TD 8 : Chaînes de montagne

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1 TD 8 : Chaînes de montagne Maxime Ragon maxime.ragon@ens-lyon.fr

2 Introduction : Zone d étude CHINA L Himalaya se situe à la limite entre l Inde et la Chine. C est une chaîne de collision (remontée de l Inde vers le Nord).

3 Introduction : Zone d étude CHINA L Himalaya se situe à la limite entre l Inde et la Chine. C est une chaîne de collision (remontée de l Inde vers le Nord). Nous allons étudier ce qui se passe au Népal, dans la région de Katmandou.

4 Introduction : Zone d étude Edmund Hillary Into thin air : death on Everest L Himalaya, ce sont les montagnes les plus hautes du monde (Everest : 8848m). Le toit du monde a seulement été conquis en 1953.

5 Introduction : Zone d étude Localisation de la carte étudiée : juste à l Ouest de Katmandou

6 1. Relief et tectonique active Relief et tectonique active Question 1 Réalisez, à partir de la carte du Népal (fig. 1) un profil topographique Nord-Sud passant par la longitude 84 E. Echelle verticale : 1 cm pour 2000 m

7 1. Relief et tectonique active Relief et tectonique active Question 1 Réalisez, à partir de la carte du Népal (fig. 1) un profil topographique Nord-Sud passant par la longitude 84 E. Echelle verticale : 1 cm pour 2000 m Trait de coupe SUD NORD

8 1. Relief et tectonique active Relief et tectonique active Question 1 Réalisez, à partir de la carte du Népal (fig. 1) un profil topographique Nord-Sud passant par la longitude 84 E. Trait de coupe SUD NORD

9 1. Relief et tectonique active Relief et tectonique active Question 1 Réalisez, à partir de la carte du Népal (fig. 1) un profil topographique Nord-Sud passant par la longitude 84 E. SUD NORD

10 1. Relief et tectonique active Question 2 Localisez les deux chevauchements principaux (MBT et MCT). SUD NORD Prendre un pendage de 20 pour MBT et MCT

11 1. Relief et tectonique active Question 2 Localisez les deux chevauchements principaux (MBT et MCT). MBT = Main Boundary Thrust ou Chevauchement frontal principal MCT = Main Central Thrust ou Chevauchement central principal. SUD MBT MCT NORD

12 1. Relief et tectonique active Question 2 Rappel chevauchement : Les triangles sont du côté de la couche qui chevauche. Pendage très faible.

13 1. Relief et tectonique active Relief et tectonique active Question 3 : lien avec la topographie? «MBT» = Main Boundary Thrust Chevauchement frontal principal «MCT» = Main Central Thrust Chevauchement central principal Recopier et remplir le tableau suivant, puis formuler une hypothèse pour répondre à la question : Relief Sismicité MBT : chevauchement bordier MCT : chevauchement central

14 1. Relief et tectonique active Relief et tectonique active Question 3 : lien avec la topographie? «MBT» = Main Boundary Thrust Chevauchement frontal principal «MCT» = Main Central Thrust Chevauchement central principal Recopier et remplir le tableau suivant, puis formuler une hypothèse pour répondre à la question : MBT : chevauchement bordier Relief Faible Fort Sismicité MCT : chevauchement central

15 1. Relief et tectonique active Relief et tectonique active Question 3 : lien avec la topographie? «MBT» = Main Boundary Thrust Chevauchement frontal principal «MCT» = Main Central Thrust Chevauchement central principal Recopier et remplir le tableau suivant, puis formuler une hypothèse pour répondre à la question : MBT : chevauchement bordier Relief Faible Fort Sismicité Forte Faible MCT : chevauchement central Le MBT est très actif et participe à la formation du relief actuel, encore faible. Le MCT n est plus très actif mais à permis dans le passé la mise en place d un fort relief.

