LA LITHOSPHERE
publicité
1ère partie de l’épreuve Dossier. LA LITHOSPHERE LA LITHOSPHERE Niveau : ?? Extrait du programme : Documents : Document 1 : Définition thermique & formation de la LO Formation et évolution de la LO Document 2 : Définition rhéologique : LC et LO Profils rhéologiques en sapin de noël Document 3 : Définition thermique & sismique Conductif & au dessus de la LVZ Document 4 – support concret : Composition/ formation Echantillons : - manteau appauvri (ML harzburgite) - grano-diorite (CC, subductions) - basalte MORB (CO) Ne pas oublier de parler du rôle de la lithosphère (rigide) dans la tectonique des plaques. Document 1 : La lithosphère océanique a –structure sismique de la dorsale pacifique. Vitesse des ondes sismiques S en 3D. b – structure thermique de la lithosphère océanique a b Document 1 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) Acquisition des données - Sismique : tomographie = analyse des variations de vitesses des ondes sismiques naturelles qui passent dans la zone d’étude. Ondes S : ondes secondaires de cisaillement. - Température : flux thermique en surface, forages, calculs en fonction de la température des eaux thermales. Corrélation entre la vitesses de sondes sismiques et la température des roches traversées : la vitesse d’une onde sismique dépend de la rhéologie de la roches, qui dépend au premier ordre de sa température. - chaud : anomalie sismique négative - froid : anomalie sismique positive Document 1a : on voit une anomalie sismique très négative sous l’axe de la dorsale = zone où les roches sont plus chaudes. L’anomalie négative près de la surface, à l’aplomb de la dorsale est une zones plus froide. expliquer le fonctionnement d’une dorsale rapide dans l’optique d’expliquer la formation de la lithosphère océanique. - fusion partielle du manteau par décompression adiabatique - formation des différentes zones de la lithosphère (croûte basalte + filons + gabbros, manteau lithosphérique harzburgites = manteau appauvri après fusion) = schémas - Comparaison avec ophiolite d’Oman (dorsale rapide comme pacifique) - Comparaison avec document 4 (MORB, Harzburgite) en relation avec la formation de la LO : appauvri, fort taux de FP. Document 1b : évolution des isothermes dans la LO au cours de son vieillissement / éloignement de la dorsale. expliquer les modification ultérieures de la LO - parler de l’hydrothermalisme (corréler avec anomalie froide) : albitisation des plagios, etc : explique le fort refroidissement de la LO près de la dorsale - définition thermique de la LO : isotherme 1300°C = la LO s’épaissit à mesure qu’elle vieillit : 40 km 100 km - devenir de la LO : subduction = plongement spontané lorsque la LO est trop épaisse. Didactisation Document 2 : Profil rhéologique de la lithosphère Exemples de profils rhéologiques pour la lithosphère océanique et continentale (Goetze and Evans, 1979). Les profils rhéologiques sont montrés en fonction de l’âge thermodynamique (âge correspondant à un géotherme donné). Document 2 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) Acquisition des données : les profils rhéologiques sont calculés à partir des lois de comportement rhéologiques des roches du manteau et de la croûte en domaine cassant et ductile. - cassant : loi de Mohr- Bylerlee ne dépend pas de la lithologie - ductile : loi de fluage dépend fortement de la lithologie et de la température Compression/ tension : direction des contraintes principales par rapport à la gravité influence sur la résistance des roches. Cas simple de la lithosphère océanique : - une seule rhéologie = olivine (la croûte étant basique, elle se comporte comme le manteau) - domaine cassant en surface, domaine ductile en profondeur. Répartition des séismes - âge : la LO se refroidit, la limite cassant/ ductile est de + en + profonde. - Corrélation avec la résistance de la lithosphère = aire Cas compliqué de la lithosphère continentale : - deux/ trois rhéologies = croûte supérieure (granite = quartz), croûte inférieure granulitique (diorite), manteau lithosphérique (olivine). Pour chaque : cassant contrôle par la même loi, mais ductile par des lois différentes. - domaine cassant en surface, domaine ductile en profondeur. Répartition des séismes. Modèles de déformation de la LC = Jelly sandwich = zones profondes qui peuvent fluer encadré par des zones cassantes. - Age thermique (moins corrélé avec âge réel pour la LC) : la LC se refroidit, la limite cassant/ ductile est de + en + profonde. - Conséquence sur