Quelques repères historiques - Document sans-titre
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MOBILITE HORIZONTALE DES PLAQUES LITHOSPHERIQUES Eric LECOIX, Oct 2013 I – Quelques repères historiques De la dérive des continents à la tectonique des plaques Le renforcement du modèle II – les plaques, des unités cinématiques Limites verticales et horizontales Approche cinématique III – Mouvements relatifs: l’apport de la sismotectonique III – Phénomènes géodynamiques aux frontières de plaques (…A suivre) Quelques repères historiques Voir aussi les autres cours pour l’approche historique de la construction du modèle de la tectonique des plaques Wegener (1912) formalise l’idée d’une mobilité horizontale des continents. Dans sa théorie, Wegener se fondait sur divers arguments, topographiques, paléontologiques et climatiques. Cependant, les forces qu’il proposait pour animer cette « dérive des continents » étaient très insuffisantes, qualitativement et quantitativement. De plus, Gutenberg (1923) montre à partir d’études sismiques que la terre entièrement solide, jusqu’au noyau, ce qui rend la dérive des continents impossible. Certains géophysiciens utilisèrent cette faiblesse pour tout rejeter. Quelques repères historiques Coupe schématique de la Terre selon Wegener Km 1000 (Geokoronium) Wasserstoff Stickstoff 0 SIAL Süd-Amerika SIAL 1000 SIMA 2000 3000 Afrika NIFE 4000 5000 6000 Depuis le début du XXème siècle, on connait l'existence d’un matériau superficiel (SIAL, constitué de roches riche en silicium et aluminium) et d'un matériau sous-jacent plus dense (SIMA, riche en silicium et magnésium). NIFE = couche riche en Nickel et en Fer. D’après: « Die Entstehung der Kontinente », Geologische Rundschau, 3, 1912, p. 279 Quelques repères historiques Arguments géographiques de Wegener On observe un certain parallélisme des lignes côtières entre d'une part les Amériques et d'autre part l'Europe - Afrique. Cela suggère que ces deux ensembles constituaient deux morceaux d'un même bloc, la Pangée. Dessins originaux de Wegener D’après: http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/derive.html Quelques repères historiques Arguments structuraux de Wegener Bouclier Ouest-Africain Bouclier guyanais Bouclier brésilien Bouclier angolais Bouclier tanzanien Océan Atlantique Bouclier rhodésien Roches anciennes de plus de 2 milliards d’années Principales directions structurales Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques Arguments structuraux de Wegener Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques Arguments structuraux de Wegener La correspondance des structures géologiques entre l'Amérique du Nord et l'Europe confirme aussi l'idée de Wegener. Les trois chaînes de montagnes, Appalaches (Est de l'Amérique du Nord), Mauritanides (nord-est de l'Afrique) et Calédonides (Iles Britanniques, Scandinavie), aujourd'hui séparées par l'Océan Atlantique, ne forment qu'une seule chaîne continue si on rapproche les continents à la manière de Wegener. Les géologues savent depuis longtemps qu'effectivement ces trois chaînes ont des structures géologiques identiques et qu'elles se sont formées en même temps entre 470 et 350 Ma. D’après: http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/derive.html Quelques repères historiques Arguments paléoclimatiques de Wegener Les marques de glaciation indiquent que des portions de continents aujourd’hui séparés ont été recouvertes par une calotte glaciaire. Il est improbable qu'il ait pu y avoir glaciation sur des continents se trouvant dans la zone tropicale actuelle (sud de l'Afrique, Inde). La croix rouge indique la position du paléopôle Sud, et la courbe rouge celle du paléoéquateur, positions les plus favorables pour l’explication de la glaciation. Marques de glaciation (-250 MA) Source : fig. 34 de A. Wegener, op. cit., p.128 Reconstitution proposée par Wegener Les flèches rouges indiquent le sens des traces indiquant la direction et le sens d’écoulement des glaces. Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques Argument paléontologiques de Wegener Fossiles retrouvés dans divers continents Cynognathus = reptile prédateur terrestre (- 240 MA) Mesosaurus = reptile de lacs ( -260 MA) Lystrosaurus = reptile terrestre (- 240 MA) Glossopteris = "fougère" (- 240 MA) Comment des organismes terrestres n'ayant pas la capacité de traverser un si large océan ont-ils pu coloniser des aires continentales si éloignées les unes des autres? Reconstitution proposée par Wegener On suppose qu’autrefois, tous ces continents n'en formaient qu'un seul, la Pangée, présentant ainsi des aires de répartition cohérentes. D’après: http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/derive.html Quelques repères historiques Holmes (1928), formule pourtant l'hypothèse que des courants de convection dans le manteau serait à l’origine de forces de tension qui contribueraient à fracturer la croûte continentale. Des venues de magma seraient alors à l’origine de la croûte océanique. Cette idée n'est cependant pas suivie ni même débattue et l’idée d’un mobilisme global est difficilement acceptée. Continental block Old ocean basalt tension Old ocean compression Oceanic deep Mountain range compression New ocean new basalt Mountain range Oceanic deep Source: Schémas Ac Dijon SYNTHESE : la