UE Planète Terre. Grands Processus Géodynamiques. Julie Perrot - U.B.O.

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1 UE Planète Terre Julie Perrot - U.B.O. Grands Processus Géodynamiques I - Frontières Divergentes Modèles de rifting Rift Continental Dorsale Océanique II - Frontières Convergentes Subduction Collision III - Frontières en décrochement Faille transformante Faille decrochante p. 1

2 La Divergence p. 2

3 Étapes de la divergence Amorce d un rift continental Dilatation de la matière chaude bombement de la lithosphère Forces de Tension Fracturation de la lithosphère et amorce la divergence Magma s infiltrent dans les fissures Volcanisme continental ex: Vallée du Rio Grande, USA Rift continental Si le mouvement de divergence se poursuit étirement de la lithosphère avec effondrement en escalier ce qui produit une vallée appelée RIFT CONTINENTAL Volcans et épanchement de laves le long des fractures ex: le rift-est Africain p. 3

4 Étapes de la divergence Dorsale océanique Plancher océanique Marge passive Premier plancher océanique Poursuite de l étirement le rift s enfonce sous le niveau de la mer l eau envahit la vallée Séparation de la lithosphère continentale et éloignement progressif Volcanisme sous-marin création d un plancher océanique basaltique: croûte océanique, de part et d autre d une dorsale embryonnaire Ex: la Mer Rouge Océan de type Atlantique Poursuite de la divergence étalement des fonds océaniques Dorsales bien individualisées, plaines abyssales (5000m de fond) et plateaux continentaux correspondant la marge de croûte continentale (marge passive) p. 4

5 Modèles de Rifting km amincissement symètrique amincissement disymètrique Amincissement symétrique Même taux d amincissement dans les 3 niveaux: Croûte supérieur cassante (faille normales), croûte inférieure ductile et manteau lithosphérique ductile Asthénosphère remonte sous la partie axiale du rift Amincissement dissymètrique Remontée de l asthénosphère décalée latéralement Failles normales dissymètriques dans la croûte supérieure Une grande zone de cisaillement ductile traverse toute la croûte continentale et peut-être même la lithosphère p. 5

6 Origine du Rifting Zones de rift initiées le long d hétérogénéités structurales ou thermiques qui affaiblissent localement la lithosphère (rift Baïkal: zone hétérogène entre plateforme Sibérienne et chaîne de montagne Sayan) Rifting actif Panache a un rôle moteur: provoque réchauffement de la base de la lithosphère, le bombement, l étirement et, éventuellement, la rupture au niveau du rift Rôle clé des panaches mantelliques dans la fracturation de la lithosphère continentale Rifting passif Forces extensives appliquées aux limites de la lithosphère qui entraînent son amincissement et la remontée de l asthénosphère (Fossé Rhénan) p. 6

7 Dorsale Océanique Bombements de fonds marins de grandes amplitudes mise en évidence en 1850 lors de la pose de câbles télégraphiques km de chaînes interconnectées sous la mer culminant en moyenne à 2500 m et 1000 à 3000 km de large Activité sismique, tectonique, volcanique et hydrothermale 21 km 3 /an de roches produites (volcanique et plutonique) contre 5.6 km 3 /an dans les zones de subduction et 3.4 km 3 p. 7 /an à l intérieur des plaques continen-

8 Dorsale Océanique: vitesse Dorsale rapide: entre 8 et 16 cm/an Dorsale Est-Pacifique (E.P.R.) au large du Chili (3 S) Dorsale lente à ultra-lente: entre 3 et 0.5 cm/an Dorsale Medio-Atlantique (M.A.R.) et Sud-ouest Indienne Dorsale intermédiaire: autour de 6 cm/an Dorsale du Chili Cas particuliers: Dorsale dans bassins Arrière-Arc et l Islande p. 8

