Les frontières et les mouvements relatifs des plaques

Les frontières et les mouvements relatifs des plaques
(Leçon – 1ère S – TS)
I / Le découpage de la lithosphère en plaques
1 / L’hypothèse de Wegener : la dérive des continents.
2 / L’expansion océanique.
Bilan : lithosphère et limites de plaques
II / Vitesses et sens de déplacement des plaques
1/ Les données géologiques
- les anomalies magnétiques.
- les données sédimentaires.
- la signification et l’utilisation des alignements volcaniques.
2 / Les mesures par des techniques de positionnement par satellites (GPS)
III / Les différents types de frontières
1 / Les mouvements relatifs des plaques
Mise en relation des différentes données
2 / Frontières et environnements géodynamiques
- Divergence au niveau des dorsales océaniques.
- Convergence dans les zones de subduction et de collision.
- Coulissage le long des failles transformantes.
Schéma bilan.
Quelques documents :
Exercices
Directions et vitesses de déplacement des plaques
lithosphériques
Un exemple pour la première S
Objectifs
Mettre en évidence le mouvement relatif des plaques dans trois contextes
géotectoniques : extension, subduction et collision.
Comparer les résultats obtenus par les calculs fondés sur les anomalies
magnétiques et les résultats des mesures par GPS sur 10 ans.
Supports
Les données GPS fournies aux élèves pour être traitées par le logiciel
EXCEL sont extraites de la banque de données de la NASA - GPS
times Series. "Cartesians positions and volocities " donne la liste des
stations avec pour chaque site les coordonnées en latitude, longitude et
altitude, les erreurs, puis les vitesses selon ces trois dimensions avec
leurs erreurs, ainsi que les graphiques correspondants. "FTP numericals
results"permet d'accéder aux données brutes pour chaque site. Des
informations similaires se trouvent sur le site SOPAC ( Scripps Orbit and
Permanant Array Center).
Des calculateurs permettent d'obtenir la vitesse et le sens de déplacement
des plaques à partir de modèles fondés sur les données géologiques ou
géodésiques.
Le site GEODIS du Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut
(DGFI) München
"UNAVCO Facility" - University NAVSTAR consortium
Démarche :
1- Choix des lieux étudiés
On choisit des couples de stations GPS situées sur deux plaques mitoyennes.
Le site de la NASA fournit les données de plus d'un millier de stations.
Visualiser ces stations.
A titre d'exemple, voici quelques stations qui excluent à dessein les sites
répertoriés dans le TP de la banque de sujets du bac. Les élèves disposent
d'un planisphère où figurent les limites des plaques et les stations choisies. A
partir des acquis et du livre, ils trouvent le contexte géotectonique de chaque
station
sites
GALA
RIOP
BAN2
latitude en degrés
- 0,7427
- 1,6506
13,0343
LHAS
29,6573
REIK
64,1387
lo
HOFN
64,2672
Le signe moins indique la latitude sud et la longitude ouest.
sites
position géographique
plaque lithosphérique
GALA
RIOP
BAN2
LHAS
REIK
HOFN
Iles Galapagos
Riobamba- Equateur
Bangalore-Inde
Lhasa- Tibet - Chine
Reykjavik- Islande
Hoefn- Islande
Pacifique
Amérique du sud
Inde
Eurasie
Amérique du nord
eurasie
Le site SOPAC donne pour chaque station des informations sur la localisation.
Le site GEODIS permet de positionner les stations ou tout autre lieu en
fonction de ses coordonnées sur un planisphère gràce à un curseur. Pour cela
on peut utiliser aussi le logiciel SISMOLOG.
2- Calcul des vitesses et sens de déplacement des plaques à partir de
données GPS.
A chaque station, un GPS différentiel enregistre la longitude, la latitude et
l'altitude du lieu. La banque fournit le déplacement pour chaque jour
relativement à une date prise comme référence et sur une période d'une
dizaine d'années.
a- Télécharger les fichiers de données relatives aux stations afin de les
traiter avec le logiciel EXCEL, et le fond de carte. Les stations sont les 6
répertoriées ci-dessous plus PAMA, EISL et SANT (voir carte).
b- Principe : pour chaque station choisie en fonction du problème géologique
à résoudre, à l'aide du logiciel EXCEL, l'élève construit le graphe du
déplacement en longitude puis du déplacement en latitude en fonction du
temps. Le logiciel fournit les équations des droites de régression linéaire dont
les coefficients directeurs donnent la vitesse en x et en y en cm/an . Il
représente alors sur papier millimétré, ou à l'aide d'un logiciel, ces deux
vecteurs vitesses dont la composante fournit la direction et la vitesse du
déplacement de la plaque lithosphérique concernée. Il reporte ensuite ce
vecteur sur le fond de carte.
c- Protocole : il est décrit sur plusieurs sites académiques.
