Problème : comment une zone de subduction produit-elle de nouveaux matériaux?

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1 Problème : comment une zone de subduction produit-elle de nouveaux matériaux? Chapitre 3 Le magmatisme en zone de subduction : une production de nouveaux matériaux continentaux I Le volcanisme TS-tp-p1B-30-magmatisme illu_ts_p1b_chap3 Activité 1 p Les coupes doivent comporter les noms des plaques, les mouvements relatifs au-dessus de l asthénosphère, la position des arcs volcaniques disposés sur les plaques chevauchantes, parallèlement aux fosses océaniques qui les bordent (fig 1 p. 181). 2. Les éruptions violentes du Mont Saint-Helens en 1980 ou de la Soufrière de Montserrat en 1997 s accompagnent d émission de gaz, de cendres et de laves visqueuses. La forte viscosité de la lave bloque le dégazage progressif du magma au cours de sa remontée si bien que, parvenus en surface, les gaz piégés dans la lave se détendent violemment, ce qui provoque l explosion du volcan. La viscosité et la présence de gaz peuvent donc expliquer le caractère explosif. Activité 2 p Les basaltes andésitiques et les rhyolites affleurent minoritairement, les andésites représentent la roche volcanique la plus fréquemment présente à l affleurement après les projections diverses issues des nuées ardentes. Ces trois roches volcaniques diffèrent par leur teneur en plagioclases, en pyroxènes et amphiboles. Les basaltes sont plus riches en pyroxènes, plus pauvres en plagioclases que les andésites qui présentent en revanche des minéraux hydroxylés sous forme d amphiboles et une grande proportion de plagioclases. Les rhyolites présentent quant à elles des compositions minéralogiques encore plus riches en feldspaths que les andésites, plus pauvres en minéraux ferro-magnésiens (absence de pyroxènes), mais présentent comme les andésites 28/05/2015 1

2 des minéraux hydroxylés (amphiboles et biotite) ; elles peuvent contenir également du quartz ce qui matérialise leur teneur plus élevée en silicium. 2. À l œil nu, l andésite apparaît grise, moins sombre qu un basalte ; elle présente aussi un aspect bulleux qui témoigne de la présence de gaz dans la lave au moment de son refroidissement. L examen microscopique révèle que l andésite est, comme un basalte, une roche microlitique caractérisée par la présence de feldspaths plagioclases et de minéraux ferro-magnésiens. Les minéraux ferro-magnésiens dans un basalte sont des pyroxènes et des olivines, alors que ce sont surtout des pyroxènes et des amphiboles dans une andésite. L andésite est plus riche en silicium qu un basalte et elle montre également la présence d hydrogène absent de la composition du basalte. 3. La présence d hydrogène et d'oxygène, dans la composition de l andésite est susceptible de rendre compte de la présence de minéraux hydroxylés dans sa composition minéralogique. 4. La présence de minéraux hydroxylés dans les andésites montre que les magmas qui sont à l origine de ces roches contiennent de l eau. Ceci peut expliquer l abondance des gaz (parmi lesquels de la vapeur d eau) libérés au cours des éruptions volcaniques dans ces secteurs, et par conséquent la violence des éruptions compte tenu de la viscosité des laves et de la difficulté à évacuer cette quantité importante de gaz au cours leur remontée vers la surface. II La formation de magma Activité 3 p Pour les zones de subduction figurées sur le doc, le sommet de la lithosphère subduite se trouve entre 90 et 140 km de profondeur à l aplomb de l arc volcanique présent sur la plaque chevauchante. Rem : la distance entre la fosse et l arc volcanique est variable d une subduction à l autre : cette distance est d autant plus faible que la lithosphère subduite est fortement inclinée. 28/05/2015 2

3 2. Le géotherme continental qui traduit l évolution de la température en fonction de la profondeur dans la lithosphère continentale montre qu habituellement entre 80 et plus de 100 km de profondeur, les conditions de pression et de température qui règnent dans le coin de manteau situé entre le panneau subduit et la croûte qui porte l arc volcanique ne permettent pas d y envisager une fusion partielle pour des péridotites anhydres. Rem : La tomographie sismique montre qu il existe un peu partout dans le manteau des écarts des vitesses de propagation des ondes par rapport aux vitesses prévues dans le modèle PREM ; zones plus chaudes ou plus froides. Les ondes sismiques qui se propagent dans le manteau à une même profondeur ont une vitesse variable selon les endroits indiquant une hétérogénéité physique. 3. Si la fusion partielle de péridotites anhydres semble impossible à l aplomb d un arc volcanique de subduction, en revanche elle devient possible si les péridotites sont hydratées. Les données du doc 2 montrent que les roches de la croûte océanique s engageant dans la subduction sont hydratées du fait des transformations hydrothermales qui les ont affectées près des dorsales. Au cours de leur enfouissement dans le manteau, ces roches subissent des variations de pression et de température et se transforment. Entre 40 et 60 km de profondeur, elles se transforment d abord en schistes bleus puis en éclogites ; ces réactions s accompagnent d une libération d eau qui peut s infiltrer dans le manteau de la plaque chevauchante. Cependant ces profondeurs ne correspondent pas avec la profondeur de la plaque subduite à l aplomb de l arc volcanique, et les températures qui règnent dans le manteau chevauchant à ces profondeurs (< C) ne permettent toujours pas d envisager un début de fusion partielle compte tenu du "solidus hydraté" doc 1b. Si on suppose une remontée des magmas à la verticale de leur lieu de formation, un scénario probable est que ce manteau hydraté puisse être entraîné en profondeur sur plusieurs dizaines de kilomètres avant d entamer sa fusion partielle vers 100 km, à l aplomb de l arc volcanique. 28/05/2015 3