9 Signature Bathymétrique ^ ile d arc insulaire marge active fosse m bombement 5000m plaine abyssale plateau continentale pente continentale (talus) vallée axiale glacis 2500m mont 200m sous marin 3000m 4000m 4000m 5000m dorsale plaine abyssale marge passive Profondeur moyenne 3800 m 3 grandes provinces: - les marges entre 200 et 600 m (actives et passives) - les plaines abyssales, profondeur moyenne 5000 m - les dorsales, profondeur moyenne 2500 m - Les reliefs localisés: mont sous-marin (volcan) p. 9

10 Dorsales: Bathymétrie 3 Ma Dorsale rapide Ma Dorsale intermèdiaire Ma Z.V.A. Z.T.A. Dorsale lente Corrélation entre vitesse et profil bathymétrique Failles normales crées et parallèles à l axe, puis transportées en évoluant plus ou moins de part et d autre Morphologie contrôlée par cycle tectono-volcanique: processus magmatiques intermittents et extension liée à la divergence continu p. 10

11 Dorsale lente: Bathymétrie 15 Ma Z.T.A. Z.V.A. Dorsale lente Vallée axiale de 10 à 20 km de large profonde de 1 à 2 km Vallée bordée par des murs présentants des marches Gradins de failles normales à regard interne (pendage vers l axe de la Vallée) Zone Tectonique Active (Z.T.A.) pouvant aller jusqu à 30 km de large Zone Volcanique Active (Z.V.A.) occupée par des volcans isolés et champs de lave très fissurés p. 11

12 Dorsale rapide: Bathymétrie 3 Ma Z.V.A. Z.T.A. Dorsale rapide Axe lisse avec dôme régulier en forme de U ou de V retournè très aplati Forme du dôme liée à la production magmatique Plus le dôme est large, plus la zone est à forte production magmatique Z.T.A. très réduite Pas de polarité des failles normales horsts et grabens de largeur kilométrique p. 12

13 Dorsale rapide et lente Dorsale rapide Dorsale lente p. 13

14 Dorsale rapide et lente Dorsale rapide: - caractéristique principale: topographie en Dôme lisse - caractéristiques secondaires: coulées de lave, fossés et grabens Dorsale lente: - caractéristique principale: vallée axiale - caractéristiques secondaires: volcans isolés et failles bordières p. 14

15 Création de la croûte océanique - Observations: Nautile (sous-marin) et R.O.V (robot) Création de croûte océanique à partir de magma issu de la fusion d un faible volume de manteau remontant à l axe p. 15

16 Dorsale rapide et lente Profondeur (km) Température ( C) solidus A gradient adiabatique B 20% de liquide début de fusion partiellé liquidus 15% 50% Fusion partielle des péridotites du manteau qui remonte à la surface Remontée adiabatique (= sans échange de chaleur) car la vitesse est relativement rapide Premier liquide à partir de 100 à 60 km de profondeur Taux de fusion Maximum entre 10 et 20 % MORB de composition homogène pour éléments majeurs en revanche diversité pour les éléments traces et isotopes due aux mécanismes d échanges, de fractionnement et de contamination p. 16

17 Segmentation des dorsales Segmentation de 1er ordre: Les Zones de Fracture - Décalage de plusieurs 100 aines km des dorsales par les failles transformantes, partie active des zones de fracture (sismicité), au delà, la zone de fracture est une structure inactive Segmentation de 2nd ordre: zone de fracture mineure ou OSC - Zones de fracture de 50 à 100 km - OSC (Overlapping Spreading Center): recouvrement latéral de 2 zones axiales des dorsales rapides, structure moins active du point de vue magmatiques notions de segments entre les dicontinuités de 2nd ordre Cette segmentation traduit la répartition des sources mantellique de fusion partielle sous l axe des dorsales p. 17

18 Segmentation des dorsales Les Zones de Fracture: Vallée large de quelques kilomètres dont le fond se situe en moyenne 2000 m plus bas que les épaules bordières OSC et discontinuités mineures: - moins profond que Z.F., haut topographiques entre les dicontinuités au centre du segment Plusieurs échelles de segments entre zones de fracture et entre discontinuités de 2nd ordre Variation de la profondeur des discontinuités en fonction de l activité magamatique des dorsales p. 18

