logiciel magma

1ere S
COMPRENDRE L’EVOLUTION DU MODELE DE LA
TECTONIQUE DES PLAQUES A L’AIDE DE
MODELISATIONS NUMERIQUES (LOGICIEL MAGMA)
Eric LECOIX, Lyc JH Fabre, Carpentras
Le Programme
Arthur Holmes,
1945
Ceci est le schéma original de Holmes. (A) Holmes propose que l'existence de courants de
convection dans le manteau, sous un grand bloc continental (comme la Pangée, par exemple), crée
dans la croûte continentale des forces de tension. Ces forces de tension vont contribuer à fracturer
la croûte continentale, avec, dans les fractures ouvertes, des venues de magma provenant du
manteau. (B) La cristallisation de ce magma va créer de la croûte océanique composée de
basalte. Toujours sous l'influence de la convection, la nouvelle croûte océanique va elle aussi se
fracturer et être infiltrée par le magma.
3
Anomalies dans les valeurs
du flux océanique thermique
un niveau des dorsales
(appareil inventé par
Edward BULLARD, 1954)
Topographie des fonds
océaniques par
échosondage  dorsales et
fosses (Marie THARP,
Bruce HEEZEN, Maurice
Ewing, 1956)
Milieu convectif à l’intérieur
de la Terre, Arthur
HOLMES,1945
H.H. HESS, 1960
Relation explicative entre
relief au niveau des dorsales
et anomalie thermique
Expansion océanique:
hypothèse de Hess
D’après History of Ocean Basins,
H. H. HESS, Princeton University, Princeton, N. J.
1
4 km/sec
2
5 km/sec
3
Serpentinized
6,7 km/sec
8,1 km/sec
7,4 km/sec
Seismic velocity decreased by higher temperature
and fracturing, brecciation, dilatation
Temperature lower, fractures healed,
velocity normal
Diagram to represent (1) apparent progressive overlap of ocean sediments on a
mid-ocean ridge which would actually be the effect of the mantle moving laterally
away from ridge crest, and (2) the postulated fracturing where convective flow
changes direction from vertical to horizontal. Fracturing and higher temperature
could account for the lower seismic velocities on ridge crests, and cooling and
healing of the fractures with times, the return to normal velocities on the flanks
http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/sommaire.php3
Le modèle actuel
Km
sédiments
0
basaltes
Magma
différencié
Basaltes en
filons
2
8-10
Brassage /
convection
bouillie
Pl
Gabbros massifs
P
Oy
Gabbros lités
Magma
peu
évolué
isotherme
Fusion partielle
Moho
PRESSION
5
T
e
m
p
é
r
a
t
u
r
e
fusion de 15 %
gouttes de liquide
magmatique
Péridotites
appauvries
fusion de 6 %
fusion de 3 %
Remontée du manteau
http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/sommaire.php3
Comment le modèle a pu être ainsi enrichi ?
Entre autre…
 Par des observations (exemple: exploration faille transformante
Vema, IFREMER)
 Par des modélisations analogiques et numériques qui ont
permis de préciser les conditions de fusion partielle de la
péridotite mantellique
Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER)
Thèse: Les zones de fracture océanique: L’exemple des ZF Vema et Romanche (Océan Atlantique), IFREMER - Brest 1992
Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER)
Basaltes en coussins
Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER)
Basaltes en filons
Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER)
Gabbros
Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER)
Péridotite
Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER)
Thèse: Les zones de fracture océanique: L’exemple des ZF Vema et Romanche (Océan Atlantique), IFREMER - Brest 1992
Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER)
Synthèse
… et L’observation des ophiolites montre la même succession de roches !
