Leçon 9 LA TECTONIQUE DES PLAQUES Leçon 9 QUELLES SONT LES INTERROGATIONS? Les questions: - comment fonctionne globalement la tectonique des plaques ? - comment fonctionne l’expansion des fonds océaniques? - comment fonctionne une zone de subduction? Le plan de la leçon: - 9.1 La machinerie terrestre - 9.2 Les MORBs – fusion adiabatique - 9.3 La nécessité des failles transformantes - 9.4 Les points chauds - OIBs - 9.5 Les zones de subduction - 9.6 Les arcs volcaniques - 9.7 Les transformations de la plaque subductée 9.1 LA MACHINERIE TERRESTRE Wegener 9.1.1 LES PLAQUES LITHOSPHERIQUES • The seismic belts divide the Earth surface into plates. • While some of the plates are huge, e.g. the Pacific, some are tiny, i.e. the Gorda and the Coccos plates. major plates: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Pacific – 105 x106 km2 Eurasian - 70 x106 km2 Antarctic - 60 x106 km2 Australian - 45 x106 km2 S. American - 45 x106 km2 African - 80 x106 km2 N. American - 60 x106 km2 minor plates: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Cocos - 5 x106 km2 Phillipine - 6 x106 km2 Caribbean - 5 x106 km2 Nazca - 15 x106 km2 Arabian - 8 x106 km2 Indian - 10 x106 km2 Scotia - 5 x106 km2 Juan de Fuca - 2 x106 km2 9.1.2 L’EXPANSION DES FONDS OCEANIQUES Ma Les sédiments et donc la croûte océanique sont de plus en plus récents vers les rides. 9.1.3 LE MOTEUR DE L’EXPANSION DES FONDS OCEANIQUES From: quakeinfo.ucsd.edu/%7Egabi/sio15/Lecture04.html “Slab Pull” is thus much more effective than “Ridge Push”. But both are poor terms: “slab pull” is really a body force (gravity acting on the entire dense slab.. The old question of whether convection drives plate tectonics or not is also moot: plate tectonics is mantle convection. The core, however, cools by more vigorous convection which heats the base of the mantle by conduction and initiates plumes (lower viscosity) 9.1.4 LA MORPHOLOGIE DES RIDES OCEANIQUES from: http://www.geo.lsa.umich.edu/~crlb/COURSES/270 fast-spreading: magma enters a large magma chamber in crust; Broad bulge exists at ridge slow-spreading: magma chamber freezes between pulses of spreading; Axial rift valley occurs 9.1.5 MORPHOLOGIE DES RIDES ET VITESSE D’EXPANSION Fast-spreading East Pacific Rise Slow-spreading Mid-Atlantic Ridge • Thermal structure is warmer • Thermal structure is cooler • Crust is thicker, lithosphere is thinner • Crust is thinner, lithosphere is thicker • Higher degrees of melting • lower degrees of melting • Sustained magma chambers and volcanism • Episodic volcanism • Less compositional diversity • Higher compositional diversity COMMENT MESURER LA VITESSE D’EXPANSION DES FONDS OCEANIQUES? 9.1.6 LES INVERSIONS DU CHAMP MAGNETIQUE: UN OUTIL POUR MESURER LA VITESE D’EXPANSION Polarité du champ magnétique Aspect actuel de la carte des anomalies magnétiques Axe de symétrie Arrivée de magma coupe 9.1.7 LA VITESSE D’EXPANSION DES RIDES OCEANIQUES Rappel: Les inversions fournissent un repère temporel facile (programme des classes de lycée SVT) 9.1.8 LA CAUSE POSSIBLE DES INVERSIONS DU CHAMP MAGNETIQUE Après leur plongée dans le manteau au niveau des zones de subduction, certaines plaques parviendraient jusqu'au noyau, où elles modifieraient les écoulements du fer fondu. (Geoph. Res. Lett. Oct. 2011) Ce sont donc bien des mouvements de roches extérieures au noyau qui provoqueraient l'asymétrie des écoulements dans le noyau liquide et détermineraient ainsi la fréquence des inversions. 