Licence parcours SVT (sem 5) Tectonique, Géodynamique, Métamorphisme. cours D. Cluzel

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1 Licence parcours SVT (sem 5) Tectonique, Géodynamique, Métamorphisme cours D. Cluzel

2 plan du cours Partie I: déformations de la lithosphère Partie II: grandes structures tectoniques, exemples régionaux Partie III: métamorphisme et géodynamique

3 Partie 1 Déformations de la lithosphère I - Dynamique lithosphérique II - Déformations et contraintes III - Comportement mécanique des matériaux naturels IV - Structures tectoniques des roches et des massifs rocheux

4 I - Dynamique et déformations d de la lithosphère 1. Introduction, objet de la tectonique 2. Structure de la lithosphère et dynamique globale 3. Dynamique des plaques lithosphériques

5 1) Objet de la tectonique Etym.: du grec tektonikos = relatif à la charpente Définition : architecture des roches et des massifs rocheux (liée à leur déformation) d Buts : comprendre et quantifier les déformations d de la lithosphère (géom ométrie des objets, enregistrement des déplacements) d Méthodes Observation à diverses échelles Mesures (orientations, déformations) d Expérimentation (sur matériaux réels) r Modélisation (analogique, numérique)

6 2) Structure de la lithosphère et dynamique globale

7 rappels Lithosphère: définition, d structure Lithosphères océanique / continentale

8 Enveloppes terrestres Lithosphère (1/30 du rayon terrestre) Mésosphère ou asthénosphère graine Manteau silicaté (péridotites) Noyau externe liquide Noyau métallique

9 Définition de la lithosphère 1/30 du rayon terrestre pellicule externe rigide de la planète repose sur l asthénosphère ductile Isotherme 1200 C

10 Lithosphère distinction croûte/manteau supérieur lithosphères océanique / continentale Croûte continentale Croûte océanique Manteau supérieur lithosphérique Manteau asthénosphérique

11 Structure comparée e des lithosphères continentale et océanique

12 Formation des continents Après la fin de la différenciation (v. 4Ga), température moyenne élevée Bombardement de météorites encore intense Lithosphère mince (pas de tectonique des plaques) Convection importante (arcs volcaniques), interaction forte eau-roche Formation de proto-continents puis croissance continentale (jusque vers 2 Ga) Principales concentrations métalliques

13 Croissance continentale % 100 Ga Période de croissance rapide (50%) entre 3,2 et 2,5 Ga

14 Structure à 3 couches de la croûte continentale Sup. Moy. Inf. Sédiments et roches peu cristallines Roches métamorphiques et plutoniques Croûte granulitique (anhydre)

15 Genèse de la lithosphère océanique 1500 km 0 Ma 30 Ma 60 Ma Lithosphère 0 % 15 % Péridotites rigides 50 km asthénosphère Zone de fusion partielle 5 % péridotites Péridotites ductiles

16 3) Dynamique des plaques lithosphériques Convection mantellique et déformations de la lithosphère Cinématique des plaques Typologie des limites de plaques

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18 Convection mantellique et mouvements de la lithosphère

19 Définition des plaques lithosphériques Carte de la sismicité globale ( , toutes magnitudes)

20 Plaques lithosphériques

21 Age des fonds océaniques et cinématique des plaques

22 Évolution du Gondwana

23 Production de lithosphère océanique: 40 km/ma (Atlantique central = dorsale lente) 100 km/ma (E-Pacifique ou Australe = dorsale rapide)

24 Positionnement global (GPS) et cinématique instantanée

25 Californie

26 Carte des vélocitv locités s (Californie, USA)

27 Généralisation: cinématique aux limites des plaques (mm/an)

28 Typologie des limites de plaques et déformations de la lithosphère Divergentes Convergentes Coulissantes

29 Divergence et bassins

30 Convergence océan an-continent : subduction (marge active)

31 Convergence intra-oc océanique (arc insulaire)

32 Convergence continentale et chaînes de montagnes

33 Coulissage

34 II DEFORMATIONS ET CONTRAINTES de l effet à la cause 1 - Notion de déformation 2 - Géométrie de la déformation 3 - Contraintes 4 - Régimes tectoniques

35 1 - Notion de déformationd a) Introduction b) Déformation absolue et relative c) Lois de comportement d) Fragilité / ductilité

36 a) introduction état initial? => état final nécessite l utilisation de marqueurs