D’après 1eS, Hachette
Ophiolite du Chenaillet, Montgenèvre
Péridotite serpentinisée
Basaltes en coussins
Gabbros
Modèle ophiolitique
de croûte océanique
Sédiments
Basaltes en
coussins
Dykes : complexe
filonien
7
km
Gabbros isotropes
Gabbros lités
Manteau
supérieur
Péridotite à olivine,
spinelle et pyroxène
D’après W M White 'Geochemistry'
Échantillons
LPA
La disposition des roches suggèrent qu’elles
ont la même origine…
 Pour le vérifier (et valider le modèle
actuel), il faut en faire une analyse chimique
logiciel Magma
(CNDP, 89 Euros version établissement)
Activité 1 : Comparer la composition chimique des roches de la croûte océanique
-Aller dans le menu fichier puis « entrer de nouvelles données » pour afficher le schéma
- Choisir sur le schéma « basalte tholéitique » et « gabbro ». Relevez les compositions et
comparez.
Compositions
identiques
Activité 1 : Comparer la composition chimique des roches de la croûte océanique
-On peut utiliser aussi le menu déroulant à droite « présélection » pour avoir accès à
d’autres échantillons.
Exemple:
 Basalte et gabbro, bien que différents sur la plan minéralogique (voir observations
microscopiques) ont des compositions chimiques identiques, ce qui souligne leur
origine commune.
Il faut à présent comparer leur composition avec celle de la
péridotite
Activité 1 : Comparer la composition chimique des roches de la croûte océanique
-La composition de la péridotite ne figure pas dans les menus déroulants. Il faut la relever
dans la notice du logiciel. Les données proviennent des travaux de Kushiro, 1996 (voir
notice pour plus de détails)
Synthèse des résultats:
Basalte Océan Indien
Gabbro Océan Indien
Péridotite initiale
SiO2
51,4
50,7
43,7
Al2O3
17,2
16,1
2,7
(Fe,Mg)O
16,2
17,6
46,0
CaO
12,6
11,1
3,0
Na2O
2,5
3,2
0,3
K2O
0,1
0,1
0,1
H2O
0,0
0,0
0,0
Problème soulevé: La composition de la péridotite est très différente de celle des
basaltes et gabbros océaniques. Cela semble en contradiction avec le modèle de
formation des roches océaniques par fusion de la péridotite mantellique.
On comprend alors la nécessité de réaliser en laboratoire des expériences
de fusion partielle de la péridotite afin de mettre à l’épreuve le modèle.
Activité 2 : Modéliser des expériences de fusion partielle de la péridotite
Quelques informations préliminaires !!!
1- Cristallisation / fusion partielle
2- Modélisations analogiques de fusion partielle
Activité 2 : Modéliser des expériences de fusion partielle de la péridotite
1- Cristallisation / fusion partielle
Le logiciel magma ne permet de simuler que des phénomènes de cristallisation
magmatique (et non de fusion).
Ne pas oublier de préciser aux élèves que l’on admet que
la fusion est le processus inverse de la solidification !!!
Fusion
100% liquide
100% solide
Solidification
Activité 2 : Modéliser des expériences de fusion partielle de la péridotite
2- Modélisations analogiques de fusion partielle
Dans le menu « expérimentation », en choisissant « s’informer sur la fusion partielle »,
on explique de façon simplifiée le principe des expérimentations qui ont été réalisées
(utilisation des cellules à enclume de diamant).
Important pour ne pas être déconnecté du « réel » !!!
On fait fondre des fractions infimes des échantillons en les chauffant (faisceau lazer) et en les comprimant dans une
chambre formée par deux diamants taillés. Les diamants résistent à la pression et à la chaleur ; leur transparence
permet de recueillir des informations et d’observer l’état de l’échantillon.
Activité 2 : Modéliser des expériences de fusion partielle de la péridotite
Etape 1 : Créer un fichier « péridotite »
-Aller dans le menu « fichier » puis « créer de nouvelles donnée »
-Dans le champ « votre sélection », écrire « péridotite »
-Aller ensuite dans les champs « % Oxydes » et entrer les valeurs correspondant à la
composition de la péridotite.
-Valider les saisies.
-Dans le champ « température », entrer 1500°, température à laquelle la péridotite fond
totalement.
-Aller dans « fichier », « enregistrer sous » et enregistrer le fichier.
