stage en laboratoire
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License 3 STEP Géophysique fondamentale Institut de Physique du Globe de Paris 2009-2010 L3: UE 39U3GE36 STAGE EN LABORATOIRE Animation didactique en Sciences de la Terre avec le logiciel d’animation Blender3D Rapport soutenu le mardi 11 mai 2010 par stéphane BATANY Tuteur de Stage M. Giovanni OCCHIPINTI Equipe Géophysique spatiale et planétaire Institut de Physique du Globe de Paris Maître de stage M. Olivier De VIRON Institut de Physique du Globe de paris PARIS (75) 1 SOMMAIRE REMERCIEMENTS 3 INTRODUCTION 4 I / MECANISMES A REPRESENTER DANS L’ANIMATION 1. La convection 2. Amincissement lithosphérique 2. a - Le rifting passif 2. b - le rifting actif 3. Formation du graben 3. a - Modèle de Lister 1989 3. b - Modèle de Wernicke 1985 4. Fusion partielle et création d’une chambre magmatique 5. La lithosphère océanique 5 5 6 7 7 8 8 9 9 10 II / MISE EN FORME 3D 1. Représentation de la convection : impératifs techniques et pédagogiques 2. La fusion partielle 3. La lithosphère continentale homogène 4. Le graben le plus représentatif 5. La subduction : pas encore bien connue 12 12 13 13 13 14 CONCLUSION 15 BIBLIOGRAPHIE 16 ANNEXE 1 ANNEXE 2 ANNEXE 3 17 18 19 2 Remerciements Je tiens à remercier M Édouard KAMINSKI, directeur de l’UFR STEP et chercheur dans le laboratoire de dynamique des fluides géologiques à l’IPGP, pour son aide crucial en m’ayant fourni des connaissances sur le fonctionnement dynamique interne de la Terre. Je remercie également Mme Mathilde CANAT, chercheur au laboratoire de géosciences marines à l’IPGP, qui m’a aidée dans la compréhension de la dynamique de la lithosphère. Je remercie M Javier ESCARTIN, chercheur au laboratoire de géosciences marines à l’IPGP, pour son aide et les conseils qu’il m’a apporté. Je remercie M Yves GAUDEMER, chercheur au laboratoire de tectonique et mécanique de la lithosphère qui m’a apporté des renseignements précieux pour le bon déroulement de mon projet. 3 Introduction De nos jours, la compréhension par la visualisation prend de plus en plus de place dans l’enseignement, et en géologie la visualisation est souvent limitée par des vues 2D des coupes de la Terre. Il est donc intéressant de pouvoir réaliser une animation didactique d’un phénomène géologique. Mon stage à consister à représenter la création d’un plancher océanique ses causes et son évolution (de la convection à la subduction) avec un logiciel d’utilisation libre : BLENDER3D. Quelques questions se posent : Comment illustrer un phénomène géologique sans y insérer des indications sonores ou écrites ? Comment contourner quelques problèmes techniques liés à l’utilisation du logiciel et à la complexité de certains phénomènes? Et enfin, par quel moyen peut-on représenter un phénomène dont les scientifiques ne connaissent pas encore tous les mécanismes ? En effet plusieurs scientifiques ont un avis différent sur certains mécanismes géologiques. L’élaboration du scenario de ce film d’animation a pu mettre en évidence les lacunes que j’avais sur le sujet illustré, et permet de se poser des questions sur les mécanismes mis en jeu. De plus, ce film permet d’expliquer de façon simple, comment se produit la création d’une croûte océanique et son expansion à travers les âges. Le travail de recherche s’est étendu uniquement dans un domaine de physique qualitative et démonstrative, sur le comportement des roches dans le manteau inférieur, au niveau supérieur de la croûte terrestre, ou de la lithosphère et à propos de la convection. Il n’a pas été nécessaire d’approfondir quantitativement sur ces sujets. A partir des connaissances acquises ou fournies et des limites d’utilisation du logiciel d’animation, dans quelles mesures m’était-il possible d’illustrer un mécanisme de la dynamique géologique ? Dans un premier temps, nous ferons l’inventaire des mécanismes et des dynamiques impliqués dans la création d’une croûte océanique et sa disparition. Dans un second temps, il sera question des impératifs techniques liés au logiciel et aux questions que se posent les scientifiques. 