4 4. Les résultats de la modélisation numérique menée en utilisant le logiciel "Magma" montrent que la température minimale à laquelle débute la cristallisation d un magma andésitique diminue lorsque sa teneur en eau augmente. Or sa température de début de cristallisation est aussi la température à laquelle débute la fusion partielle de la roche si on se place dans une démarche expérimentale de fusion ; autrement dit, la température de début de fusion partielle d une roche diminue lorsque sa teneur en eau augmente : l eau apparaît bien comme un fondant, c'est-à-dire un composé abaissant la température de début de fusion partielle de cette roche, et la facilitant donc. Activité 4 p Andésites et granodiorites ont des compositions chimiques similaires de sorte qu elles peuvent être considérées comme les produits du refroidissement et de la cristallisation d un même type de magma. Les andésites ont une structure microlitique (hémicristalline) en rapport avec un refroidissement rapide en surface, tandis que les granodiorites ont une structure grenue (holocristalline) témoignant d une cristallisation totale associée à un refroidissement lent en profondeur. 2. Les granodiorites ont des caractères communs avec les granites : structure grenue et compositions minéralogiques voisines (quartz, feldspaths et micas) ; ceci justifie leur appellation de granitoïdes. 28/05/2015 4

5 3. Les granodiorites y affleurent surtout dans le batholite côtier et dans la cordillère occidentale. 4. L affleurement de granodiorite dans la chaîne andine soulève le problème de la mise à l affleurement de roches plutoniques formées en profondeur ; deux hypothèses peuvent être proposées pour expliquer cette position a priori anormale : l érosion des terrains sus-jacents ; une extension de la croûte qui peut parfois dénuder à l occasion du jeu de failles normales des roches profondes. 5. Schéma p Dans les zones de subduction, des volcans émettent des laves souvent visqueuses associées à des gaz et leurs éruptions sont fréquemment explosives. La déshydratation des matériaux de la croûte océanique subduite libère de l'eau qu'elle a emmagasinée au cours de son histoire, ce qui provoque la fusion partielle des péridotites du manteau susjacent. Si une fraction des magmas arrive en surface (volcanisme), la plus grande partie cristallise en profondeur et donne des roches à structure grenue de type granitoïde. Un magma, d'origine mantellique, aboutit ainsi à la création de nouveau matériau continental. Mots clés : accrétion continentale, fusion partielle, solidus, liquidus, granite, granodiorite, volcanisme, andésite, la tectonique des plaques. Lire p. 180 à /05/2015 5

6 Problème : quel est le devenir d'une chaîne de montagnes? Chapitre 4 La disparition des reliefs I Les montagnes, un système dynamique TS-tp-p1B-40-erosion illu_ts_p1b_chap4 Activité 1 p Profil topographique en travers le Massif Central et les Alpes Massif Central Alpes relief moins élevé plus élevé Moho et croûte c. 25 à 30 km 50 à 60 km Roches à l'affleurement roches sédi I roches sédi II + âgées - âgées 5. Ccl les chaînes de montagnes anciennes ont un relief moins élevé, une croûte continentale moins épaisse et on y observe à l affleurement une plus forte proportion de roches métamorphiques et granitiques (+ âgées) (inverse pour les récentes). Activité 2 p L eau de pluie s infiltre et circule dans les diaclases du massif granitique. Sous l action gel et du dégel, la roche éclate, des pans entiers de granite se détachent laissant en place des formes anguleuses et des sommets pointus, appelés "aiguilles". du 28/05/2015 6