16 2. Relief et épaississement Relief et tectonique active Etude d un profil sismique

17 2. Relief et épaississement Relief et tectonique active Rappel : la sismique réflexion Sur la mer Sur Terre

18 2. Relief et épaississement Relief et tectonique active Quels sont les deux réflecteurs principaux sur ce profil? A quoi peuvent-ils correspondre? Faire le lien avec le profil topographique.

19 2. Relief et épaississement Relief et tectonique active Quels sont les deux réflecteurs principaux sur ce profil?

20 2. Relief et épaississement Relief et tectonique active Quels sont les deux réflecteurs principaux sur ce profil? A quoi peuvent-ils correspondre? 1 : Il s agit du MCT qui se prolonge en profondeur jusqu à 30km. 2 : Il s agit du Moho (base de la croûte).

21 2. Relief et épaississement Relief et tectonique active Epaisseur normale d une croûte continentale? Epaisseur au niveau du profil?

22 2. Relief et épaississement Relief et tectonique active Rappel : le MOHO Gabbro = croûte océanique Péridotites = manteau Le Moho ou discontinuité de Mohorovičić est la limite entre la croûte terrestre et le manteau supérieur de la Terre. Cette discontinuité a été détectée pour la première fois en Croatie en 1909 par Andrija Mohorovičić. Le Moho est la limite inférieure de la croûte continentale, ayant une épaisseur comprise entre 20 et 90 km (épaisseur plus grande sous les chaînes de montagnes) et de la croûte océanique ayant une épaisseur comprise entre 5 et 10 km. Le Moho est en moyenne situé à 35 km de profondeur.

23 2. Relief et épaississement Relief et tectonique active Epaisseur normale d une croûte continentale? Normale : 35 km Epaisseur au niveau du profil? Profil : ~70 km donc le double Le chevauchement permet ici de doubler l épaisseur de la croûte continentale sous l Himalaya

24 2. Relief et épaississement Relief et tectonique active Remarque : En profondeur, le MBT et le MCT finissent par se confondre. On parle alors de MHT (Main Himalayan Thrust = Chevauchement Himalayen Principal). MBT MCT SUTURE CROUTE INDIENNE MHT CROUTE ASIATIQUE MANTEAU MOHO

25 3. Métamorphisme et raccourcissement

26 3. Métamorphisme et raccourcissement Quelques définitions à savoir : Métamorphisme : ensemble des transformations à l état solide qui entraînent un réarrangement à l échelle atomique des éléments d une roche, sous l effet de variations de température, de pression ou de composition. Métasomatose : processus métamorphique par lequel il y a, dans un élément au sein d'une roche, remplacement d'un minéral par un autre, atome par atome, molécule par molécule (facultatif) Protolithe : roche initiale ou roche mère qui, par une série de transformations géothermobarométriques, donne une roche métamorphique. Paragenèse : association de minéraux dans une roche donnée qui sont stables dans certaines conditions de température et de pression (communauté d origine). Le métamorphisme entraîne la transformation d une paragenèse initiale en une nouvelle paragenèse.

27 3. Métamorphisme et raccourcissement Quelques définitions à savoir : Le paramétamorphisme affecte les roches sédimentaires Grès Paragneiss Et l orthométamorphisme affecte les roches magmatiques. Granite Orthogneiss

28 3. Métamorphisme et raccourcissement Rappel : diagrammes P/T Domaine : zone d existence du minéral Ligne : transformation d un minéral en un autre Exemple : transformation de l andalousite en sillimanite si P et T augmentent

29 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement Rappel : diagrammes P/T Prograde Rétrograde Deux types de métamorphisme : - Prograde : augmentation de P et T. - Rétrograde : diminution de P et T.

