La tectonique des plaques et la cinématique Partie 4

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1 La tectonique des plaques et la cinématique Partie 4 En 4 parties La tectonique des plaques et la cinématique Partie 4 Sommaire V. LES DONNÉES DU FLUX DE CHALEUR 1. Décroissance du flux sur les flancs des dorsales 2. Correspondance Flux-Tomographie sismique (2 diapos) 1. Cinématique fondée sur les données océaniques : modèles pour les mouvements relatifs, de NUVEL à MORVEL (2 diapos) 2. Vérification d un postulat important 3. La cinématique : les mouvements absolus. Le Pacifique. 4. La cinématique : les mouvements absolus. l Atlantique sud 5. La cinématique : les mouvements absolus, le modèle de Gripp et Gordon 6. La cinématique fondée sur les données géodésiques 7. Comparaison entre les données géologiques et les données géodésiques VII. CONCLUSIONS (2 DIAPOS) Voir chapitre 8 Découvrez la 15 e édition du «Pomerol» tout en couleurs, Éléments de Géologie (Dunod, 2015, M. Renard, Y. Lagabrielle, E. Martin, M. de Rafélis), à jour des dernières connaissances de la recherche en géosciences. Un livre qui répond aux exigences des étudiants, des candidats aux concours, des enseignants, des chercheurs Et de l amateur éclairé! Toute l info sur ce livre << Tous les reportages de terrain de elements-geologie.com

2 1. Décroissance du flux sur les flancs des dorsales V. LES DONNÉES DU FLUX DE CHALEUR Le flux de chaleur apporte des arguments très importants pour confirmer le renouvellement des fonds océaniques. Les mesures sont faites dans les zones ensédimentées à l aide de sondes thermiques (thermistances) montées sur de grands carottiers et qui mesurent les températures à différentes profondeurs dans les sédiments océaniques. L écart de température donne la valeur du gradient géothermique, le flux est obtenu en multipliant cette valeur par la conductibilité thermique du milieu. On a remarqué qu entre 3 Ma et 100 Ma, le flux sur les flancs d une dorsale passe de 6 HFU à 1,1 HFU par endroit. Cela prouve que l axe des dorsales est plus chaud et que la lithosphère se refroidit en vieillissant : ceci n est possible que si du manteau chaud remonte verticalement puis s étale horizontalement. C est bien le processus de l expansion océanique. S il n y avait pas d accrétion océanique, le flux géothermique sous les océans ne montrerait JAMAIS une telle décroissance symétrique à partir de l axe de la dorsale.

3 2. Correspondance Flux-Tomographie sismique V. LES DONNÉES DU FLUX DE CHALEUR La répartition des valeurs du flux nous enseigne donc que l axe des dorsales est le siège de la remonté de matériel mantélique chaud. De façon totalement indépendante, la tomographie sismique nous montre que les océans sont le siège d anomalies négatives de vitesse sismique, centrées sous les dorsales, qui s expliquent par la présence d un matériel mantélique anormalement chaud sous l axe. Flux géothermique D après Shapiro et Ritzwoller, EPSL, 2004 Tomographie sismique en ondes S Pour z = 100 km, la distribution des anomalies de température est en total accord avec les processus de la tectonique des plaques. Les dorsales se situent au-dessus des zones les plus chaudes du manteau. Les anomalies sont larges pour les dorsales rapides et plus réduites pour les dorsales lentes (voir chapitre 21) en relation avec les vitesses d ouverture.

4 2. Correspondance Flux-Tomographie (suite) V. LES DONNÉES DU FLUX DE CHALEUR Les cartes simplifiées ci-dessous résument les coïncidences entre les données de flux et de tomographie. Rappelons que ces données sont totalement indépendantes.

5 1. Cinématique fondée sur les données océaniques : modèles pour les mouvements relatifs, de NUVEL à MORVEL La cinématique classique décrit les mouvements des plaques lithosphériques essentiellement grâce aux données paléomagnétiques. On peut définir la cinématique finie qui concerne le mouvement des plaques dans le passé et la cinématique instantanée qui concerne le mouvement actuel des plaques (infinitésimal). La cinématique instantanée, fondée sur les données océaniques, s appuie en fait sur des données magnétiques qui remontent légèrement dans le passé, jusqu au chron 2A (voir la partie 3). Les cinématiciens ont établi des modèles de déplacement des plaques à l aide de formulations mathématiques prenant en compte des contraintes d ordre varié : les vitesses d ouverture aux dorsales connues par les anomalies magnétiques, les orientations des zones de fracture, les vecteurs glissement des séismes de subduction, etc Les données ne sont donc pas homogènes : on mélange des moyennes sur plusieurs Ma d un côté, et de véritables instantanés de mouvements sismiques que sont les vecteurs glissement, de l autre. Le premier modèle de Le Pichon en 1968 avait 6 plaques, on a ensuite beaucoup utilisé le modèle à 11 plaques de Minster et Jordan, publié en 1978, puis à partir de 1990, le modèle NUVEL 1 par DeMets et coll., avant que ne soit publié le modèle MORVEL à 25 plaques. Le modèle NUVEL 1 modélise 12 plaques dont les mouvements sont contraints de la façon suivante : Frontières divergentes : vitesses d expansion à partir de l anomalie 2A sur 277 points répartis sur 16 frontières de type dorsale. Frontières en coulissage : détermination du pôle relatif de rotation entre 2 plaques par l intersection des grands cercles perpendiculaires aux traces actives des failles transformantes. Frontières convergentes : les vecteurs glissement de 724 séismes majeurs ont été compilés. Si l on considère n plaques sur le globe, l une étant supposée fixe, il y a 3x (n 1) composantes de vitesse de rotation à déterminer, 33 inconnues si le système a 12 plaques. Chaque observation d azimut ou de vitesse fait l objet d une équation, soit 1122 équations dans le cas de NUVEL 1. La figure ci-contre est le «géohèdre», c est à dire l ensemble des relations à travers les frontières des plaques utilisées pour le modèle. Certaines frontières n ont pas été utilisées car il n existe pas ou peu de données fiables. D après Ph. Huchon, dans La convergence Lithosphérique, Vuibert, SGF, Note : en 1994, les auteurs de NUVEL proposent une légère révision du modèle 1, le modèle NUVEL 1A, en raison d un recalage de l anomalie 2A.