La marche à suivre est reprise succintement ci-dessous :
Examiner le fichier d'une station. La première colonne correspond à la
date exprimée en millièmes. Exemple : 1996, 3066 = le 22 avril 1996,
date exprimée en clair dans la colonne de droite.Les deux colonnes
suivantes sont les déplacements en cm par jour puis leur incertitude :
exemple :2,66 E+ 00 ; 7,97 E-01 =2,66 +ou - 0,797 cm - page 1, en
longitude ; page 2, en latitude. Faire défiler un fichier pour prendre
conscience de sa taille.
h
t
s
c
e
Réaliser le graphe des déplacements en fonction du temps. Pour cela
sélectionner les données des deux premières colonnes en les passant
en surbrillance. Cliquer sur A ou 1, colonne de gauche puis B ou 2,
colonne de droite. Par défaut Excel place en abscisse les données de la
colonne de gauche. Cliquer sur l'icone "graphe" puis "nuages de points"
puis "suivant".
Représenter la droite de régression et l'équation de la droite
correspondante : elle représente aux incertitudes près, le déplacement
moyen de la station GPS en fonction du temps. Pour cela, cliquer sur
"graphique"; " ajouter une courbe de tendance"; "régression linéaire",
puis dans"option" , prendre " afficher l'équation sur le graphique". Ok.
Placer avec la souris l'équation hors du graphique. L'équation de la
droite de régression est de la forme y = ax+b où a représente la pente
de la droite , c'est à dire ici la vitesse de déplacement de la station selon
la longitude.
Faire de même en ce qui concerne la latitude.
Représentation des vecteurs de déplacement : par convention, le signe
moins signifie "latitude sud" et "longitude ouest" et l'absence de signe,
"latitude nord" et "longitude est". Tracer sur papier quadrillé les vecteurs
de déplacement en longitude et en latitude puis construire la résultante.
Mesurer la longueur du vecteur obtenu pour obtenir la vitesse et
reporter le vecteur sur la carte.Y indiquer l'échelle des vecteurs.Pour
trouver la norme du vecteur, on peut aussi utiliser le théorème de
Pythagore.
Faire de même pour les autres stations.
Un exemple de graphique : académie de Nantes
3- Calcul de vitesses et sens de déplacement des plaques à partir de
données géologiques.
Utilisation d'un programme pour calculer la vitesse de déplacement des
plaques à partir des modèles fondés sur les anomalies magnétiques.
Le site américain UNAVCO, University NAVSTAR consortium, propose un
calculateur fondé sur le modèle NUVEL- 1A- NNR. On rentre les coordonnées
d'un point et la plaque qui le porte. On obtient les valeurs des vitesses en
latitude, longitude, ainsi que la résultante et l'azimut.
Le site GEODIS donne les résultats pour 4 modèles géologiques et un modèle
géodésique. Il ne donne que les vitesses en longitude et latitude et non la
résultante, ce que fournit le site UNAVCO. Par contre il trace directement les
vecteurs sur un fond de carte après que l'on a rentré les coordonnées des
points.
4- Résultats
Les élèves construisent les vecteurs vitesses sur papier millimétré puis ils les
reportent sur le fond de carte. Ils notent les valeurs les vitesses obtenues dans
un tableau.
sites
V. latitude
en cm /an
V.longitude en vitesse GPS en
cm/an
cm/an
vitesse NNR-NU
(site UNAVCO)
GALA
RIOP
BAN2
LHAS
REIK
HOFN
1,0688
- 0,1052
2,960
1,4583
2,1283
1,5935
5,1016
- 0,5507
3,729
4,4428
-1,146
1,3211
6,27
0,99
5,76
2,56
2,27
1,94
5,12
0,57
4,76
4,67
2,42
2,07
Comparaison des vitesses de déplacements des plaques dans trois
contextes géodynamiques
et selon deux méthodes
En noir les vecteurs-vitesse GPS et en rouge les vecteurs-vitesse du modèle
NNR-NUVEL 1A.
5- Interprétation des résultats
Sens du déplacement des plaques : les élèves vérifient si la direction des
vecteurs qu'ils ont tracés rend compte de mouvements en accord avec le
contexte tectonique envisagé.