dérive des continents A. Wegener propose la théorie de la dérive des continents 1915 Arguments en faveur : - distribution bimodale des altitudes - tracés des côtes - distribution géographique des paléoclimats et de certains fossiles H. Jeffreys Contre arguments : 1924 - H. Jeffreys : forces de mouvements proposées sont insuffisantes - état solide de la quasi-totalité de la Terre A. Holmes 1928 Argument nouveau : A. Holmes propose que la convection mantellique serait la cause de la création de croute océanique qui ferait ainsi bouger les continents 1931 Rejet de la dérive des continents par réticences au changement ! « Si nous croyons l'hypothèse de Wegener, nous devons oublier tout ce que nous avons appris dans les soixante-dix dernières années et retourner sur les bancs de l'école. » R. T. Chamberlin, « Some of the objection to Wegener's Theory » Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques Harry Hammond Hess (1960) regroupe un ensemble de découvertes (topographie des fonds océaniques, anomalies du flux thermique au niveau des dorsales) en une unique hypothèse: l’expansion des fonds océaniques. Il établit un lien entre la mobilité des fonds océaniques, le mouvement des plaques et la nécessité d'une convection thermique mantellique. 1 4 km/sec 2 5 km/sec 3 Serpentinized 6,7 km/sec 8,1 km/sec 7,4 km/sec RIDGE c o o l e r CORE w a r m e r mantle 1000 km Possible geometry of mantle convection cell D’après History of Ocean Basins, H. H. HESS, Princeton University, Princeton, N. J. Quelques repères historiques En 1963, Morley, Vine et Matthews étudient le paléomagnétisme des basaltes des fonds océaniques. La distribution symétrique des anomalies enregistrées par rapport à l’axe des dorsales conduit à formuler l’hypothèse d’une expansion des fonds océaniques (L’idée de Hess (1962) d’une dynamique en « tapis roulant » des fonds océaniques est confirmée) Anomalies magnétiques de part et d’autre de la dorsale de Juan de Fuca Ax D T3 : polarité inverse Ax D 500 a b Ax D T2 : polarité normale 120 4 60 3 2 60 0 1 0 1 2 120 3 4 Km MA T1 : polarité inverse D’après schéma Ac Dijon Quelques repères historiques Observation de J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes en 1964 E Station Fidji Station Tonga 0 160 320 480 640 Prof. (km) F 100 km Rai sismique Foyers sismiques anciens Lors de l’enregistrement des ondes d’un séisme profond dont l’épicentre E est situé à égale distance de 2 stations d’enregistrement (Fidji et Tonga), on constate que les ondes P arrivent 2 sec. plus tard à la station Fidji qu’à la station Tonga. Comment l’expliquer ? Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques Observation de J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes en 1964 E Station Fidji Station Tonga 0 160 320 480 ? Propagation plus lente 640 Prof. (km) Propagation plus rapide F 100 km Rai sismique Foyers sismiques anciens Lors de l’enregistrement des ondes d’un séisme profond dont l’épicentre E est situé à égale distance de 2 stations d’enregistrement (Fidji et Tonga), on constate que les ondes P arrivent 2 sec. plus tard à la station Fidji qu’à la station Tonga. Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques Observation de J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes en 1964 E Station Fidji Station Tonga 0 160 320 480 ? Propagation plus lente 640 Prof. (km) Propagation plus rapide Indice 1 : On rappelle que plus un matériau est dense, plus la vitesse de propagation des séismes est élevée. F 100 km Rai sismique Foyers sismiques anciens Lors de l’enregistrement des ondes d’un séisme profond dont l’épicentre E est situé à égale distance de 2 stations d’enregistrement (Fidji et Tonga), on constate que les ondes P arrivent 2 sec. plus tard à la station Fidji qu’à la station Tonga. Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques Observation de J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes en 1964 E Station Fidji Station Tonga 0 160 320 480 ? Propagation plus lente 640 Prof. (km) Indice 2 : Tiens… il y a une fosse ici ! Propagation plus rapide F 100 km Rai sismique Foyers sismiques anciens Lors de l’enregistrement des ondes d’un séisme profond dont l’épicentre E est situé à égale distance de 2 stations d’enregistrement (Fidji et Tonga), on constate que les ondes P arrivent 2 sec. plus tard à la station Fidji qu’à la station Tonga. Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques Observation de J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes en 1964 Indice 3 : Etude par tomographie sismique. Les zones colorées révèlent des anomalies de vitesse soit positives (bleues) soit négatives (rouge) D’après Zhao et al., 1997 Idem vu en coupe. Image obtenue en 1997 par le traitement d'environ 926 séismes. D’après http://raymond.rodriguez1.free.fr Quelques repères historiques Observation de J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes en 1964 E Station Fidji Station Tonga 0 160 320 480 Propagation plus rapide car matériau plus dense Propagation plus lente 640 Prof. (km) F 100 km Rai sismique Foyers sismiques anciens L’anomalie positive de vitesse des ondes parcoutant le trajet F Tonga est interprété par l’existence d’un matériau froid et dense (lithosphère océanique) qui plonge par subduction dans l’asthénosphère plus ductile. Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques Observation de J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes en 1964 Coupe hypothétique à travers Les Fiji, Tonga et Rarotonga selon Oliver et Isacks, 1967 D’après ENS Lyon Quelques repères historiques Observation de J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes en 1964 Cette interprétation complète ainsi les travaux de Wadati (1930) et Benioff (1955) qui avaient remarqué dans certaines zones une répartition géométrique précise des foyers sismiques en fonction de la profondeur (suivent un plan incliné qu’on appellera plus tard plan de Wadati-Benioff) Évolution du plan de W-B au Nord de la fosse des Mariannes Sismicité entre 1973 et 2003 D’après CNRS Remarque Les observations de J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes au niveau des Tonga ont été complétées plus récemment. Les études font apparaître une particularité du « slab » (panneau de lithosphère océanique plongeante): Sa forme en « S » pour certaines latitudes semble souligner la discontinuité mantellique des 660 Km (transition minéralogique entre le manteau supérieur et le manteau inférieur). Répartition des foyers sismiques à la latitude 17°S Source : Frohlich and Davis, 1999 Tomographie sismique au niveau des Tonga D’après Van Der Hilst, 2001 Remarque Les observations de J. Oliver, B. Isacks et L. Sykes au niveau des Tonga ont été complétées plus récemment. Les études font apparaître une particularité du « slab » (panneau de lithosphère océanique plongeante): Sa forme en « S » pour certaines latitudes semble souligner la discontinuité mantellique des 660 Km (transition minéralogique entre le manteau supérieur et le manteau inférieur). Source:« Le visage sous marin de la Terre, Y. Lagabrielle Remarque Les études révèlent aussi que pour cette même zone de subduction, la forme du « slab » peut varier localement (ici selon différentes latitudes) Répartition des foyers sismiques au niveau de la fosse des Tonga aux latitudes 17°S, 13°S, 26°S et 32°S Source : Frohlich and Davis, 1999 Quelques repères historiques Modèle à 6 plaques de Xavier Le Pichon (1968) Il montre que la surface du globe peut être divisée en 6 grandes plaques lithosphériques dont il détermine les frontières à partir de l'activité tectonique et calcule les pôles de rotation de leur mouvement relatif depuis 120 millions d'années. Il montre ainsi que les mouvements des fonds océaniques, déterminés à partir des études paléomagnétiques, peuvent se modéliser en termes géométriques simples. D’après ENS Lyon SYNTHESE: De la dérive des continents à la tectonique des plaques H. Hess La découverte de la topographie océanique permet d’imaginer une expansion océanique par accrétion de matériau remontant à l’axe des dorsales 1960 J. Vines & D. Matthews 1963 Mise en évidence d’anomalies magnétiques symétriques prp à l’axe des dorsales confirme l’hypothèse de l’expansion océanique et permet de calculer des vitesses d’expansion des océans. J. Oliver & B. Isacks Interprétation du plan de Wadati-Benioff comme la trace de la lithosphère océanique retournant dans l’asthénosphère. Ces lieux de disparition de la lithosphère océanique seront les futures zones de subduction. 1967 1968 Le Pichon, Morgan, Mac Kenzie Découpage de la lithosphère en plaques peu déformables sauf aux frontières de celles-ci où on retrouve 3 types de déplacements cohérent avec la géométrie d’une sphère : divergent (dorsales), convergent (subduction) et décrochant (failles transformantes). Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques La vérification du modèle : L’âge des fonds océaniques Le modèle prévoit donc que la croûte océanique est d'autant plus vieille qu'on s'éloigne des dorsales : les résultats des forages sous-marins vont le confirmer. DSDP (Deep Sea Drilling Program) de 1968 à 1983 avec le navire Glomar Challenger Source : Wikipedia Quelques repères historiques La vérification du modèle : L’âge des fonds océaniques -ODP (Océan Drilling Program) de 1985 à 2003 avec le navire JOIDES Resolution (Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling) D’après http://raymond.rodriguez1.free.fr Quelques repères historiques La vérification du modèle : L’âge des fonds océaniques - DSDP (Deep Sea Drilling Program) de 1968 à 1983 avec le navire Glomar Challenger Les âges ont été établis à partir de l’étude des microfossiles et confirmés dans quelques cas par datation radiochronologique des basaltes sous-jacents. 2000 km Océan 20 14 Montevideo 21 19 15 Localisation des forages et datation des plus anciens sédiments au contact des basaltes Atlantique 16 forages Distances à la dorsale (Kms) 16 15 18 17 14 19 20 21 200 400 500 625 750 1010 1400 1750 17 18 Le Cap Ages des 1ers sédiments déposés le plancher océanique (MA) 10 22 23,5 31 39 47 66 72 Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques La vérification du modèle : L’âge des fonds océaniques - DSDP (Deep Sea Drilling Program) de 1968 à 1983 avec le navire Glomar Challenger Les âges ont été établis à partir de l’étude des microfossiles et confirmés dans quelques cas par datation radiochronologique des basaltes sous-jacents. les sédiments au contact des basaltes sont de plus en plus anciens à mesure que l'on s'éloigne de l'axe de la dorsale 2000 km Océan 20 14 Montevideo 21 19 15 Localisation des forages et