la résistance de la LC en fonction du gradient géothermique : effondrement tardi-orogénique/ stabilité des cratons. Définition rhéologique de la Lithosphère : seuil à partir duquel le matériau flue sous très faible contrainte = asthénosphère. Didactisation Sans doute très compliqué = simplifier pour les élèves de lycée, ne pas utiliser pour les élèves de collège. Document 3 : Modèles géophysiques de la planète Terre (a) Modèle thermique de la Terre ; (b) modèle sismique et minéralogique des 1000 premiers km de la Terre Document 3 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) Acquisition des données : - Sismique : on connaît la vitesse théorique des ondes téléséismiques à travers le globe et on compare avec les vitesses réelles enregistrées par les stations - Phases de l’olivine. Jusqu’à 100km, échantillonnage direct (enclave). Puis expériences de haute pression (cellule enclume - diamant). Les profondeurs de transission de phase sont observées grâce aux variations des vitesses des ondes sismiques. - Température : modèles de transfert de la chaleur à travers le manteau, en domaine convectif/ conductif, et en connaissant des températures de référence (transition de phase olivine/ fer) Lithosphère : - Manteau lithosphérique constitué exclusivement d’olivine en phase . - Vitesse des ondes sismiques : o surface : augmentation rapide sur 20-30 km = croûte o 30km – 100km : vitesse élevée et stable o 150-250km : zone de faible vitesse = LVZ. Corrélation avec la rhéologie = zone de l’asthénosphère où la roche flue beaucoup. o Au delà : augmentation progressive de la vitesse = compression roches. - Température : o < 100km : augmentation rapide de la température = conduction o > 100km : augmentation peu rapide de la température vs. profondeur = convection ± adiabatique = sans transfert de chaleur. Bilan : Définition sismique de la lithosphère : au dessus de la LVZ. Définition géothermique de la lithosphère : zone de transfert conductif de la chaleur. Didactisation Très abordable au lycée où la vitesse des ondes sismiques a déjà utilisée pour caractériser la structure en enveloppes de la Terre. Document 4 : Quelques échantillons de la lithosphère terrestre Echantillon 1 Echantillon 2 Echantillon 3 Document 4 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) Echantillon 1 : Harzburgite Minéralogie : olivines surtout, et quelques pyroxènes (opx seulement, pas de cpx contrairement aux lherzolites) + quelques phases accessoires mais pas souvent visibles. L’absence de cpx montre que ce manteau a subi la fusion partielle : les cpx sont les premiers minéraux à fondre et à disparaître du résidu. Relier avec le document 1 : manteau appauvri après extraction des éléments incompatibles. Le manteau lithosphérique océanique est de type harzburgitique quand il est formé par une dorsale rapide. Dorsale lente : moins de fusion partielle : le manteau peut rester lherzolitique. Echantillon 2 : Grano-diorite Minéralogie : roche de type granitique (quartz, feldspaths, micas), mais quelques différences : les feldspaths sont surtout de type plagioclase (pas ou peu d’orthoses), et les phases accessoires comme l’amphibole et le pyroxène sont fréquentes. Cet échantillon est l’unique occasion de parler de la formation de la croûte/ lithosphère continentale actuelle dans les zones de subduction : détailler. - fusion partielle du manteau hydraté par le slab plongeant - donne des magmas calco-alcalins qui peuvent former des diorites - souvent contamination crustale : les grano-diorites sont des roches plutoniques fréquentes des zones de subduction. - La CC actuelle se néo-forme au niveau des zones de subduction. Elle est très remaniée par la suite par des épisodes de fusion crustale (anatextie), contamination, métamorphisme, etc. - La LC est la partie du manteau sous la CC qui répond aux critères décrits précédemment - Question de la formation de la LC primitive ? Echantillon 3 : MORB Minéralogie : verre volcanique avec des phéno- cristaux de plagioclase très abondants. On trouve quelques olivines, toujours sous forme de phéno-cristaux, et peu de pyroxènes. Signe magma sur-saturé en silice (peu de ferro-magnésiens) = basalte tholéiitique. Relier avec le document 1 : basalte qui se forme aux dorsales (rapides) par fusion partielle avec un fort taux du manteau lherzolitique. Fort taux de fusion = enrichi en silice et les éléments incompatibles sont dilués. Didactisation Comparer les types de basaltes permet de remonter au contexte de fusion = géodynamique.