9.2 LES MORBs – FUSION ADIABATIQUE 9.2.1 LE VOLCANISME SOUS-MARIN: LES PILLOW LAVAS OMAN Au contact de l’eau de mer, les laves basaltiques s’épanchent en formant des empilements de « pillow lavas». P. Asimow Hekinian et al. (1976) Contr. Min. Pet. 58, 107. 9.2.2 LA STRUCTURE DE LA CROÛTE OCEANIQUE CROÛTE OCEANIQUE Section à proximité des rides océaniques: la lithosphère est réduite à la croûte océanique. Rappel leçon 1 MOHO ASTHENOSPHERE 9.2.3 LES MORBs (MEAN OCEAN RIDGE BASALTS) A “typical” MORB is an olivine Tholeiite with low K2O (< 0.2%) and low TiO2 (< 2.0%) Pas de quartz Pas oxydé olivine A: Na2O + K2O F: FeO + Fe2O3 M: MgO 9.2.4 COMPOSITIONS CHIMIQUES DU MANTEAU ET DES BASALTES Masse % SiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O TiO2 Lherzolite 44.2 2.1 8.3 42.1 1.9 0.3 0.06 0.1 La lherzolite est riche en Mg Le basalte concentre Si, Al, Na, K, Ti Basalte tholéiitique 50.5 15.3 10.4 7.6 11.3 2.7 2.7 1.31 9.2.5 LES MORBs ET LA FUSION ADIABATIQUE DU MANTEAU La décompression adiabatique entraîne la fusion partielle du manteau. Le gradient géothermique croise la courbe du solidus. 9.2.6 UN MODELE DE LA FUSION DU MANTEAU Hot mantle cool mantle Asimow et al., 2004 Hot mantle starts melting at deeper depths, thus has a larger melt triangle or area over which melting occurs than a cooler mantle Mantle rising nearer axis of plume traverses greater portion of triangle and thus melts more extensively 9.2.7 L’ASCENSION DES MAGMAS fragile ductile 1 - No partial melting (otherwise it wouldn’t be rigid) so no permeable flow 2 - Pressures at the base of the lithosphere are too high to have open conduits 3 - Magma ascends through the lithosphere (and oceanic crust) in dikes; Fine as long as ρ(magma) < ρ(country rock) 4 - Magma ascends to the level of neutral buoyancy 9.2.8 LE MECANISME DE LA CRISTALLISATION DES MORBs The low-P crystallization sequence is: After Bowen (1915), A. J. Sci., and Morse (1994), Basalts and Phase Diagrams. Krieger Publishers. 1) olivine (± Mg-Cr spinel), 2) olivine + plagioclase (± Mg-Cr spinel), 3) olivine + plagioclase + clinopyroxene 1 2 1 3 3 2 2 9.3 LA NECESSITE DES FAILLES TRANSFORMANTES 9.3.1 FONCTIONNEMENT D’UNE FAILLE TRANSFORMANTE transformante continentale transformante océanique 9.3.2 AXES ET POLES DE ROTATION (GEOMETRIE D’EULER) Euler’s fixed point theorem: “Every displacement from one position to another on the surface Earth can be regarded as a rotation about a suitably chosen axis passing through the center of the Earth.” - The axis of rotation is the suitably chosen axis passing through the center of the Earth. - The poles of rotation or the Euler’s poles are the two points where the axis of rotation cuts through the Earth surface. 9.3.3 VITESSE ANGULAIRE ET VITESSE RELATIVE • The relative velocity, ν, of a certain point on the earth surface is a function of the angular velocity, ω, according to: • R: earth radius ; • θ: angular distance between the pole of rotation and point in question. Thus, the relative velocity is equal to zero at the poles, where θ=0 degrees, and is a maximum at the equator, where θ=90 degrees. • The relative velocity is constant along small circles defined by θ=constant. • Note that large angular velocity does not mean large relative velocity. 9.3.4 LES FAILLES TRANSFORMANTES OCEANIQUES Atlantique Ride océanique Faille transformante Earthquake epicenters superimposed upon the transform faults in the central Atlantic. Note how the epicenters overlap the ridge axis (red) and transform faults (green). The earthquakes on the transform faults are all strike-slip indicating sliding motion. 