37 Marqueurs marqueurs = objets de forme connue ayant les mêmes propriétés mécaniques que le reste de la roche

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39 Déformation finie La comparaison entre l objet initial et l objet final permet de définir la déformation finie

40 Bélemnite fragmentée e et étirée

41 Trilobite déformd formé

42 b) Déformation D absolue et relative L2 L1 = L : déformation absolue L/L = (L2 - L1) / L1 : déformation relative (en %) = f(f loi de comportement

43 c) Relation effort/déformation formation et lois de comportement des lois de comportement différentes peuvent correspondre à des matériaux différents ou à un même matériau dans des conditions différentes

44 d) Fragilité / ductilité Fragile : matériau cassant sans présenter de déformation préalable Ductile : se déforme intensément sans se briser Exemple du verre et de l acier fragiles à froid, ductiles à chaud

45 2 Géométrie de la déformation Marqueurs et axes cinématiques X, Y, Z Déformation axiale / non-coaxiale Déformation continue / discontinue Déformation homogène / hétérogh rogène

46 a) Marqueurs et axes cinématiques

47 b) Déformation D coaxiale / non- coaxiale Déformation coaxiale Déformation non-coaxiale

48 Distinction cisaillement simple/pur

49 Cisaillement simple

50 Cisaillement simple

51 Cisaillement simple

52 Cisaillement simple On dit aussi aplatissement/étirement

53 Cisaillement pur Cisaillement pur

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56 c) Déformation D continue / discontinue

57 Déformation continue / discontinue, l effet l d éd échelle

58 d) Déformation D homogène / hétérogène

59 3 - Contraintes Définition Pression ou contraintes lithostatiques Contraintes tectoniques, ellipsoïde des contraintes, contraintes principales 1, 2, 3

60 a) Définition D de la contrainte en un point -> = -> -> lim F/S S=> 0 -> F -> S Force/surface => dimensions d'une pression

61 b) Pression ou contraintes lithostatiques 1 = 2 = 3

62 Contraintes lithostatiques

63 La contrainte hydro(litho)statique est égale quelle que soit la direction considérée e (isotrope)

64 c) Contraintes tectoniques

65 Ellipsoïde des contraintes (tectoniques) 1 > 2 > 3 (compression > 0)

66 4 Déformations de la lithosphère, régimes tectoniques et contraintes régionales Extension et bassins syntectoniques Raccourcissement et chaînes de montagnes Coulissement, chaînes et bassins en décrochement

67 a) Extension et bassins syntectoniques Extension et 3 horizontales Raccourcissement et 1 verticaux

68 b) Raccourcissement et chaînes de montagnes Extension et 3 verticales Raccourcissement et 1 horizontaux

69 c) Coulissement / décrochementd Raccourcissement / 1 et Extension / 3 horizontaux Coulissement parfait Transpression Transtension

70 COULISSEMENT TRANSTENSION TRANSPRESSION

71 III COMPORTEMENT MECANIQUE DES MATERIAUX NATURELS 1- Lois de comportement 2 - Ductilité et rupture des roches 3 - Structure thermo-mécanique de la lithosphère 4 - Conclusion

72 1 Lois de comportement Elasticité Plasticité Elasto-plasticit plasticité des roches

73 a) Comportement élastique Linéaire Réversible Indépendant du temps

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75 b) Comportement plastique Seuil de plasticité Déformation irréversible Indépendant du temps

76 c) Comportement élasto-plastique des roches

77 2 Ductilité et rupture des roches Influence de la pression lithostatique Influence de la température

78 a) Influence de la pression lithostatique sur le phénom nomène ne de rupture Presse 10 T Cellule triaxiale, schéma de principe

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81 Effort-déformation formation à pression de confinement (lithostatique( lithostatique) ) croissante

82 b) Influence de la température

83 3 Structure thermo-mécanique de la lithosphère continentale

84 4 - Conclusion Croûte supérieure fragile, croûte inférieure ductile Conséquences sismiques Séismes fréquents dans la croûte sup. Séismes plus rares mais plus violents dans la croûte profonde Pas de séismes à > 100 km (sauf subduction) Conséquences tectoniques Roches fragiles en surface, ductiles en profondeur rupture en surface (failles) Déformations continues en profondeur (plis) Discontinuités mécaniques manteau-croûte et lithosphèreasthénosphère

85 IV - Structures tectoniques des roches et des massifs rocheux 1. Fractures 2. Plis 3. Structures planes et linéaires du domaine ductile