30 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement 1) Placez les roches suivantes sur le diagramme Placer les roches sur le diagramme P/T ROCHE 2 Gneiss avec paragenèse initiale : Grenat-Biotite Muscovite-Sillimanite Rétromorphosée en: Chlorite et Staurotide Main Central Thrust ROCHE 1 Argile métamorphisée : Grenat-Chlorite+Staurotide+Sillimanite MBT MCT SUTURE CROUTE INDIENNE 1 2 MHT CROUTE ASIATIQUE MANTEAU MOHO

31 Intermède : Quelques minéraux des roches métamorphiques

32 Grenats Minéral rouge/brun/violet Le plus fréquent est l almandin. Roches métamorphiques variées.

33 Grenats Minéral rouge/brun/violet Le plus fréquent est l almandin. Roches métamorphiques variées. En lame mince LPNA : rosé, hexagonal. Noir en LPA.

34 Chlorite Minéral vert (faible pression, faible température) Se développe souvent en remplacement d autres minéraux. Sur la roche : grenat et chlorite sont à l équilibre (même paragenèse). Sur la lame : la chlorite remplace le grenat (elle est plus tardive).

35 Staurotide Minéral jaune paille. Forme caractéristique en roche : croisette de Bretagne Allongé avec fort relief en lame mince. Moyenne à haute pression, température moyenne.

36 Roche incolore à texture fibreuse En LPA : fibres jaunes-orangées regroupées en paquets. Flammes/cheveux. Sillimanite

37 Muscovite et biotite Mica blanc = Muscovite et Mica noir = Biotite. Minéraux en feuillets, blancs ou brun-noir. En LPNA : muscovite transparente et biotite orange-brun En LPA : colorations multiples vert-rose.

38 Roche 1 : argile métamorphisée Grenat-Chlorite-Staurotide-Sillimanite Argile métamorphisée = Ardoise!!

39 Roche 2 : gneiss profond Paragenèse initiale : Grenat-Biotite-Muscovite-Sillimanite Rétromorphose : apparition de chlorite et staurotide

40 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement 1) Placez les roches suivantes sur le diagramme Placer les roches sur le diagramme P/T ROCHE 2 Gneiss avec paragenèse initiale : Grenat-Biotite Muscovite-Sillimanite Rétromorphosée en: Chlorite et Staurotide Main Central Thrust ROCHE 1 Argile métamorphisée : Grenat-Chlorite+Staurotide+Sillimanite

41 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement 1) Placez les roches suivantes sur le diagramme Placer les roches sur le diagramme P/T ROCHE 2 Gneiss avec paragenèse initiale : Grenat-Biotite Muscovite-Sillimanite Rétromorphosée en: Chlorite et Staurotide Main Central Thrust ROCHE 1 Argile métamorphisée : Grenat-Chlorite+Staurotide+Sillimanite Replacez dans ce diagramme la roche 1, la paragenèse initiale de la roche 2 et la rétromorphose de la roche 2.

42 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement 1) Placez les roches suivantes sur le diagramme Placer les roches sur le diagramme P/T Main Central Thrust ROCHE 1 Argile métamorphisée : Grenat-Chlorite+Staurotide+Sillimanite Replacez dans ce diagramme la roche 1, la paragenèse initiale de la roche 2 et la rétromorphose de la roche 2.

43 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement 1) Placez les roches suivantes sur le diagramme Placer les roches sur le diagramme P/T ROCHE 2 Gneiss avec Paragenèse initiale : Grenat-Biotite Muscovite-Sillimanite Rétromorphosée en : Chlorite et Staurotide Main Central Thrust ROCHE 1 Argile métamorphisée : Grenat-Chlorite+Staurotide+Sillimanite Replacez dans ce diagramme la roche 1, la paragenèse initiale de la roche 2 et la rétromorphose de la roche 2.