9.3.5a LES FAILLES TRANSFORMANTES CONTINENTALES La faille nord-anatolienne (Turquie) The North Anatolian Fault ?? It is a transform fault separating the Anatolian Plate (Turkey) from Eurasia. The fault accommodates the movement of Turkey westward into the Mediterranean Basin. The fault is the site of many large earthquakes. In addition, the fault ruptures have a very definite time sequence with the next earthquake expected right by Istanbul. 9.3.5b LES FAILLES TRANSFORMANTES CONTINENTALES Californie – Mer Morte The San Andreas Fault lies between the Mendocino Triple Junction and the spreading centers in the Gulf of California Marks the boundary between the Arabian and African plates. Note the sub-parallel faults that have created pull-apart basins in the steps between the faults. The Dead Sea basin has greater than 7 km of sediments in the basin below the water. 9.3.6 LES BASSINS DE PULL -APART La simulation expérimentale montre comment se forme une dépression par le coulissage des deux bords de la faille. 9.3.7 LES TYPES DE FAILLES TRANSFORMANTES • Transform faults can be grouped into six basic classes. By far the most common type of transform fault is the ridge-ridge fault. 9.4 LES POINTS CHAUDS - OIBs 9.4.1 POINTS CHAUDS: OIBs ET LIPs Îles du Pacifique plateau du Deccan OIBs: Ocean Basalt Islands LIPs (Large Igneous Provinces) 9.4.2 LES ILES DU PACIFIQUE: OIBs ET HOTSPOTS Rappel leçon 8 Le point chaud d’Hawaï a-t-il imprimé seulement la trajectoire de la plaque Pacifique ou une combinaison de cette trajectoire avec son redressement dans le temps? 9.4.3 PLATEAU DU DECCAN ET POINT CHAUD DE LA REUNION Passant au-dessus du point chaud de la Réunion au cours de sa migration vers le Nord, l’Inde a accumulé des basaltes formant le plateau du DECCAN. 9.4.4 LA SIGNATURE GEOCHIMIQUE DES OIBs increasing incompatibility REE diagram for a typical alkaline ocean island basalt (OIB) and tholeiitic mid-ocean ridge basalt (MORB). From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Data from Sun and McDonough (1989). 9.5 LES ZONES DE SUBDUCTION 9.5.1 LES SEISMES: UNE SONDE DE LA STRUCTURE DES SUBDUCTIONS (Nature 451, 2008 ) ♦ On distingue trois classes de séismes, en fonction de la profondeur où ils se produisent : • séismes superficiels : foyer à 0 - 60 km de profondeur • séismes intermédiaires : 60 - 300 km • séismes profonds : >300 km - relaxation des contraintes profondes par glissement de deux blocs le long d’un plan de faille - activité volcanique (montée de magma) 9.5.2 LE PLAN DE WADATI – BENIOFF Convergence océan-continent Cordillère des Andes pl. Amérique S pl. Nazca Wadati-Benioff Zone named after Hugo Benioff and Kiyoo Wadati who discoverd it independently in 1949. 9.5.3 SUBDUCTION VUE PAR LA TOMOGRAPHIE SISMIQUE from Fukao et al., 2001 Blue = fast anomaly = dense = cold Red = slow anomaly = buoyant = hot 9.5.4 L’ANGLE DE LA SUBDUCTION L’angle de la subduction varie suivant les contextes géologiques: - faible: Amérique du Nord - moyen: Andes - fort: plaque pacifique La question est: jusqu’où s’enfonce la plaque subductée? 9.5.5 STRUCTURE PROFONDE DE LA PLAQUE SUBDUCTEE Stockage à la discontinuité à 660 km Stockage à la couche D’’ Il semble que certaines plaques s’enfoncent jusqu’à la limite manteau-noyau tandis que d’autres restent bloquées sur la zone de transition à 660 km. Rappel leçon 8: lorsqu’elles atteignent la couche D’’, elles peuvent générer les inversions de champ magnétique. 