Granite Gabbro Métagabbro à hornblende. Métagabbro à glaucophane. Gneiss. Migmatite 31/01/2018 1

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1 Granite Gabbro Métagabbro à hornblende Métagabbro à glaucophane Gneiss Migmatite 31/01/2018 1

2 Bretagne granite 31/01/2018 2

3 Thème 1 La Terre dans l Univers, la vie et l évolution du vivant 2 ème partie Le domaine continental et sa dynamique Les caractéristiques de la lithosphère continentale et son évolution. - Ses caractéristiques physiques : densité, épaisseur, âge. - Son raccourcissement et son empilement dans les zones de collision. - Sa production : le magmatisme des zones de subduction. Chapitre 1 Chapitre 2 Chapitre 3 Chapitre 4 31/01/2018 3

4 Problème : quelles sont les caractéristiques de la croûte continentale, comment se metelle en place? Chapitre 1 La caractérisation du domaine continental : lithosphère continentale, reliefs et épaisseur crustale I Les caractéristiques de la croûte TS-tp-p1B-10-CC caracteristiques TS-tp-p1B-11-CC mecanismes illu_ts_p1b_chap1 Activité 2 p En Corse à m. Le point culminant étant en Asie : Mont Everest (8 847 m). Le point le plus bas dans le Pacifique : La fosse des Mariannes ( m). La profondeur moyenne des océans est estimée à m, l altitude moyenne est estimée à 840 m. 2. L altitude la plus fréquente sur les continents est de 300 m et dans les océans de 4800 m. 3. La croûte est située au-dessus du Moho, l épaisseur moyenne de la croûte continentale est de 35 km, l épaisseur moyenne de la croûte océanique est de 6 km. 4. La croûte continentale possède une densité de 2,7 soit plus faible que la croûte océanique 2,9. Les croûtes continentale et océanique sont (de nature et) de densité différente, alors comme le propose le modèle d'isostasie d'airy, la croûte océanique doit être située plus en profondeur que la croûte continentale. L altitude moyenne des continents et des océans s explique donc aisément ainsi que la distribution bimodale des altitudes. 5. Clé p. 398, roche magmatique entièrement cristallisée avec des cristaux visibles à l œil nu de quartz, de feldspath et de micas (structure grenue). Il s agit du granite. 6. Caractéristiques des croûtes continentale et océanique : Propriétés Croûte continentale Croûte océanique Épaisseur moyenne 35 km 6 km Densité 2,7 2,9 Composition Granito-gneissique Basalte-gabbro Roches les plus âgées 4,4 Ga 180 Ma Activité 3 p La lithosphère océanique actuelle est âgée de moins de 200 Ma, alors que l on trouve des roches continentales âgées de 4,4 Ga (Australie). 2. Une méthode de datation isotopique la méthode du rubidium/strontium. Dans la méthode utilisant le Rubidium, la mesure du temps s effectue en mesurant les rapports isotopiques entre 87 Rb/ 86 Sr et 87 Sr/ 86 Sr de plusieurs minéraux différents d une même roche. Ainsi, on peut tracer à partir des points représentatifs de ces minéraux une droite dite isochrone. 31/01/2018 4

5 Lors de la cristallisation des minéraux, ils incorporent dans leurs réseaux cristallins des quantités différentes de rubidium et de strontium par contre, les proportions relatives des divers isotopes du Sr incorporées initialement par chaque minéral sont identiques. Le rubidium ( 87 Rb) est un isotope radioactif ; il se désintègre en strontium 87 Sr qui, lui, est un isotope stable. Ainsi, au cours du temps : le rapport 87 Rb/ 86 Sr diminue ; le rapport 87 Sr/ 86 Sr augmente. La pente de la droite l'isochrone augmente lorsque le temps avance. Plus une roche est ancienne, plus la pente de son isochrone est forte. Plus la roche est récente, plus la pente est faible. 3. Droite isochrone construite à partir des minéraux du granite d Athis. Coefficient directeur a = 0,007. L équation de la droite est de la forme y = ax+b, le coefficient directeur de la droite vaut (e λt - 1). On en déduit t = ln (a+1)/λ. Sachant que la constante de désintégration λ du couple 87 Rb /86 Sr est égale à 1, /an, la formule permet de calculer l âge du granite : 543 Ma +/- 27 Ma. 4. Une datation absolue est une datation aboutissant à un résultat donnant des âges exprimés en milliers ou en Ma. Cette méthode possède une marge d incertitude importante et l âge donné n a pas la précision que le terme d absolu peut sous-entendre, c est pourquoi les géologues préfèrent utiliser le terme de datation isotopique. II Les mouvements verticaux de la lithosphère Activité 1 p Soulèvement de cette région du Canada cm/6 000 ans soit 1,5 cm par an. Sachant que cette région était recouverte d un immense glacier de à ans, on imagine que la fonte de la calotte glaciaire a provoqué son soulèvement (principe d Archimède appliqué aux structures géologiques superficielles). Cette observation donne l impression que les parties les plus superficielles de la Terre "flottent" en équilibre hydrostatique, sur les couches inférieures. 2. Selon le modèle d Airy, milieu du XIXème siècle, les différentes hauteurs observées au niveau d un continent s expliquent par un enfoncement plus ou moins important de colonnes de roches de même densité dans le manteau lithosphérique. Cette hypothèse fait intervenir la notion de surface de compensation, au-dessus de cette surface les roches sont en équilibre sur les roches situées au-dessous. L hypothèse d'airy considère que la croûte a donc partout la même densité, ainsi sous les reliefs la croûte doit être épaissie de manière à créer un "flotteur" plus léger que le manteau qui l'entoure, qui va empêcher la topographie de s'enfoncer. Pratt suppose au contraire que la profondeur atteinte par la croûte est toujours identique, et qu en conséquence c'est la densité des compartiments qui change de manière à créer une topographie (une colonne de roches moins dense s élève alors qu une colonne plus dense s enfonce). Ce qui signifie que les éléments du paysage les plus élevés sont aussi, selon cette hypothèse les moins denses. 31/01/2018 5