datation des plus anciens sédiments au contact des basaltes Atlantique 16 forages Distances à la dorsale (Kms) 16 15 18 17 14 19 20 21 200 400 500 625 750 1010 1400 1750 17 18 Le Cap Ages des 1ers sédiments déposés le plancher océanique (MA) 10 22 23,5 31 39 47 66 72 Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques La vérification du modèle : L’âge des fonds océaniques - DSDP (Deep Sea Drilling Program) de 1968 à 1983 avec le navire Glomar Challenger 35 30 25 20 15 épaisseur relative des sédiments 40 représentation simplifiée des carottes de forages sédiments récents (0 à -23,5 MA): actuel à miocène sédiments (-23,5 à -65 MA ): oligocène-paléocène sédiments( -65 à-96 MA): Crétacé sup, 10 basalte du fond océanique 5 0 forage 16 forage 15 forage 18 forage 17 forage 14 forage 19 forage 20 forage21 forages Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques La vérification du modèle : L’âge des fonds océaniques - DSDP (Deep Sea Drilling Program) de 1968 à 1983 avec le navire Glomar Challenger 35 30 25 20 15 épaisseur relative des sédiments 40 représentation simplifiée des carottes de forages sédiments récents (0 à -23,5 MA): actuel à miocène sédiments (-23,5 à -65 MA ): oligocène-paléocène sédiments( -65 à-96 MA): Crétacé sup, 10 basalte du fond océanique 5 0 forage 16 forage 15 forage 18 forage 17 forage 14 forage 19 forage 20 forage21 forages plus on s’éloigne de l’axe de la dorsale, plus le nombre de strates de sédiments forés est grand car la durée de sédimentation est longue Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques - DSDP (Deep Sea Drilling Program) de 1968 à 1983 avec le navire Glomar Challenger Carte simplifiée de l’âge des 1ers sédiments marins de l’Atlantique Sud Afrique Amérique du Sud 550 km 0 - 5,3 - 23,5 - 34 - 53 - 65 - 96 - 135 MA Plio-IV Miocène Oligocène Eocène Paléocène Crétacé sup. Crétacé inf. d’après P. Bouysse- carte géologique du Monde Quelques repères historiques - DSDP (Deep Sea Drilling Program) de 1968 à 1983 avec le navire Glomar Challenger Carte simplifiée de l’âge des 1ers sédiments marins de l’Atlantique Sud Afrique Amérique du Sud les dépôts sédimentaires sont symétriques de part et d'autre de la dorsale 550 km 0 - 5,3 - 23,5 - 34 - 53 - 65 - 96 - 135 MA Plio-IV Miocène Oligocène Eocène Paléocène Crétacé sup. Crétacé inf. d’après P. Bouysse- carte géologique du Monde Quelques repères historiques L’étude des âges des premiers dépôts sédimentaires recouvrant les fonds océaniques confirment en tout point ceux obtenus par le paléomagnétisme. D’après http://raymond.rodriguez1.free.fr Quelques repères historiques CONCLUSION: L’étude de l’âge des premiers sédiments au contact des basaltes océaniques renforce bien le modèle de l’expansion océanique et d’une certaine manière celui de la tectonique globale. + jeune + ancien Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques La cinématique globale des plaques Le modèle NUVEL-1 (De Mets et al., 1990 ; 1994) est basé sur des données géologiques caractérisant les mouvements des plaques sur les 3 derniers MA. Plusieurs types de représentations de ce modèle sont proposées: -Le premier type de représentation donne pour chaque frontière de plaque la direction et l'amplitude du mouvement de part et d'autre de cette frontière. C'est donc très voisin de ce qu'on représente classiquement depuis 1967. Il s'agit donc de mouvements relatifs, qui ne permettent pas facilement de voir le mouvement "réel" d'une plaque. - Un deuxième type de représentation prend comme repère un "repère supposé fixe et intrinsèque à la Terre". Par exemple, on suppose que les points chauds sont fixes, et on minimise le mouvement global de l'ensemble de toutes les plaques. Dans ce cas, on obtient des mouvements absolus. Quelques repères historiques La cinématique globale des plaques: vitesses relatives Découpage de la lithosphère en 16 plaques suivant le modèle NUVEL-1 (vitesses relatives) Quelques repères historiques La cinématique globale des plaques: vitesses absolues Schéma des traces laissées par l’activité volcanique d’un point chaud à la surface de la lithosphère Volcan éteint Volcan actif Point chaud Cette idée de cinématique absolue vient du fait qu’en première approximation, on considère les points chauds comme relativement fixes par rapport à l’ampleur des mouvements des plaques lithosphériques. Cette hypothèse, satisfaisante pour les 3 derniers millions d’années, ne peut être appliquée sur des intervalles de temps beaucoup plus longs. Source: Schémas Ac Dijon Quelques repères historiques La cinématique globale des plaques: vitesses absolues La direction et la vitesse du déplacement d'une plaque tirées de l'étude des alignements volcaniques de points chauds sont conformes à celles déduites de l'étude du paléomagnétisme et de l’étude des sédiments océaniques. Le modèle de la tectonique des plaques est une fois de plus renforcé. Age des 1ers sédiments déposés sur le plancher océanique - d’après Google Earth Volcans de l’archipel d’Hawaï (âges en MA) - d’après Google Earth - Archipel d’Hawaï Dorsale Volcans anciens Direction et sens du déplacement de la plaque pacifique Volcans actifs Quelques repères historiques La cinématique globale des plaques Le système DORIS (Détermination d'Orbite et Radiopositionnement Intégrés par Satellite ) est comparable