9.5.6 CONVERGENCE OCEAN - OCEAN Aleutian Islands, N Pacific Pacific Plate (oceanic) Phillipine Plate (oceanic) Marianas Islands, SW Pacific 9.5.7 MECANISME DE LA SUBDUCTION ENTRE PLAQUES OCEANIQUES Volcanic islands develop at the surface of the overriding crust (forming Island Arcs). ultramafic mantle Volcans de boue (serpentine) EXEMPLE: LA FOSSE DES MARIANNES The oldest, densest crust normally descends beneath the younger crust. 9.5.8 SUBDUCTION DES GUYOTS (SEAMOUNTS) 9.5.9 CONVERGENCE CONTINENT - CONTINENT Collision de plaque arabique avec l’Eurasie. Formation de la chaîne du Zagros en Iran. 9.5.10a LE SEISME DE MAGNITUDE 9.0 AU JAPON L’épicentre ~130 Ma 83 mm/an Séisme du vendredi 11 mars 2011 à 05/46:24 prof: 24 km 15-30 Ma 40 mm/an 9.5.10b LE SEISME DE MAGNITUDE 9 AU JAPON Les déplacements horizontaux et verticaux (Science 332, 2011) (Science 332, 2011) 9.5.10c LE SEISME DE MAGNITUDE 9 AU JAPON Le tsunami Le déplacement de la croûte océanique a déclenché un tsunami dévastateur comme le fut celui de Sumatra pour des raisons similaires. http://neic.usg.gov/ 9.6 LES ARCS VOLCANIQUES 9.6.1 KOURILES ET ALEOUTIENNES Kamchatka-kouriles Aléoutiennes Les îles océaniques forment des archipels en arcs partout dans le monde. POURQUOI CETTE FORME EN ARC? 9.6.2 CONSEQUENCE DE LA GEOMETRIE DE LA SPHERE plaque Pacifique plaque Eurasie Une zone de subduction étant un enfoncement de la croûte, elle ne peut avoir qu’une trajectoire en forme d’arc sur la Terre qui est ronde. 9.6.3 ARCS DE VOLCANS ACTIFS ET ETEINTS AU KAMTCHATKA plaque Pacifique volcans éteints plaque Eurasie volcans actifs 9.6.4 LE DEPLACEMENT DE LA SUBDUCTION: UNE REGLE plaque Pacifique aujourd’hui 5-10 Ma (Nature 418, 2002) 9.6.5 LES BASSINS D’ARRIERE - ARC Fujiyama (Japan) Japan- Back Arc Rifting Tensional Setting t1 t2 Slab migration 9.6.6 MECANIQUE DE LA MIGRATION DE LA SUBDUCTION Destructive more common where Continental crust is older e.g. Andean Margin Constructive more common where Continental crust is younger e.g. Pacific NW 9.6.7 DIFFERENCES ENTRE ARCS CONTINENTAUX ET ARCS OCEANIQUES LES EFFETS DE LA CROÛTE CONTINENTALE EPAISSE Thick sialic crust contrasts greatly with mantle-derived partial melts may produce more pronounced effects of contamination Low density of crust may retard ascent causing stagnation of magmas and more potential for differentiation Low melting point of crust allows for partial melting and crustally-derived melts Subcontinental lithosphere may be more compositionally diverse that suboceanic lithosphere, especially if crust is old 9.1.9 RESUME: LES SOURCES DE MAGMAS 1. Mid-Ocean Ridges 2. Intracontinental Rifts 3. Island Arcs 4. Active Continental Margins 5. Back-Arc Basins 6. Ocean Island Basalts 7. Miscellaneous IntraContinental Activity kimberlites, carbonatites, anorthosites... 9.6 LES TRANSFORMATIONS DE LA PLAQUE SUBDUCTEE 9.5.1 METAMORPHISME DE LA LITHOSPHERE OCEANIQUE Deux ensembles structuraux se transforment au cours de la subduction: 1 – la croûte océanique formée de basalte se transforme en amphibolite puis en éclogite; 2 – la lithosphère océanique (manteau supérieur) se serpentinise puis se transforme en éclogite à spinelle. 9.5.2 FUSION DU MANTEAU ET VOLCANISME M-crustal Melting A- Assimilation S- Storage H-Homogenization Le gradient géothermique actuel étant trop faible pour entraîner la fusion de la plaque subductée, il ne peut que provoquer sa déshydratation par les réactions métamorphiques. L’eau ainsi expulsée envahit le coin du manteau asthénosphérique et abaisse le point de fusion des péridotites qui le composent. 9.5.3 M.A.S.H. Mixing - Assimilation - Storage - Homogenization Prochaine leçon: LES CONTINENTS