6 Rem : Dans le phénomène d isostasie, la couche du manteau qui s oppose à la croûte rigide, ne se trouve pas au niveau de la base de la croûte (Moho), mais plus en profondeur à la limite entre lithosphère et asthénosphère, c est donc la lithosphère qui est en équilibre (isostasie) sur l asthénosphère. 3. Dans le modéle proposé, toutes les colonnes sont du même bois, donc même densité. Les différences de hauteur observées au-dessus du niveau d eau sont la conséquence de hauteurs différentes des colonnes (hypothèse d Airy). L exploitation prédictive de ce modèle indique que les reliefs sont compensés en profondeur par une racine. 4. La disparition de la masse de glace qui recouvrait le canada a provoqué une remontée de la croûte continentale ainsi allégée, il s agit donc d un rééquilibrage isostatique, encore appelé rebond isostatique postglaciaire. Ce mouvement est ralenti par la très grande viscosité du manteau lithosphérique et le soulèvement isostatique depuis la fusion des glaces n'est donc pas encore terminé actuellement. III Les caractéristiques d une chaîne de montagnes Activité 4 p L étude de la superposition des couches observées dans le Massif des Bornes, Haute Savoie (rochers de Leschaux) montre une anomalie stratigraphique puisqu une strate plus âgée (crétacé inférieur) recouvre une strate plus jeune (crétacé supérieur). Cette superposition se fait par l intermédiaire d une faille inverse. Il y a chevauchement des roches du crétacé inférieur sur des roches plus jeunes. Pour que de tels mouvements soient induits, la région a dû être soumise à des mouvements de convergence. 2. Dans les chaînes de collision, on peut observer des plis, des failles inverses, des chevauchements et des charriages (déplacement sur de grandes distances). Ces déformations permettent des superpositions de formations crustales qui produisent donc un épaississement au moins en surface de la croûte. Cet épaississement et ces déformations sont à l origine des reliefs des chaînes de montagnes. Schématiser, plis, faille, chevauchements et charriages. 3. L utilisation de modèles analogiques permet de comparer la nature des déformations observées sur le modèle et les observées sur le terrain. Les couches de sable colorées représentent les strates d un massif géologique qui sont compressées. Les couches se déforment en formant des plis, des failles inverses, déformations comparables à celles que l on observe sur le terrain dans les chaînes de montagnes. 4. Les déformations observées dans ce modèle sont des plis, des failles inverses, elles sont dues à la convergence provoquée. Ce mouvement provoque un raccourcissement et un épaississement. Les déformations observées dans ce modèle étant comparables à celles sur le terrain, elles permettent de confirmer que celles observées sur le terrain témoignent d un mouvement de convergence (raccourcissement) à l origine des chaînes de montagnes. 31/01/2018 6