6 1. Cinématique fondée sur les données océaniques : modèles pour les mouvements relatifs, de NUVEL à MORVEL (suite) MORVEL signifie Mid Oceanic Ridge Velocities, en raison du poids important alloué aux dorsales Le dernier né des modèles est le modèle MORVEL, élaboré par les auteurs des précédents modèles (DeMets, Gordon, Argus ) et publié en Il prend en considération beaucoup plus de plaques que NUVEL et fonde les ¾ des contraintes sur les anomalies magnétiques. L Afrique est découpée en 3 «nouvelles» plaques, l Amérique du sud également ; les plaques comme Caroline, Sundaland, etc. apparaissent. Les mouvements ainsi calculés décrivent 97% de la surface de la Terre. Les données magnétiques pour les taux d ouverture et les azimuts des failles sont calculées pour 16 plaques majeures. On se sert des données GPS pour contraindre les mouvements des 5 plaques restantes. A la différence de NUVEL 1A, on utilise les anomalies pour les plaques rapides seulement jusqu à 0.76 Ma. Charles DeMets, Richard G. Gordon, Donald F. Argus, "Geologically current plate motions", Geophysical Journal International, April 2010, 181(1), 1-80 Par la fiabilité des calculs et la très bonne corrélation avec les données GPS, les auteurs confirment que le postulat des plaques rigides reste très adapté pour décrire les mouvements de la surface terrestre.

7 2. Vérification d un postulat important Nous avons vu que la vitesse linéaire d une plaque varie avec la position du point de mesure sur la plaque : elle est nulle au pôle eulérien et maximum à l équateur eulérien. Si la tectonique des plaques s applique, ce postulat doit être vérifié. La connaissance de l âge des anomalies qui autorise le calcul des taux d ouverture nous permet de le confirmer. Les vitesses d ouverture de l Atlantique doivent diminuer lorsque l on se déplace vers le Nord et vers le Sud, c est à dire lorsqu on se rapproche des pôles de rotation Amérique du Nord/Eurasie (au nord) et Afrique/Amérique du sud (au sud). La même relation se vérifie si l on considère la dorsale sud-est indienne qui s ouvre entre les plaques Australie et Antarctique. Atlantique D. SE indienne D après Ph. Huchon, dans La convergence Lithosphérique, Vuibert, SGF, 2005.

8 3. La cinématique : les mouvements absolus. Le Pacifique. Les modèles NUVEL 1A et MORVEL sont des modèles de mouvements relatifs. Pour obtenir des mouvements absolus, il faut «ancrer» une des plaques du modèle par rapport à un référentiel fixe sur la Terre, puis reprendre toutes les vitesses relatives pour les recalculer en vitesses absolues. On peut utiliser le meilleur référentiel possible, celui des points chauds qui sont stables en première approximation. Note. Il existe un référentiel non lié au globe, mais lié aux plaques, pour définir une sorte de mouvement absolu. C est le référentiel NNR (no net rotation : sans rotation du réseau). On calcule les mouvements relatifs à partir d une plaque dont le mouvement est rapide (par exemple la plaque Pacifique), car les contraintes sur les autres plaques sont plus fortes. Puis, on minimise le mouvement de tout le système jusqu à atteindre l énergie minimale de l ensemble. On définit alors le repère pour ce réseau, c est le repère NNR.