au système GPS. C’est un système français conçu et développé par le CNES, le Groupe de recherche en Géodésie Spatiale et l'IGN, pour déterminer l'orbite des satellites et localiser avec précision des stations au sol. Les mesures sont effectuées à partir de trois satellites : TOPEX-POSÉIDON, SPOT3 et SPOT4 SYNTHESE : Le renforcement du modèle 1968 Glomar Challenger Depuis les années 1970, les campagnes de forages des fonds océaniques ont permis de dater les sédiments et de vérifier les vitesses de l’expansion océanique Tomographie sismique 1970 La tomographie sismique permet par l’étude des anomalies de vitesses des ondes de connaître la dynamique du manteau et de la lithosphère océanique. GPS 1980 Grâce au réseau de satellites GPS, les vitesses d’expansion détectées sont instantanées par un suivi continu ce qui permet d’observer une cinématique globale et de passer à un modèle à 12 plaques lithosphériques. Source: Schémas Ac Dijon I – Quelques repères historiques De la dérive des continents à la tectonique des plaques Le renforcement du modèle II – les plaques, des unités cinématiques Limites verticales et horizontales Approche cinématique III – Mouvements relatifs: l’apport de la sismotectonique III – Phénomènes géodynamiques aux frontières de plaques (…A suivre) Les plaques lithosphériques: limites verticales et horizontales DEFINITION: Les plaques sont des blocs lithosphériques de grandes dimensions, globalement rigides, sauf sur leurs frontières où se localisent les déformations . REMARQUE: Il est aujourd’hui admis que les plaques ne sont pas absolument rigides mais peuvent avoir un comportement plus ou moins élastique et subir des déformations. Les plaques lithosphériques: limites verticales et horizontales Suivant la nature de la croûte qui participe à la lithosphère, on distingue: -Des plaques purement océaniques (Pacifique, Nazca, Cocos, Philippines) -Des plaques mixtes avec passage latéral de la croûte océanique à la croûte continentale (Afrique, Eurasie, Amérique du Sud, Amérique du Nord, Antarctique) -Plus rarement des plaques continentales (plaques anatolienne et iranienne définies dans certains modèles). Les plaques lithosphériques: limites verticales et horizontales Limite verticale -Sur le plan sismologique (ou géophysique) sommet de la LVZ (donc sur le plan thermique isotherme 1300 °C). 100 Km en moyenne. RAPPEL : Ce niveau est fluctuant, comme celui du Moho d’ailleurs (épaississement dans les chaînes de montagnes et amincissement dans les secteurs de rifting ou d’accrétion) En moyenne: Lithosphère océanique = 80 à 100 Km loin des dorsales Lithosphère continentale = 150 à 200 Km Rigide, cassant Ductile D’après http://raymond.rodriguez1.free.fr Les plaques lithosphériques: limites verticales et horizontales Limite verticale -Sur le plan pétrographique (roches) Pas de limite puisque on est « quelque part » dans les péridotites du manteau D’après http://raymond.rodriguez1.free.fr Les plaques lithosphériques: limites verticales et horizontales Limites horizontales: Matérialisées par des frontières où l’activité géologique affectant la lithosphère est concentrée: Activité sismique, volcanique et déformations. D’après animation Claude Perrin (Biologie en flash) Les plaques lithosphériques: limites verticales et horizontales Limites horizontales: Matérialisées par des frontières où l’activité géologique affectant la lithosphère est concentrée: Activité sismique, volcanique et déformations. Volcanisme explosif Volcanisme effusif basaltique Volcanisme de dorsale D’après animation Claude Perrin (Biologie en flash) Les plaques lithosphériques: limites verticales et horizontales Limites horizontales: Matérialisées par des frontières où l’activité géologique affectant la lithosphère est concentrée: Activité sismique, volcanique et déformations. D’après animation Claude Perrin (Biologie en flash) Les plaques lithosphériques: limites verticales et horizontales Limites horizontales: Matérialisées par des frontières où l’activité géologique affectant la lithosphère est concentrée: Activité sismique, volcanique et déformations. Vitesses relatives de l’écartement ou du rapprochement de 2 plaques (cm / an) D’après animation Claude Perrin (Biologie en flash) Cinématique des plaques lithosphériques À l’échelle locale ou régionale (sur des distances maximales de l’ordre du millier de kilomètres), les mouvements des plaques peuvent être décrits comme des translations planes à la surface de l’asthénosphère. Vitesses relatives de l’écartement ou du rapprochement de 2 plaques (cm / an) Cinématique des plaques lithosphériques À l’échelle locale ou régionale (sur des distances maximales de l’ordre du millier de kilomètres), les mouvements des plaques peuvent être décrits comme des translations planes à la surface de l’asthénosphère. À l’échelle globale, on doit prendre en compte la forme sphérique de la Terre à la surface de laquelle toute droite devient un arc de cercle, et tout mouvement « horizontal » devient une rotation. La géométrie eulérienne remplace alors la géométrie euclidienne dans la description du mouvement des plaques. Vitesses relatives de l’écartement ou du rapprochement de 2 plaques (cm / an) Cinématique des plaques lithosphériques Chaque plaque est donc animée d’un mouvement de rotation autour d’un axe passant par