19 Hydrothermalisme Développement de colonies animales sans photosynthèse au niveau des sorties de fluides très chauds Chimiobactéries produisant soufre et sulfate source hydrothermale = site de la synthèse de composés organiques qui donnèrent naissance aux 1ers organismes? Constructions minérales par précipitaion autour des Fumeurs (450 C), présence d oxydes polymétalliques Hydrothermalisme = principal flux sortant de magnésium pour l océan Dorsale = lieu de dégazage du manteau Circulation hydorthermale conduit au lessivage et à l altération des basaltes L eau de mer jouerait ainsi le role fondamental d échangeur thermique et géochimique entre le manteau et l écorce p. 19

20 La Convergence p. 20

21 Un type de convergence: Subduction Subduction entre 2 plaques océaniques La plus dense généralement la plus vieille s enfonce sous l autre Une lithosphère moins dense (d=3.2) et moins chaude s enfonce dans une asthénosphère plus dense (d=3.3) et plus chaude Phénomène de fusion partielle, le magma résultant moins dense remonte à la surface et une partie est expulsé à la surface Arc insulaire volcanique sur plancher océanique ex: Tonga, Kouriles et Aléoutiennes. L arc des Antilles p. 21

22 Un type de convergence: Subduction Subduction entre une plaque continentale et l autre océanique La plaque océanique plus dense s enfonce sous la plaque continentale De même, on a une fusion partielle de lithosphère océanique, le magma remonté à la surface Chaîne de volcans sur les continents. ex: Chaînes des Cascades (EU) avec le Mont St. Helens, la cordillère des Andes p. 22

23 La convergence continue: Collision Fermeture de l espace océanique: Au fur et à mesure de la convergence, le matériel sédimentaire qui se trouve sur les fonds océaniques et transporté vient se concentrer au niveau de la zone de subduction pour former un prisme d accrétion. Les 2 plaques continentales entrent en collision: Le moteur du déplacement n est pas assez fort pour enfoncer l une des 2 plaques dans l asthénosphère à cause de la trop faible densité de la lithosphère continentale tout le matériel sédimentaire se soulève pour former une montagne où les roches sont plissées et faillées. Collision: soudure entre 2 plaques continentales pour n en former qu une ex: Toutes les grandes chaînes de montagnes plissées. exemple récent:l Himalaya, soudure de p. 23 l Inde

24 Subduction: Morpho-structure W km Ride d Aves Moho Bassin de Grenade bassin arrière arc Petites Antilles arc volcanique actif Moho Bassin de Tobago bassin avant arc croute ^ océanique manteau supérieur Prisme d accrétion de la barbade km Océan E Atlantique La fosse océanique: profondeur moyenne 8000 m avec un mur externe (côté océan) à faible pente et un mur interne toujours plus escarpé Le prisme d accrétion: constitué de sédiments, déformés et accumulés en écailles chevauchante dû à la convergence, en avant du domaine avant-arc. L arc volcanique: volcans actifs sur lae bord de la plaque chevauchante, à quelque centaines de km de la fosse. Le bassin arrière-arc: présent au-delà de l arc insulaire avec croûte continentale amaincie ou croûte océanique (anomalie magnétique) Le bombement externe: à l approche de la zone de subduction le plancher océanique présente un bombement de quelques centaines de mètres de hau- p. 24

25 Subduction: Morpho-structure Subduction de la plaque Amèrique du Sud sous la plaque caraïbe Formation de l arc des Petites Antilles Prisme d accrétion de la Barbade développé car couverture sédimentaire de la plaque qui entre en subduction est trop épaisse pour être "avalée" en totalité p. 25

26 Subduction: distribution des séismes 0 Arc volcanique 400 km séismes superficielles fosse km LITHOSPHERE ASTHENOSPERE LITHOSPHERE PLOGEANTE ASTHENOSPERE zone simique interplaque zone simique intraplaque séismes intermèdiaires Alignement de séisme = Plan de Wadati-Benioff Sismicité superficielle (moins de 50 km) essentiellement dans la plaque sup. Sismicité interplaque liée à l activité tectonique et sismicité intraplaque au sein de la plaque inférieure ou supérieure Séismes intermédiaires et profonds en arrière de la fosse à partir de 200 km. Plus de séismes après 700km de profondeur ce qui ne veut pas dire que les plaques ne continue pas de s enfoncer (tomographie) p. 26

27 Subduction: distribution des séismes Positionnement de la plaque plongeante est donnée par la bande de sismicité sur la carte. Évolution des profondeurs des séismes indique le sens de son pendage et sa p. 27 valeur.