7 Activité 5 p Les roches métamorphiques présentent parfois : - une orientation (ou réorientation) des minéraux qui lui donne une nouvelle structure : la foliation (gneiss) modifie la structure. - des transformations minéralogiques à l état solide (disthène en sillimanite), transformation chimique incomplète (puisque l on trouve les deux minéraux). Une roche métamorphique est donc une roche transformée, à l état solide, sans modification de sa composition chimique globale sous l effet de variations de température et de pression. 2. et 3. L évolution d un minéral lors du métamorphisme se fait à partir de sa périphérie. La sillimanite s est donc formée après le disthène. Domaine de stabilité de différents minéraux. Disthène et sillimanite sont deux minéraux partageant une même formule : Al2SiO5. Chaque minéral étant caractéristique d un domaine de pression et de température. Dans le cas de cette roche contenant du disthène, ce minéral a évolué vers la sillimanite par augmentation de température. 4. Dans les chaînes de montagnes, on peut observer des granites présentant des contacts diffus avec les roches métamorphiques avoisinantes. S il s agit de granite, il s agit de roches magmatiques donc de roches issues d un magma, il y a donc eu fusion des roches préexistantes. Sachant que le métamorphisme est un domaine encadré par les très basses températures (domaine non réalisé dans la nature), le domaine de la diagenèse (où les sédiments se transforment en roche, avec départ d'eau) et le domaine de haute température qui permet l'apparition d'un magma domaine dit d'anatexie. Pour obtenir ces granites, les conditions thermodynamiques ont dépassé les limites du métamorphisme par une augmentation de température et/ou de pression et ont atteint les conditions nécessaires pour une fusion partielle des roches préexistantes. 31/01/2018 7

8 Domaines de transformation des minéraux en fonction de la pression et de la température. 5. Les conditions thermodynamiques qui ont permis la mise en place des granites d anatexie s expliquent par : une augmentation de pression due à l enfouissement tectonique dans les chaînes de montagnes ; une augmentation de la température liée à l enfouissement (la température augmente avec la profondeur). Activité 6 p. 134 Aides à la résolution de la tâche complexe : Vous devez étudier deux caractéristiques : Démontrez que la chaîne himalayenne est une chaîne de collision étude de sa structure. Montrez que les roches présentées sont des roches issues d'une collision, roches métamorphiques et granites d'anatexie. 1. Recherchez les indices d un raccourcissement : plis, failles, épaississement de la croûte continentale. 2. Montrez que les roches présentées dans ces documents sont des roches métamorphiques. 3. Vous devez déterminer les conditions de formations de ces roches en vous aidant des domaines de stabilité des minéraux. En effet pour retrouver les conditions dans lesquelles une roche métamorphique a pu se former, il faut rechercher des minéraux repères qui n'ont pu cristalliser que dans des conditions P-T très particulières. Rechercher également si ces roches ne possèdent pas de déformations caractéristiques. Conclure sur le fait que ces roches sont le produit d une histoire complexe (augmentation de pression et de température) phénomènes que l on rencontre dans des zones tectoniquement actives comme les chaînes de montagnes. La coupe montre que l'himalaya s'est développé à la suite de déformations de la lithosphère indienne et plus particulièrement de sa croûte. L'épaisseur de la croûte indienne dans une région peu déformée est de 40 km environ, alors que plus au nord au cœur de la chaîne cette épaisseur peut atteindre les 70 km. L'épaississement de la croûte continentale est une caractéristique des chaînes de collision. On constate que cet épaississement est dû à des empilements d'écailles qui se 31/01/2018 8

9 sont superposées le long de grandes failles inclinées vers le nord : les plus importantes de ces failles entraînent des chevauchements. Ces chevauchements superposent des portions de croûte indienne situées au nord à d'autres, situées plus au sud produisant un raccourcissement et un épaississement caractéristique d'une chaîne de collision. Apparition de roches métamorphiques. Dans certaines zones les conditions étaient si importantes qu elles ont conduit à la fusion partielle des roches et à la formation d un magma granitique à l origine des granites qui se sont mis en place au niveau du FNH (Faille Normale Himalayenne). Un scénario possible pour la formation de ces roches : déformations puis mise en place de nappes de chevauchement à l origine d un épaississement important de la croûte ; modifications des conditions physiques de certaines roches qui vont se métamorphiser, et par endroits les conditions sont telles que la fusion partielle est possible à l origine des granitiques d anatexie. La croûte continentale, principalement formée de roches voisines du granite, est d'une épaisseur plus grande et d'une densité plus faible que la croûte océanique. L'âge de la croûte océanique n'excède pas 200 Ma, alors que la croûte continentale date par endroits de plus de 4 Ga. Cet âge est déterminé par radiochronologie. La lithosphère est en équilibre (isostasie) sur l'asthénosphère. Les différences d'altitude moyenne entre les continents et les océans s'expliquent par des différences crustales. Au relief positif qu'est la chaîne de montagnes, répond, en profondeur, une importante racine crustale. L'épaisseur de la croûte résulte d'un épaississement lié à un raccourcissement et un empilement. On en trouve des indices tectoniques (plis, failles, chevauchements, appes de charriages) et des indices pétrographiques (métamorphisme, traces de fusion partielle, migmatites). Les résultats conjugués des études tectoniques et minéralogiques permettent de reconstituer un scénario de l'histoire de la chaîne. Mots clés : croûte continentale : épaisseur, densité, âges, (radiochronologie), isostasie, anatexie, métamorphisme, plis, faille inverse, chevauchement, charriages, migmatites). Lire p. 136 à /01/2018 9