le centre de la Terre et perçant sa surface en deux points diamétralement opposés (pôle eulérien de rotation). La détermination d’un pôle et d’une vitesse angulaire de rotation ω suffisent pour déterminer la trajectoire et la vitesse linéaire V de déplacement de tout point de cette plaque par rapport à une autre plaque voisine. Cette vitesse linéaire V d’un point M est tangente au petit cercle passant par le point en question et sa norme est déduite de la relation: V = ω.R.sin(Δ) Avec R = rayon de la Terre Et Δ = la distance angulaire entre le point considéré et son pôle de rotation (La distance angulaire est l'angle formé par deux points d'un cercle, le sommet de l'angle étant le centre du cercle). Au pôle de rotation, Δ = 0 ou 180°. La vitesse V est nulle lorsque le point se situe au pôle de rotation et maximale lorsque le point se trouve sur l’équateur eulérien. ω est généralement exprimé en radian/MA et V en mm/an Les failles transformantes La carte topographique ou celle de l’âge des fonds océaniques révèle des discontinuités au niveau de l’axe de la dorsale présence de failles qui décalent la dorsale ou les bandes de terrains de même âge. Les failles transformantes Rappel: Différents types de failles http://raymond.rodriguez1.free.fr Les failles transformantes L’axe des dorsale et recoupé par des failles en décrochement. Il s’agit de failles transformantes. Les failles transformantes Un exemple de faille transformante: La faille de San Andreas (Californie) Carrizo Plain (Nord Ouest de Los Angeles) Les failles transformantes Déplacement à la surface d’une sphère (vue polaire) À la surface d'une sphère, les seuls déplacements pouvant se produire sont des rotations autour d'un axe. Tous les points d'un objet qui se déplace sur une sphère ont donc la même vitesse angulaire mais ils ont une vitesse linéaire différente qui dépend de leur distance à l'axe de rotation. Le points situés vers l'équateur se déplacent donc plus vite que les points situés vers les pôles car leur rayon de rotation est plus grand. http://raymond.rodriguez1.free.fr Les failles transformantes Modèle de déplacement d'une plaque rigide sur une sphère de diamètre constant Axe de rotation V1 V2 B V3 A Frontière divergente (dorsale) D’après animation Geosciences 3D Les failles transformantes Modèle de déplacement d'une plaque rigide sur une sphère de diamètre constant Axe de rotation V1 V2 V2 B V3 A V3 D’après animation Geosciences 3D Les failles transformantes Modèle de déplacement d'une plaque rigide sur une sphère de diamètre constant Axe de rotation V1 V2 V2 B V3 A Faille transformante V3 La plaque A est en rotation par rapport à la plaque B. Dans un matériau rigide comme la lithosphère, les variations de vitesse (V3 > V2 > V1) provoquent des tensions à l'origine des failles transformantes parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe des dorsales. D’après animation Geosciences 3D Les failles transformantes Dans le cas d'une faille transformante reliant deux portions d'une dorsale, il n'y a un mouvement relatif (flèches rouges) qu'entre les segments de dorsale (points m et n). Axe de la dorsale Compartiment A m n Compartiment B Les failles transformantes En vue polaire (ci dessous), les failles transformantes sont des arc de cercles concentriques. Axe de rotation B N Axe de rotation A Un segment de faille transformante représente en quelques sorte une trace du déplacement des plaques. L’étude de leur géométrie permet donc de déterminer la position des pôles de rotation. Les failles transformantes CONCLUSION: Deux jeux de force opposés agissent sur les plaques lithosphériques : – les contraintes liées à la rotation, qui imposent un écartement plus important à l’équateur eulérien qu’au pôle eulérien. – les contraintes liées à la production de magma, qui imposent une vitesse d’écartement uniforme sur toute la longueur de la dorsale. Ces forces provoquent la fracturation de la lithosphère : des frontières coulissantes se mettent en place, ce sont les failles transformantes, qui « transforment » le mouvement de rotation en mouvement linéaire. Les failles transformantes CONCLUSION: Deux jeux de force opposés agissent sur les plaques lithosphériques : – les contraintes liées à la rotation, qui imposent un écartement plus important à l’équateur eulérien qu’au pôle eulérien. – les contraintes liées à la production de magma, qui imposent une vitesse d’écartement uniforme sur toute la longueur de la dorsale. Ces forces provoquent la fracturation de la lithosphère : des frontières coulissantes se mettent en place, ce sont les failles transformantes, qui « transforment » le mouvement de rotation en mouvement linéaire. Ces failles prouvent bien que les plaques lithosphériques ont un comportement globalement rigide : elles se déforment peu mais peuvent se fracturer sous l’effet de contraintes importantes. I – Quelques repères historiques De la dérive des continents à la tectonique des plaques Le renforcement du modèle II – les plaques, des unités cinématiques Limites verticales et horizontales Approche cinématique III – Mouvements relatifs: l’apport de la sismotectonique III – Phénomènes géodynamiques aux frontières de plaques (…A suivre) L’apport de la sismotectonique Nous avons vu que: -Les failles sont associées à une activité sismique importante -La géométrie des les failles transformantes peut nous renseigner sur la direction et le sens des déplacements entre deux plaques. Cela est d’autant plus facile que ces failles sont généralement bien apparentes. L’apport de la sismotectonique Nous avons vu que: -Les failles sont associées à une activité sismique importante -La géométrie des les failles transformantes peut nous renseigner sur la direction et le sens des déplacements entre deux plaques. Cela est d’autant plus facile que ces failles sont généralement bien apparentes. Dans certains cas, l’observation directe est impossible et (ou) on ne peut pas déterminer le sens du déplacement relatif (exemple: failles qui n’atteignent pas la surface mais sur laquelle sont pourtant situés des foyers sismiques en profondeur) On a alors recours à l’étude des mécanismes au foyer des séismes. L’apport de la sismotectonique Quelques rappels sur l’enregistrement des séismes: Les dispositifs d’enregistrements sont des sismomètres. Les enregistrements obtenus des sismogrammes. Une station d’enregistrement possède généralement trois sismographes disposés perpendiculairement, deux d’entre eux dans le plan horizontal, le troisième vertical ; Cette disposition permet de d’étudier précisément dans l’espace les modalités de propagation des ondes sismiques RAPPEL: Ondes P en compression, S en cisaillement, ondes de surface multidirectionnelles z x y L’apport de la sismotectonique Comment déterminer un mouvement relatif de part et d’autre d’une faille en étudiant un enregistrement sismique ? F = Foyer sismique; E = épicentre du séisme S1, S2 et S3 = stations d’enregistrement S1 S2 Dans cet exemple, on enregistre la composante verticale du séisme S1 S2 E F S3 S3 L’apport de la sismotectonique Principe: On se base sur la direction des mouvements du sol à l’arrivée des ondes P, tout particulièrement au premier mouvement: Dans certains cas, le sol commence à se soulever (la station est « poussée » vers l’extérieur) d’où un premier pic vers le haut. Dans l’exemple, c’est le cas de la station 2. Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique Principe: Que peut on déduire alors de enregistrement en S1? Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique Principe: En S1, la première onde P est « vers le bas ». Elle traduit donc un affaissement de la partie du sol sur lequel elle est située. Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique Principe: Ces 2 indications suffisent pour déterminer le mouvement relatif de part et d’autre de la faille. Alors, faille inverse ou faille normale ? Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique Principe: Ces 2 indications suffisent pour déterminer le mouvement relatif de part et d’autre de la faille. L’affaissement en S1 et le soulèvement en S2 traduit un mouvement relatif de faille inverse. Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique Principe: Ces 2 indications suffisent pour déterminer le mouvement relatif de part et d’autre de la faille. L’affaissement en S1 et le soulèvement en S2 traduit un mouvement relatif de faille inverse. On peut dire aussi que la zone proche de S1 est en dilatation, alors que la zone en S2 est en compression. Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: Pour traduire conventionnellement la nature du type de déformation (dilatation ou compression), on utilise une sphère virtuelle à 4 secteurs, 2 en compression (noir ou +) et 2 en dilatation (blanc ou -), séparés par 2 plans nodaux perpendiculaires entre eux qui se croisent au niveau du foyer (un des plan nodaux est le plan de faille) Dans le cas présent, la sphère en vue latérale aura cet aspect: S1 S2 E F Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: Voyons l’aspect de l’enregistrement en S3… Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: L’enregistrement en S3 est bien conforme aux informations données par la sphère focale: la première onde P (vers le bas) traduit un affaissement et la station et se situe bien dans le domaine blanc (en dilatation). Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: Les secteurs traduisent aussi un régime de déformation par rapport au foyer. Dans ce cas, on dira que les secteurs noirs sont des quadrants en tension pour le foyer… Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: …et les secteurs blancs en pression pour le foyer. Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: On a coutume d’utiliser des projections de la sphère focale dans un plan horizontal. Imaginons qu’un observateur regarde la sphère « par dessus ». Sismogrammes (ondes P) S1 S2 Que va-t-il voir ? S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: …Voilà l’aspect de la sphère focale en projection horizontale Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: Ainsi, on peut associer cette représentation (projection horizontale): Sismogrammes (ondes P) S1 …à une faille inverse S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: Imaginons alors une situation de faille normale… On peut même changer l’orientation de la faille si on veut… Dans ce contexte, quel sera l’aspect de la sphère focale ? Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: La sphère focale en projection verticale aura cet aspect: Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: …et son aspect en projection horizontale ? Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: Pour une faille normale, l’aspect de la sphère focale en projection horizontale sera: Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: Quels seront alors l’aspect des sismogrammes enregistrés en S1, S2 et S3 ? Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: S2 se situe dans le quadrant blanc, donc le premier mouvement en S2 est « en dilatation »; c’est un affaissement donc 1er pic « vers le bas ». Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: S1 et S2 se situent dans des quadrants noirs, donc premier mouvement aux stations « en compression ». Le sol s’est soulevé donc 1er pic « vers le haut ». Sismogrammes (ondes P) S1 S2 S3 S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique La sphère focale: Sur ce principe, on donc peut imaginer différentes situations, où la projection horizontale de la sphère focale donne comme indication: -La direction des plans nodaux (dont un sera le plan de faille) - Le type de déformation (faille normale donc contexte distensif, faille inverse donc contexte de convergence, faille décrochante donc cisaillement) L’apport de la sismotectonique La sphère focale: Sur ce principe, on donc peut imaginer différentes situations, où la projection horizontale de la sphère focale donne comme indication: -La direction des plans nodaux (dont un sera le plan de faille) - Le type de déformation (faille normale donc contexte distensif, faille inverse donc contexte de convergence, faille décrochante donc cisaillement) On peut encore compliquer en imaginant des situations « hybrides » Exemple : Faille inverse avec cisaillement …et la sphère focale correspondante en projection horizontale L’apport de la sismotectonique L’apport de la sismotectonique REMARQUE L’aspect de la sphère focale permet de préciser le régime de déformation mais pas la position du plan de faille: En effet, elle représente deux plans nodaux dont un seul est le plan de faille. Il y a donc une indétermination de 90° qui peut être levée par la prise en compte de données complémentaires (distribution des foyers selon un le plan de Wadati-Benioff dans une zone de subduction, mesure du pendage par observation directe…) S1 S2 E ? F S3 L’apport de la sismotectonique EXEMPLE Si nous avons en projection horizontale cette sphère focale: On sait bien sûr que l’on aura affaire à une faille normale mais il y aura 2 possibilités: Celle-ci: S1 S2 E F S3 L’apport de la sismotectonique EXEMPLE Si nous avons en projection horizontale cette sphère focale: Et celle-ci: S1 S2 E F S3 Aspects sismotectoniques de la subduction Un dernier exemple pour bien comprendre: Mécanismes au foyer et répartition des séismes au niveau de la zone de subduction des Tonga Schéma de la subduction au niveau des Fidji / Tonga Source:« Le visage sous marin de la Terre, Y. Lagabrielle Séismes ayant lieu au sein de la plaque supérieure, entre 0 et 40 km de profondeur, situés à une distance minimale pour laquelle le slab atteint les 60 km de profondeur Quelle mise en relation peut on établir entre ces 3 documents ? A B D’après A. Heuret, 2005 et Frohlich and Davis, 1999 Aspects sismotectoniques de la subduction Un dernier exemple pour bien comprendre: Mécanismes au foyer et répartition des séismes au niveau de la zone de subduction des Tonga Schéma de la subduction au niveau des Fidji / Tonga Source:« Le visage sous marin de la Terre, Y. Lagabrielle Séismes ayant lieu au sein de la plaque supérieure, entre 0 et 40 km de profondeur, situés à une distance minimale pour laquelle le slab atteint les 60 km de profondeur On a une distension en A (sphères focales traduisant des failles normales) … c’est la formation du bassin d’arrière arc (Bassin du Lau). A B D’après A. Heuret, 2005 et Frohlich and Davis, 1999 Aspects sismotectoniques de la subduction Un dernier exemple pour bien comprendre: Mécanismes au foyer et répartition des séismes au niveau de la zone de subduction des Tonga Schéma de la subduction au niveau des Fidji / Tonga Source:« Le visage sous marin de la Terre, Y. Lagabrielle Séismes ayant lieu au sein de la plaque supérieure, entre 0 et 40 km de profondeur, situés à une distance minimale pour laquelle le slab atteint les 60 km de profondeur …et un régime compressif en B (contraintes liées à la subduction) A B D’après A. Heuret, 2005 et Frohlich and Davis, 1999 I – Quelques repères historiques De la dérive des continents à la tectonique des plaques Le renforcement du modèle II – les plaques, des unités cinématiques Limites verticales et horizontales Approche cinématique III – Mouvements relatifs: l’apport de la sismotectonique III – Phénomènes géodynamiques aux frontières de plaques (…A suivre) Aperçu des différents type de frontières des plaques lithosphériques FRONTIERES EN DIVERGENCE Rift continental FRONTIERES EN DECROCHEMENT FRONTIERES EN CONVERGENCE Failles transformantes océaniques Subduction entre 2 lithosphères océaniques Exemple : Rift Africain Exemple : Antilles Accrétion océanique Failles transformantes continentales Exemple : Dorsale Atlantique Exemple : Faille de San Andréas Subduction entre lithosphère océanique et continentale Exemple : Côte Ouest Amérique Collision continentale Exemple : Alpes …A suivre ! (voir cours « Phénomènes géodynamiques aux frontières de plaques ») FIN