28 Subduction: pendage de plaque km Plan de bénioff vertical (les Mariannes) et plan de Bénioff horizontal (Chili) Pérou chili central Corrélation entre âge de la lithosphère plongeante et pendage du plan de bénioff profondeur Nouvelles Hébrides (Vanuatu) Mariannes nord Chili on a un pendage fort dans le cas de lithosphère plongeante agée exception: exemple les Nouvelles Hébrides 700 km Le pendage peut varier le long de la zone de subduction (Amèrique du Sud) p. 28

29 Subduction: pendage subduction spontanée: lithosphère agée s enfonce dans le manteau sous l effet de son poids (Mariannes) subduction forcée: il arrive que la lithosphère soit jeune et que son poids ne suffit pas à expliquer son enfoncement Nécessite d autres forces ( Chili) p. 29

30 Subduction: température Flux de chaleur élevé liè à l activité volcanique Réchauffement de la plaque plongeante au fur et à mesure de son enfoncement p. 30

31 Frontières en décrochement p. 31

32 Frontières en décrochement Ce sont des grandes fractures qui affectent toute l épaisseur de la lithosphère Elles permettent: - d accommoder les différences de vitesse de déplacement ou même des mouvements opposés entre plaques - de faire le relais entre les limites divergentes et convergentes Elle se trouvent le plus souvent dans la lithosphère océanique failles transformantes mais également sur les continents failles décrochantes p. 32

33 Faille décrochante: San Andreas Faille de San Andreas: Assure le relais du mouvement entre la limite divergente de la dorsale du Pacifique-Est, la limite convergente des plaques Juan de Fuca/Amérique du Nord et la limite divergente de la dorsale de Juan de Fuca Elle constitue la limite entre 3 plaques: Juan de Fuca, Amérique du Nord et Pacifique Traversent à la fois la lithosphère océanique et la lithosphère continentale ex: faille Nord-Anatolienne p. 33

34 Faille transformante: topographie axe de la dorsale bassin nodal lignes de crete ^ des collines abyssales vallée transformante mur sud de la zone de fracture mur nord de la zone de fracture traces de la faille active principale partie inactive de la zone de fracture bassin nodal axe de la dorsale Une vallée de 5km de large, bordée par deux murs plus ou moins marqués Faille active marquée par de petites rides Intersection avec l axe de la dorsale se caractérise plus ou moins par un bassin profond, le bassin nodal. Dans le cas d une dorsale rapide, il n y pas de mur car pas de grande différence d âge entre les 2 lithosphères et la vallée est plus large (20km) p. 34

35 Faille transformante: active et inactive partie active de la zone de fracture axe de la dorsale axe de la dorsale relief de l intersection effet de la subsidence thermique Longueur active de la faille=longueur du décalage des axes Partie active de la faille transformante car mouvement de part et d autre de la faille, d où sismicité associée à ces déplacements En dehors des axes, la plaque se déplace à la même vitesse de part et d autre de la zone de fracture Partie active pouvant atteindre 900 km (Romanche),mais généralement de 160 à 300 km. Les reliefs aux intersections seront marqués des décalages plus importants si la différence d âge entre les lithosphères est grande. p. 35

36 La géodynamique terrestre La Terre est une grande machine thermodynamique, dont l expression en surface se fait au travers des dorsales, des zones de subdcution et autres objets géodynamiques Le moteur: la convection mantellique Le cycle de la coûte océanique: fusion partielle du manteau, expansion des matériaux au niveau des dorsales océaniques, élargissement progressif de l océan, destruction de la lithosphère océanique par enfoncement de cette lithosphère dans les zones de subduction et recyclage dans le manteau. p. 36