9 4. La cinématique : les mouvements absolus, l Atlantique sud. Le point chaud Tristan da Cuhna a laissé des traces bien visibles : les rides de Rio Grande et de Walvis. Très tôt les datations des laves des guyots sur ces rides ont permis de montrer la progression des âges qui sont de plus en plus jeunes lorsque l on va vers l axe. Attention, la cinématique correspondant au dispositif en V des rides Rio Grande et Walvis n est plus d actualité. La dorsale s est déplacée vers l ouest par rapport au point chaud, il y a environ 30 Ma et le mouvement des plaques Afrique et Amérique du sud a changé. Depuis ce «saut» de la dorsale, le point chaud ne se trouve donc plus sous l axe, et il a par ailleurs perdu en vigueur. Cet exemple est emblématique. La trace en V pointant vers le sud est due au fait que les deux plaques Amérique du sud et Afrique se sont d une part bien écartées l une de l autre et, d autre part, qu elles ont migré ensemble vers le nord.

10 5. La cinématique : les mouvements absolus, le modèle de Gripp et Gordon Le modèle le plus récent à ce jour pour les mouvements absolus est le modèle de Gripp et Gordon. C est un modèle NUVEL 1A placé dans le repère des points chauds du Pacifique. Le modèle des mouvements absolus des plaques de Grip et Gordon. La vitesse est proportionnelle à la longueur des flèches (11 cm/an pour la plus longue). Les vues polaires aident à mieux comprendre la géométrie et la cinématique des hautes latitudes. Exercice Bien observer toutes ces flèches Et répondre aux questions suivantes : Les vecteurs sont-ils constants en module sur une plaque? Pourquoi? Où se trouve le pôle de rotation de la plaque Afrique? De la plaque Europe? Bien observer le triplet Europe, Mer des Philippines, Pacifique Toutes ces plaques vont dans le même sens Peuvent-elles aussi converger? Même question pour Amérique du sud et Antarctique. Un élément de réponse cidessous.

11 6. La cinématique fondée sur les données géodésiques Le positionnement par satellite (géodésie GPS) a eu le mérite, dès son utilisation en géoscience,s de montrer la mobilité importante des zones de frontières des plaques. Ces zones sont des secteurs dans lesquels la tectonique des plaques ne s applique pas. Avant le GPS, on utilisait les données d interférométrie à longue base (VLBI) et les systèmes de suivi de satellites (SLR, Doris) pour calculer des déplacements instantanés de plaque. Depuis plus de 10 ans, on voit fleurir des modèles qui intègrent les données de GPS. Utilisation du GPS pour contraindre des mouvements actuels aux limites des plaques majeures (Document P. Vernant, Montpellier). Modèle REVEL. Cinématique instantanée sur la base de données de GPS. Les sites indiqués par un losange blanc sont situés sur les plaques, loin des frontières.

12 7. Comparaison entre les données géologiques et les données géodésiques Cette figure est capitale. Elle nous montre que les données GPS et les données «classiques» (géologiques) s accordent remarquablement bien pour tous les sites situés au sein des grandes plaques majeures, loin des frontières. Le même graphe peut être obtenu avec le système Doris.

13 VII. CONCLUSION Au cours de ces 4 reportages sur la tectonique des plaques et la cinématique, nous avons montré que notre postulat de départ concernant la rigidité des plaques était correct pour décrire les mouvements des enveloppes externes du globe. Il est même tout à fait remarquable que par deux chemins totalement étrangers l un à l autre, l approche géologique et l approche géodésique spatiale, nous arrivions presque exactement aux mêmes résultats, comme le montre le diagramme de la figure précédente. La tectonique des plaques n explique pas les LIPs! Les zones de déformation intraplaque La théorie a des limites! N oublions pas que la tectonique des plaques ne s applique pas partout sur la Terre. Elle a deux limites : 1. Dans les zones de frontières, les plaques n ont plus un comportement rigide. Elles sont subdivisées en sous unités déformables limitées par des failles et dont les mouvements sont différents de ceux des grandes plaques principales. Ce sont les zones de déformation de la lithosphère, en jaune sur la carte ci-dessus, et correspondant, essentiellement sur les continents, aux chaînes de montagne. 2. D immenses structures, les LIPs (large igneous provinces) le plus souvent océanique,s sont des constructions volcaniques issues de l activité de points chauds. Ces reliefs majeurs à la surface de la Terre dérivent d une dynamique très interne, souvent du manteau inférieur, dont les modalités sont totalement indépendantes de la tectonique de la lithosphère.

14 VII. CONCLUSION Finalement, ceci doit nous inciter à réfléchir sur les causes du mouvement des plaques. Le problème est vaste, complexe, et nous ne pouvons ici que donner quelques pistes pour seulement l effleurer. Le diagramme ci-dessous est un schéma des 2 forces motrices qui s exercent sur les plaques : P, la poussée à la ride (ridge push), en fait la force gravitaire qui fait glisser la plaque sur l asthénosphère en raison de la pente de la couche limite et T, la traction exercée par le panneau plongeant à la fosse. On a reporté les forces de résistance. Les diagrammes A et B montrent deux belles corrélations. La première indique qu une force majeure est la traction dans la subduction (les plaques les plus rapides ont un taux élevé de frontières en subduction) et la deuxième tend à faire penser que les «racines continentales» freinent les plaques. Le diagramme C, quant à lui, ne présente rien de convaincant... Il reste donc encore beaucoup de paramètres à tester.