Remarque: Pour retrouver le fichier sauvegardé, il faut aller dans « fichier » et « ouvrir
un fichier de données »
Activité 2 : Modéliser des expériences de fusion partielle de la péridotite
Etape 2 : Déterminer la température à laquelle la péridotite commence à fondre
-Ouvrir le fichier « péridotite » sauvegardé précédemment (« fichier » et « ouvrir un
fichier de données »). Choisir refroidissement lent et température initiale de 1500°
-Faire OK. La simulation de cristallisation commence. On peut faire varier la vitesse de
cette simulation en déplaçant le curseur.
Elle s’arrête quand tout à cristallisé.
-Relever la température (=1326°). Si la cristallisation totale se fait à cette température,
on peut donc supposer que la fusion partielle débute à 1326°
Activité 2 : Modéliser des expériences de fusion partielle de la péridotite
Etape 3 : Simuler une fusion partielle et suivre la composition du magma et de la
péridotite résiduelle
Le modèle prévoit une fusion partielle de la péridotite. On va donc refaire la
simulation en marquant des pauses pour relever les pourcentages de fusion
partielle et les compositions en oxydes des magmas
Dans cet exemple, à la
température de 1457°, la
péridotite a subit une fusion
partielle de 10%
Cumulat = fraction solide
Magma = fraction fondue
Pause ici
Activité 2 : Modéliser des expériences de fusion partielle de la péridotite
Etape 3 : Simuler une fusion partielle et suivre la composition du magma et de la
péridotite résiduelle
Fusion partielle
A t=1466°
A t=1464°
A t=1462°
A t=1460°
Rappel:
Composition
du gabbro et
basalte
Activité 2 : Modéliser des expériences de fusion partielle de la péridotite
Etape 3 : Simuler une fusion partielle et suivre la composition du magma et de la
péridotite résiduelle
Fusion péridotite
A t=1464°
Composition du
gabbro et basalte
La composition chimique d’un magma obtenu par fusion partielle de la péridotite
(1464°, 23%) est proche de celle des roches de la croûte océanique:
 Le modèle est ainsi validé, on peut bien obtenir des basaltes et
gabbros à partir d’une fusion partielle de péridotite.
Activité 3 : Devenir des magmas issus de la fusion partielle
Reste un problème en suspens…!!!
Comment un même magma de composition chimique connue peut il donner des
roches différentes ???
?
Fusion péridotite
A t=1464°
Activité 3 : Devenir des magmas issus de la fusion partielle
On peut simuler alors des cristallisations du magma préalablement formé en
faisant varier d’autres paramètres (vitesse de refroidissement par exemple)
Remarque: Complémentarité avec observations et modélisations analogiques (vaniline
vu au collège)
Expérience de cristallisation avec le logiciel Magma
Fusion péridotite
A t=1464°
-Créer une nouvelle simulation
-Entrer la composition chimique du magma (obtenue précédemment avec 23% de fusion),
ainsi que la température (t=1464°)
-Faire subir un refroidissment lent (=2). Noter les résultats.
-Refaire la simulation avec un refroidissement rapide(=9). Comparer avec les résultats
précédents
Activité 3 : Devenir des magmas issus de la fusion partielle
Expérience de cristallisation avec le logiciel Magma
Résultats
Refroidissement lent (= 2)
Gabbro
(grenu)
Refroidissement rapide (= 9)
Basalte
(microlithique)
Activité 4 : Confrontation avec d’autres données - synthèse
Après ces simulations, il est facile de comprendre qu’en
laboratoire, on peut déterminer les conditions (température,
pression) pour lesquelles la péridotite commence à fondre
et de confronter ces résultats avec d’autres données:
(propagation des ondes, tomographie sismique…etc)
C’est par cette confrontation de données expérimentales et
de mesures + observations in situ qu’a pu s’élaborer le
modèle actuel de fonctionnement des dorsales
Activité 4 : Confrontation avec d’autres données - synthèse
Ressources complémentaires proposées par le logiciel Magma
Dans le menu expérimentation, on a accès à des données complémentaires:
-Diagramme de fusion des péridotites
-D’autres possibilités d’expérimentations en tenant compte du diagramme P,T
-Géothermes de la lithosphère océanique
Ces données, par confrontation
avec les simulations précédentes,
permettront de localiser la fusion
partielle de la péridotite.