4 I / MECANISMES A REPRESENTER DANS L’ANIMATION L’intérieur de la Terre est formé de différentes couches aux propriétés différentes dues, en partie, à la différence de pression et de températures. Au centre il y a le noyau, dont la graine et le noyau externe, le tout formant 17% du volume total de la Terre. Au dessus, on trouve le manteau se divisant en deux parties ; le manteau inférieur et le manteau supérieur, les deux formant 81% du volume de la Terre. Et enfin, à la surface de la Terre, on trouve la croûte terrestre qui forme 2% du volume de la Terre. Les valeurs des rayons de chacune de ces couches sont visibles sur le schéma 1 : Schéma 1 : les différentes couches composant la terre et leur rayon. Les structures internes de la Terre sont en perpétuelles mouvements et jouent sur la surface visible de la croûte. En effet celle-ci évolue grandement sur les âges géologiques ; de l’ordre de la dizaine de millions d’années. La croûte terrestre se créer au niveau des dorsales et doit donc disparaître dans les zones de subduction pour que la valeur de la surface de la Terre soit conservée. Nous verrons par la suite les phénomènes de création de croûte au niveau des dorsales et de subduction sont étroitement liés. La question est de savoir ce qui provoque ces mouvements au niveau de la croûte terrestre. La théorie de la tectonique des plaques divisent la croûte terrestre en plusieurs plaques « flottant » sur le manteau par différence de densité. Ces plaques glissent donc sous l’action de forces sous-jacentes ; c’est la convection. 5 1 /La convection Ces plaques sont en réalité composées de la croûte terrestre et d’une partie du manteau supérieur : la lithosphère, que l’on différentie de l’asthénosphère sous-jacente. La distinction de ces deux couches est liée à la différence de comportements mécaniques des roches qui les composent. La lithosphère est faite de roches rigides alors que l’asthénosphère est plus ductile. On parle d’isotherme pour définir une limite entre les deux couches où la température des roches est de l’ordre de 1300°C. C’est dans l’asthénosphère qu’a lieu la convection. Ce mécanisme est causé par une différence de température entre les basses et hautes couches de l’asthénosphère qui induit une différence de densité, il apparait donc un mouvement de convection de bas en haut Schéma 2 : cellules de convection dans le manteau. Pour beaucoup de scientifiques, les cellules de convection mantellique provoquant l’apparition d’un rift sont présentes uniquement dans l’asthénosphère, mais de nombreux arguments tendent à démontrer que ces cellules de convection sont continues avec les cellules de convections du manteau inférieur. Certain tectoniciens et sismologues justifient cela par le fait que la tomographie des plaques nous montrent que les plaques lithosphériques en subduction atteignent des profondeurs jusqu’à la base du manteau, indiquant que la discontinuité entre l’asthénosphère et le manteau inférieur est faible (schéma 2). Au contraire les géochimistes et certains sismologues, après avoir analysé des laves, s’accordent à dire que la discontinuité entre les deux manteaux est trop importante et qu’il ne peut y avoir qu’une seule série de cellules de convection, mais bien deux séries de cellules bien distinctes, une dans le manteau inférieur et l’autre dans l’asthénosphère. Pour le cas des cellules du manteau inférieur, l’échange d’énergie se fait entre la chaleur produite par la radioactivité du noyau externe et la base du manteau supérieur. Par la suite la chaleur transmise par ces cellules de convection du manteau inférieur alimente les cellules de convection de l’asthénosphère. 2 /Amincissement lithosphérique Tout les scientifiques s’accordent à dire que les mouvements de convection asthénosphériques provoquent l’amincissement de la lithosphère. Cette dernière étant 6 globalement ductile elle s’étire et une zone de subsidence apparait au niveau du centre des cellules de convection provoquant son amincissement. Mckenzie a proposé en 1978 l’idée d’une double subsidence au niveau de la lithosphère amincie (voir ANNEXE 1) : La première subsidence est tectonique, elle est liée au mouvement convectif et amincie la lithosphère à la manière d’un chewing-gum que l’on étire. La deuxième est liée au refroidissement et à l’épaississement de la lithosphère. Comme cette dernière est plus dense que l’asthénosphère, par isostasie la lithosphère subside de nouveau pour trouver un équilibre. La subsidence totale est donc tectonique et thermique. L’amincissement lithosphérique peut être provoqué par deux mécanismes distincts : a/-Le rifting passif Les mouvements convectifs de l’asthénosphère créent des contraintes cisaillantes sur la surface de la partie inférieure de la lithosphère entrainant un mouvement horizontale de divergence de cette dernière. L’amincissement de la lithosphère est induit par isostasie, c’est cette dernière qui explique la subsidence au niveau des dorsales. Schéma 3 : rift passif. b/-le rifting actif La remontée d’un panache mantellique dans l’asthénosphère peut créer un bombement et un étirement de la lithosphère. Schéma 4 : rift actif. Le comportement ductile et cassant de la lithosphère est lié à la composition, à la température et à la pression, donc à la profondeur de la roche. Le type de déformation (cassante ou ductile) de la lithosphère est donné par son profil rhéologique (schéma 4). 7 Schéma 4 : profil rhéologique de la la lithosphère continentale. 3 /Formation du graben L’amincissement visible sur la croûte se produit de manière cassante (comme on le voit sur le profil rhéologique) avec l’apparition d’indices caractéristiques d’une extension : les failles normales. Ils existent différents modèles de dispositions de failles à la surface de la croûte. Le plus ancien est un graben avec des failles parallèles et symétriques par rapport au rift. a/-Modèle de Lister 1989 Ce modèle montre une faille de détachement affectant la croûte supérieur et d’autres failles secondaires parallèles. Dans la partie mantellique du manteau les failles sont horizontales et symétriques. On a donc des failles asymétriques dans la croûte. 8 b/-Modèle de Wernicke 1985 Ici une faille de détachement se propagent de manière discontinue de la croûte jusqu’à la base de la lithosphère. Par ailleurs, ces deux modèles décrivent, de manière complexe la création du plancher océanique (voir ANNEXE 2) 4 /Fusion partielle et création d’une chambre magmatique Lors de mouvement de convection les roches concernées remontent vers la surface, leur pression diminue pour une température variant peu. La roche atteint donc la partie entre le liquidus et le solidus, c’est la fusion partielle (schéma 5). Schéma 5 : évolution du géotherme en fonction de la profondeur et de la température. 9 On a donc une fusion de certains minéraux constituant la roche. Le magma apparait aux joints des cristaux, la proportion du liquide devient de plus en plus importante et s’échappe dans les interstices présents entre les cristaux pour s’assembler en chenaux coalesçant comme les bras d’une rivière vers une chambre magmatique. Le magma présent dans la chambre magmatique a donc une composition chimique différente des roches l’ayant formé. La chambre magmatique reste présente sous l’endroit où la lithosphère est la plus fine. Le magma remonte à travers la surface dans la lithosphère sous forme de cheminée pour former des intrusions de magma dans la croûte et quelques système volcanique, comme actuellement les volcans Gab’ho et Dabbahu dans l’Afar. Par la suite, la divergence continentale se poursuivant, une nouvelle croûte composée de basalte se créer. D’épaisseur beaucoup plus faible que la croûte continentale (3 à 10 fois moins) elle est aussi plus dense. Comme une subsidence s’est créée au niveau du rift lors de la divergence continentale, celle-ci existe toujours après la formation de la croûte océanique, cela peut donc créer un fleuve (comme le Rhin) et par la suite un océan (océan atlantique). 5 /La lithosphère océanique La lithosphère océanique se forme en permanence au niveau des dorsales et est en expansion lente et continue symétriquement des deux côtés de la dorsale. Cette dernière s’épaissit avec l’âge, plus précisément avec la racine carré de son âge. Cet épaississement est dû au fait de son refroidissement, et comme on l’a vu plus haut, c’est une isotherme qui définit la limite entre lithosphère et asthénosphère. Elle disparait en moyenne, au bout de 200 millions d’années dans les zones de subduction. La lithosphère océanique qui a refroidie est plus dense que l’asthénosphère sousjacente. Si elle ne s’effondre pas spontanément cela est du au manque de place, en effet où irait l’asthénosphère chassée par la lithosphère qui coule ? Il faut un événement perturbateur permettant à la lithosphère océanique de s’enfoncer. Lorsque la lithosphère océanique a atteint une certaine longueur, il arrive quelques fois que la discontinuité