7 2. Si on compare la composition de l eau de pluie avec celle de l eau ayant circulé dans les calcaires on constate un enrichissement en ions Ca 2+ (de 1,4 à 65 mg.l-1) et en ions HCO 3 - (199 mg.l-1). L eau de pluie riche en dioxyde de carbone circulant dans un massif calcaire va dissoudre les carbonates, avant de rejoindre la rivière. L équation bilan confirme ces résultats. 3. Un granite est composé de quartz, de feldspath et de mica. Dans l arène granitique, on retrouve des grains de quartz, quasiment inaltérables, des feldspaths altérés et de l argile. 4. L argile provient des micas qui ont disparu et des feldspaths altérés. Il y a altération mécanique et chimique des roches. 28/05/2015 7

8 Activité 3 p Masse des particules en fonction de la classe granulométrique. Pourcentage cumulé en fonction des mailles du tamis. 2. Plus la taille des particules est fine et plus les particules seront transportées loin de leur lieu d érosion. 3. Les coraux se développent dans une zone située entre les latitudes de 30 N et 30 S. 4. Les coraux vivent en symbiose avec des algues chlorophylliennes. Celles-ci pour leur photosynthèse ont besoin de lumière, l eau doit donc être peu profonde et limpide. 5. La réaction chimique permettant la précipitation du calcaire est dépendante de l action des êtres vivants, d où l expression "sédimentation biochimique". Il y a érosion, transport et sédimentation des particules. 28/05/2015 8

9 Activité 4 p Dans les zones briançonnaise et piémontaise presque toutes les failles sont normales, caractéristiques de mouvements d extension. 2. Les stations MTCO et CHPO ont des vecteurs vitesse opposées indiquant une extension. 3. Lorsque les mouvements de convergence et la poussée d Archimède deviennent insuffisants, les reliefs s effondrent (isostasie). En surface, on observe alors des failles normales caractéristiques des mouvements d extension. La phase de compression est terminée, il y a des réajustements en fonction de l'isostasie et de l'érosion. II Le recyclage de la croûte Activité 5 p. 200 Aide à la résolution de la tâche complexe. 1. (Doc 1) Établissez une relation entre les caractéristiques de ce sommet de l Himalaya, les facteurs climatiques et l érosion. 2. (Doc 2) Expliquez la formation des cipolins. Comment se sont-ils retrouvés en altitude? 3. (Doc 3) Montrez que la rivière joue un rôle important dans le recyclage de la croûte continentale. 4. (Doc 4) Indiquez l épaisseur des sédiments déposés dans le golfe du Bengale. Quelle en est l origine? 5. Établissez un schéma bilan sur le recyclage de la croûte continentale. Les chaînes érodées actuellement donnent des sédiments de marges passives actuelles 28/05/2015 9

10 L Everest (doc 1) est un des principaux sommets de l Himalaya (une chaîne de montagnes récente aux formes anguleuses). Ce sommet est soumis à l érosion. L action du gel et du dégel dans les diaclases font exploser la roche. Les produits du démantèlement sont transportés sous forme de particules détritiques en suspension et d ions dissous, par les glaciers et les eaux de ruissellement (rivière Kali Gandaki, doc 3). Les fleuves Himalayens transportent les matériaux arrachés aux sommets jusque dans le golfe du Bengale où ils se déposent et forment une épaisse couche de sédiments pouvant atteindre m (doc 4). Ces sédiments vont se transformer en roches sédimentaires pouvant être métamorphisées comme les cipolins qu on peut observer dans le haut Himalaya, puis portés à l affleurement lors de la collision de l Inde avec l Asie (doc 2). Les chaînes de montagnes anciennes ont des reliefs moins élevés que les plus récentes. On y observe à l'affleurement une plus forte proportion de matériaux transformés et/ou formés en profondeur. Les parties superficielles des reliefs tendent à disparaître. Altération et érosion contribuent à l'effacement des reliefs. Les produits de démantèlement sont transportés sous forme solide ou soluble, le plus souvent par l'eau, jusqu'en des lieux plus ou moins éloignés où ils se déposent (sédimentation). Des phénomènes tectoniques participent aussi à la disparition des reliefs. L'ensemble de ces phénomènes débute dès la naissance du relief et constitue un vaste recyclage de la croûte continentale. Mots clés : altération, érosion, transport, sédiment, sédimentation, recyclage des matériaux de la lithosphère. Lire p. 202 à 205. Schéma de synthèse 28/05/

11 L'idée du cours La tectonique des plaques est l'étude de la formation, de l'évolution et de la disparition des plaques lithosphériques. Le domaine océanique est étudié en 1S Le domaine continental est étudié en TS (subduction, collision). Caractéristiques de la lithosphère continentale : - morphologiques (relief, érosion, densité, âge) - minéralogiques (minéraux, roches) - pétrographiques (métamorphisme, fusion partielle, magmatisme). - tectoniques (plis, failles, nappes) - déplacements - gradient géothermique. La notion de cycle et de recyclage de la lithosphère. 28/05/