Activité 4 : Confrontation avec d’autres données - synthèse
Utilisation possible d’un tableur (B2i)
Activité 4 : Confrontation avec d’autres données - synthèse
Mise en relation explicative avec des documents
isothermes et déplacement de la matière dans le manteau supérieur
modifié d’après J. Kornprobst bulletin APBG n°2bis 1989
dorsale
subduction
600
600
600
1000
1000
1400
1400
1600
convection
200 km
Activité 4 : Confrontation avec d’autres données - synthèse
Mise en relation explicative avec des documents
Image sismique de la dorsale Est-Pacifique
J.P. Morgan and Y.J. Chen (1993)
W
E
2.2
J.P. Morgan and Y.J. Chen (1993)
3
Laves basaltiques
5.0
5.5
4
Dykes
basaltiques
6.0
6.5
3.0
4.0
Prof
ond
eur
(km
)
7.0
5.0
6
Gabbros
massifs
5.5
LVZ
6.0
8
Gabbros lités
cumulats
7.5
10
8.0
-2
0
2
4
6
péridotites
8
Distance (km / axe dorsale)
10
et
Activité 4 : Confrontation avec d’autres données - synthèse
Mise en relation explicative avec des documents
Principe de la tomographie sismique, modifié (schéma) et inspiré de http://nte-serveur.univlyon1.fr/geosciences/geodyn_int/tectonique2/tomo/tomo.html
Si une onde sismique traverse un milieu dont les propriétés physiques (densité, modules élastiques) différent de celles du modèle moyen (par
exemple PREM), elle arrivera en retard ou en avance par rapport aux prédictions de ce modèle. On en déduit alors des cartes de variations de VP et
VS par rapport au modèle (notons que l'établissement de ces cartes nécessite la donnée d'un grand nombre de temps de parcours). » sect.1 :
secteur où les ondes sont accélérées ; sect.2 : secteur ou les ondes sont ralenties
vitesse
diminuée
vitesse
normale
sect. 2
vitesse
augmentée
vitesse
normale
sect. 1
coupe ‘’sismo-thermique’’ déduite de
du traitement informatique des
vitesses des ondes
+ froid
séisme
foyer
Manteau
+ chaud
Activité 4 : Confrontation avec d’autres données - synthèse
Mise en relation explicative avec des documents
Le code de couleur représente les anomalies de
vitesse des ondes sismiques par rapport à la vitesse
moyenne à la même profondeur. Ces anomalies de
vitesses peuvent s'interpréter en terme d'anomalies
de température (par rapport à la température
moyenne à cette profondeur). On voit que la
subduction andine (flèche bleue) est « visible »
quasiment jusqu'à l'interface noyau-manteau. La
lithosphère « froide » descend jusqu'à la limite
manteau/noyau. Par contre, on ne voit aucune
anomalie chaude profonde sous la dorsale pacifique
(flèche rouge), preuve qu'une dorsale ne correspond
pas à une remontée de matériel chaud venu des
profondeurs.
D'après : Steve Grand, 1997, modifié.
Source : ENS Lyon
http://planet-terre.enslyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOMconvection-mantellique-tectonique-plaques.xml
Activité 4 : Confrontation avec d’autres données - synthèse
Mise en relation explicative avec des documents
Profil sismique réflexion de la dorsale Est Pacifique (Inclus dans notice logiciel Magma)
D’après Vera et al. (1990).
Activité 4 : Confrontation avec d’autres données - synthèse
Mise en relation explicative avec des documents
On observe que le moho est soulevé et s’interrompt sous l’axe de la dorsale et
que la partie liquide se réduit à un disque magmatique situé juste sous la dorsale.
Les réflecteurs de surface colorisés en vert correspondent au complexe filonien.
La zone
des sismique
réflecteurs affaiblis
est appelée
les géologues
« zone de (Inclus dans notice logiciel Magma)
Profil
réflexion
de la par
dorsale
Est Pacifique
transition » (tracé bleu). L’état des roches sous les traits bleus est interprété par les
D’après Vera et al. (1990).
géologues comme une matière visqueuse à l’état de bouillie de cristaux.