entre lithosphère océanique et continentale se rompe. On ne connait pas encore bien ce mécanisme, ni les conditions exactes d’initiation de la subduction. Toujours est-il, qu’après la rupture l’expansion de la lithosphère océanique continue. La lithosphère continentale n’étant plus lié à la lithosphère océanique, il y a collision entre ces deux dernières et la lithosphère océanique étant la plus dense, c’est elle qui s’enfonce sous l’autre. Elle peut poursuivre son chemin jusqu’aux limites du manteau avec le noyau, ou il arrive qu’elle casse sous son poids (il faut rappeler que la lithosphère est plus dense que l’asthénosphère) c’est l’éduction. Par ailleurs, le poids de la lithosphère subductant agit de manière importante dans le mécanisme d’expansion de la lithosphère océanique. Cette force est dans la continuité de la cellule de convection qui a initiée la divergence continentale (schéma 6). 10 Schéma 6 : forces impliquées dans la divergence lithosphérique. 11 II / MISE EN FORME 3D Ce film pédagogique cherche à montrer de manière la plus compréhensible pour tous, les mécanismes induisant l’amincissement continental, l’expansion lithosphérique et la subduction. Il n’a donc pas pour prétention d’examiner avec exactitude et de manière scientifique, le fonctionnement de ces mécanismes. En effet, les échelles de temps et d’espace ne sont pas respectées et la formation d’un rift et d’une zone de subduction peuvent se dérouler suivant différents mécanismes (voir ANNEXE 3) Il m’a donc fallu faire des choix en fonction de la complexité de l’objet représenté et du raisonnement physique que je voulais illustrer. Dans un premier temps, j’ai décidé de ne pas différencier la croûte et le manteau lithosphérique en les associant en une lithosphère continentale ou océanique homogène mais obéissant à un profil rhéologique (dans le cas du graben) et à l’épaississement variant en fonction de la racine carré de l’âge pour la lithosphère océanique. Dans un second temps, bien qu’ayant décidé de ne pas différencier la croûte terrestre du manteau lithosphérique et que la croûte ne représente qu’une infime partie de la lithosphère, j’ai choisi d’illustrer les failles normales caractéristiques d’un graben dont le modèle est celui qui nous est enseigné au secondaire et au tertiaire. 1 / Représentation de la convection : impératifs techniques et pédagogiques Concernant la première partie du film illustrant la convection dans le manteau et ses effets sur la lithosphère, j’ai choisi de représenter une série de deux cellules de convection dans tout le manteau sous la lithosphère. Premièrement, c’est la théorie qui nous est enseigné au lycée : le noyau plus chaud (car il contient des éléments radioactifs) conduit son énergie par contact dans les couches basses du manteau inférieur. La seule conduction ne suffisant pas à ce manteau pour diffuser cette énergie, il se créer un mouvement de convection tel de l’eau dans une casserole. Les roches mantellique sont évidemment solides mais aussi ductiles et malléables, et sur une grande échelle de temps cette roche se déplace pour finalement entrainer la lithosphère sus-jacente dans son déplacement. Deuxièmement, pour cause techniques d’utilisation du logiciel, les cellules représentées dans le film sont circulaires, alors qu’en réalité, étant présentes dans un environnement plutôt « fin », elles ont une forme de carré aux bords arrondis (schéma 7). La représentation de deux séries de cellules de convections aurait donc été techniquement impossible, pour moi, à concevoir. 12 Schéma 7 : théorie de deux séries de cellules à convection ou d’une série dans le manteau. Par ailleurs, j’ai choisi de représenter le cas du rifting passif car plus à même de démontrer l’effet de la convection sur l’amincissement lithosphérique. 2 / La fusion partielle La représentation de la fusion partielle a été assez délicate et n’est certainement pas des plus adéquates. Il s’agit d’un bloc de roches mantelliques avec une texture cristalline, qui monte par effet de convection jusqu’au moment où ayant atteint une certaine hauteur, des gouttelettes de magma s’en échappent et cheminent comme traversant des canaux pour rejoindre une chambre magmatique en coalesçant dans des chenaux de plus en plus épais. Il s’agit ici d’une partie purement démonstrative de la création d’une chambre magmatique. 