieure du manteau appartient à la lithosphère, alors que la partie sous-jacente appartient à l’asthénosphère.
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Séquence 5 – SN12
Moho : séparation chimique entre la croûte (à l’extérieur) et le manteau (à l’intérieur). La profondeur du Moho est à mettre en relation avec
l’épaisseur de la croûte océanique ou continentale.
Paléomagnétisme : technique utilisant la fossilisation du champ magnétique par certains minéraux ainsi que le calendrier des inversions magnétiques pour obtenir l’âge des fonds océaniques.
Point chaud : remontée de magma profond qui s’épanche en surface,
perforant ainsi la plaque qui le surmonte et créant des alignements
d’îles volcaniques.
Référentiel : ensemble de points par rapport auxquels on peut décrire le
déplacement d’un objet dans l’espace ou dans le temps.
Tectonique des plaques : modèle complexe, en perpétuelle évolution,
rendant compte du déplacement des plaques lithosphériques à la surface du globe.
Zone de subduction : zone de disparition de la lithosphère océanique,
qui s’effondre dans l’asthénosphère, provoquant des séismes et des
épisodes volcaniques.
Chiffres essentiels en géologie
– rayon de la Terre : 6350 kms (forage le plus profond jamais réalisé :
11 km).
– rayon du noyau de la Terre : environ 3 450 kms (la moitié du rayon
terrestre).
– densité de la Terre : 5,5.
– densité des roches de surface : 2 à 3.
– épaisseur de la croûte océanique : 10 km.
– épaisseur de la croûte continentale : 30 km.
– épaisseur d’une plaque : 100 km.
– 30 % de la surface du globe est occupée par les continents.
– Vitesse des ondes sismiques : plusieurs kilomètres par seconde.
– Vitesse d’ouverture de déplacement des plaques : quelques centimètres par an (la vitesse à laquelle poussent les ongles).
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Séquence 5 – SN12
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