Vitesses : on constate une corrélation assez bonne entre les données GPS et
les données fondées sur les anomalies magnétiques pour les stations
océaniques atlantiques islandaises (2,42- 2,27 et 2,07 et 1,94 cm/an). C'est le
cas aussi pour la station Pama (Tahiti) sur la plaque pacifique ( 6,93 - 7,03
cm/an). Ceci peut s'expliquer par le fait que les modèles NUVEL sont
construits essentiellement à partir de données océaniques : les anomalies
magnétiques des 3,4 dernières millions d'années. Les différences de l'ordre de
1,5 à 6 % peuvent sans doute venir pour partie de l'imprécision du calculateur
dans le cas du modèle NUVEL. Ce dispositif mis à dispositioon sur Internet est
vraisemblablement simplifié par rapport au modèle d'origine.
Par contre la différence est grande entre les deux méthodes d'évaluation pour
la plaque Nazca, bien qu'elle soit océanique (GALA : 5,21 et 6,27 cm/an).
L'écart est encore plus grand pour le site EISL . Les chercheurs ont en effet
confirmé cette différence et admettent que la plaque Nazca subit un
ralentissement de l'ordre de 10% en accord avec la décélération connue
depuis 25 millions d'années (leçon 2 collège de France p 6). On trouve ici
20%.
On constate aussi des différences importantes pour les sites situés en zone de
convergence et plus précisément en bordure de plaque : subduction à
Santiago du Chili, site SANT, ou RIOP en Equateur et collision à Lhasa au
Tibet ( 4,67 - 2,56). La théorie de la tectonique des plaques est fondée sur 2
hypothèses : les plaques sont rigides et leur vitesse varie très peu à l'échelle
du million d'années. Ces hypothèses sont confirmées par les données
géodésiques, sauf aux frontières de plaques en convergence.
Voir la carte sur le site Géodis. (Cliquer dans la colonne de droite sur "Géodis
Reference System").
Site à consulter :
Cours au Collège de France de Xavier le Pichon – 2004
Cette leçon peut donner lieu à différents exercices. L’un des supports possibles reste la
carte de l’âge des fonds océaniques, qui permet par exemple le calcul de la vitesse de
déplacement de deux plaques qui s’écartent.
On pourrait aussi proposer un graphique représentant l’âge de la croûte (estimé par
l’âge des premiers sédiments déposés) en fonction de la distance, de part et d’autre de la
dorsale (données classiques sur l’Atlantique Sud) (voir par exemple DANIEL J.Y. et al.,
Sciences de la Terre et de l’Univers, Vuibert, p. 408 – figure ci-dessous).
Objectifs cognitifs :
- La distribution des âges et sa signification.
Objectifs méthodologiques :
- Raisonner : formuler une hypothèse et effectuer un calcul.
La carte ci-dessous représente la localisation d’un ensemble de forages situés de part
et d’autre de la dorsale médio-atlantique. Ceux-ci ont permis de récolter puis de dater les
premiers sédiments en contact avec les basaltes, et par suite, de connaître l’âge des fonds
océaniques dans les différentes zones forées.
Le graphique représente les âges obtenus (en millions d’années) en fonction de la
distance à l’axe de la dorsale (d’un côté ou de l’autre).
1 / Étudiez la distribution des âges en fonction de la distance à l’axe de la dorsale.
2 / Tirez du graphique un argument montrant que cette distribution est symétrique de
part et d’autre de la dorsale. Montrez finalement en quoi cette distribution a permis de
formuler l’hypothèse d’une formation des fonds océaniques à l’axe des dorsales suivi de leur
éloignement de celle-ci au cours du temps.
3 / Sachant que la vitesse est égale au rapport entre distance et temps, calculez la
vitesse de déplacement des fonds océaniques observés (en cm par an).
Réponses attendues :
1 / On observe que les fonds océaniques sont de plus en plus âgés au fur et à mesure
que l’on s’éloigne de l’axe de la dorsale.
2 / Les points 17 et 18 d’une part, 14 et 15 d’autre part sont situés d’un côté et de
l’autre de la dorsale. Ils présentent cependant des âges comparables (14 et 17 ; 15 et 18). Les
formations les plus récentes se situent à l’axe de la dorsale, ce qui est compatible avec leur
formation à cet endroit. Un éloignement de part et d’autre de celui-ci se traduirait par une
augmentation symétrique des âges avec la distance à l’axe, ce qui est observé.
3 / La vitesse (moyenne) peut être estimée en considérant le point 20 ; son âge est
d’environ 66 millions d’années, et sa distance à l’axe, d’environ 1650 km. La vitesse de
déplacement est donc de 2,5 cm / an.
Penser aux ECE (17 et 18)