3 / La lithosphère continentale homogène La question de différencier ou non la croûte et le manteau lithosphérique a été un épineux problème. En effet, il s’agit d’une partie intéressante car elle illustre l’effet visible de l’amincissement lithosphérique et traite de la rhéologie de ces deux milieux. Cependant, deux problèmes se sont présentés : en choisissant de respecter les dimensions spatiales, il était difficile de représenter à la fois, un manteau lithosphérique épais et une croûte beaucoup plus fine, lorsque les deux s’amincissaient en même temps. Le deuxième problème était technique, en effet faire s’amincir, de manière différente, deux objets tout en maintenant leur interface unis posait problème. Le choix a donc été fait d’associer les deux en un même et seul objet, ce qui, toutefois reste juste car la croûte et le manteau lithosphérique sont indissociable dans la représentation de la création d’une dorsale et de la disparition de la lithosphère dans les zones de subduction. 4 / Le graben le plus représentatif Un autre gros problème a été le choix du type de graben à représenter, en effet le graben antithétique de base que l’on nous enseigne au collège et au lycée ne représente pas tous les grabens en général. 13 Comme dit en partie 1 et montré sur le schéma 8, ils existent d’autres modèles plus récent, et juste qui tendent à prouver qu’une grande faille de détachement traversant entièrement la lithosphère ou non, est à l’origine d’autres failles plus petites et symétriques. Donc montrer le centre du graben où le rift apparait est un défi que je n’aurai pu résoudre. Après consultations de chercheurs qualifiés dans le domaine, le choix a été fait d’illustrer un graben aux failles symétrique par rapport au rift. Schéma 8 : 3 modèles de graben. 5 / La subduction : pas encore bien connue La dernière partie du film représentant la subduction de la lithosphère océanique est certainement à revoir. Cependant, à l’état de nos connaissances, la question de savoir comment se passe la rupture de la lithosphère océanique et la première partie de sa chute en subduction est encore un mystère en sciences de la Terre. 14 Conclusion La réalisation d’un court métrage d’animation illustrant l’évolution du plancher océanique, les mécanismes de sa création et sa disparition en subduction a été demandeuse de longues heures de travail. En effet, la majeur partie de mon travail durant le temps de stage et en dehors a consisté en l’élaboration du film, le travail de recherche d’information étant modéré. Le film obtenu est satisfaisant, il présente tout les mécanismes principaux du sujet dont j’ai fait la liste. Toutefois, je souhaiterais pouvoir peaufiner quelques parties, notamment les deux dernières (l’expansion océanique et la subduction), car le temps a été relativement long avant que je maîtrise convenablement le logiciel. De plus j’ai abordé avec trop de légèreté le volcanisme fissural dans le rift, et je n’ai pas traité les thèmes de prisme d’accrétion et de volcanisme de subduction des roches hydratées ; tout cela par manque de temps et de maîtrise du logiciel. Ce travail m’a été profitable en m’incitant à me renseigner de manière plus approfondie sur des sujets que je croyais maîtriser. De plus les mécanismes dont les géologues ne connaissent pas toutes les étapes m’ont encouragé à prendre quelques modestes initiatives. 15 Bibliographie Références bibliographiques: Vincent COURTILLOT, Anne DAVAILLE, Jean BESSE, Joann STOCK - three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle. 2002. Luc L. LAVIER, Gianreto MANATSCHAL - A mechanism to thin the continental lithosphere at magma-poor margins. Nature Vol 440. 2006. R.B. WHITMARSH, G. MANATSCHAL, T.A. MINSHULL – Evolution of magma-poor continental margins from rifting to seafloor spreading. Nature Vol 413. 2001. Références internet: http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/img.communes.pt/str.interne.terre.html http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/03_convection/01_terrain/03a.htm http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-subsidence.xml http://perso-sdt.univ-brest.fr/~jacdev/ens/mado3_jd.pdf http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/02_subduction/04_subduction_plaques/02_labo/i mg/grandes/06a/01a.htm 16 ANNEXE 1 17 ANNEXE 2 Source : Yves GAUDEMER 18 ANNEXE 3 19