44 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement 1) Placez les roches suivantes sur le diagramme Comment les roches ont bougé au cours du temps sur le diagramme? ROCHE 2 Gneiss avec Paragénèse initiale : Grenat-Biotite Muscovite-Sillimanite Rétromorphosée en : Chlorite et Staurotide Main Central Thrust ROCHE 1 Argile métamorphisée : Grenat-Chlorite+Staurotide+Sillimanite

45 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement 1) Placez les roches suivantes sur le diagramme Comment les roches ont bougé au cours du temps sur le diagramme? 20 Ma Main Central Thrust ROCHE 1 Argile métamorphisée (~20Ma) : Grenat-Chlorite+Staurotide+Sillimanite 25 Ma

46 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement 1) Placez les roches suivantes sur le diagramme Comment les roches ont bougé au cours du temps sur le diagramme? 20Ma 25Ma Av. 25Ma ROCHE 2 Paragénèse initiale (<25Ma) : Grenat-Biotite Muscovite-Sillimanite Rétromorphosée (~20 Ma) en : Chlorite et Staurotide Main Central Thrust ROCHE 1 Argile métamorphisée (~20Ma) : Grenat-Chlorite+Staurotide+Sillimanite 25Ma

47 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement 1) Placez les roches suivantes sur le diagramme Comment les roches ont bougé au cours du temps? 20Ma 25Ma Av. 25Ma 20Ma : remontée du gneiss descente des argiles 25Ma Comment ces deux roches sont-elles arrivées à l affleurement?

48 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement 1) Placez les roches suivantes sur le diagramme Comment les roches ont bougé au cours du temps? 25Ma 20Ma : remontée du gneiss descente des argiles 20Ma Av. 25Ma 25Ma Comment ces deux roches sont-elles arrivées à l affleurement? Par érosion Etat final (0Ma)

49 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement 2) 1) Estimez Placez les la roches distance suivantes parcourue sur le long diagramme du chevauchement Estimation de la distance de chevauchement EI (état initial) D1 α EF (état final) 20Ma 25Ma Av. 25Ma D2 Distance parcourue par l argile (roche 1) le long du chevauchement : D1 Expression de la pression P en fonction de la profondeur z : P = ρgz. EI 25Ma Comment peut-on calculer D1? Rappel : 1 Pa = 1 N.m -2 = 1 kg.m -1.s -2

50 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement 2) 1) Estimez Placez les la roches distance suivantes parcourue sur le long diagramme du chevauchement Estimation de la distance de chevauchement Distance parcourue par l argile (roche 1) le long du chevauchement : D1 Expression de la pression P en fonction de la profondeur z : P= ρgz. Comment peut-on calculer D1? A l état initial, l argile est à la surface z=0. A l état final, l argile est à 4 kbar ce qui correspond à : z = P ρg = Rappel : 1 Pa = 1 N.m -2 = 1 kg.m -1.s -2

51 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement 2) 1) Estimez Placez les la roches distance suivantes parcourue sur le long diagramme du chevauchement Estimation de la distance de chevauchement Distance parcourue par l argile (roche 1) le long du chevauchement : D1 Expression de la pression P en fonction de la profondeur z : P= ρgz. Comment peut-on calculer D1? A l état initial, l argile est à la surface z=0. A l état final, l argile est à 4 kbar ce qui correspond à : z = P = /(2700x10) = 14,8 km ρg Rappel : 1 Pa = 1 N.m -2 = 1 kg.m -1.s -2

52 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement 2) 1) Estimez Placez les la roches distance suivantes parcourue sur le long diagramme du chevauchement Estimation de la distance de chevauchement Distance parcourue par l argile (roche 1) le long du chevauchement : D1 Expression de la pression P en fonction de la profondeur z : P= ρgz. Comment peut-on calculer D1? A l état initial, l argile est à la surface z=0. A l état final, l argile est à 4 kbar ce qui correspond à : z = P = /(2700x10) = 14,8 km ρg Et pour D1? Rappel : 1 Pa = 1 N.m -2 = 1 kg.m -1.s -2

53 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement 2) 1) Estimez Placez les la roches distance suivantes parcourue sur le long diagramme du chevauchement Estimation de la distance de chevauchement Distance parcourue par l argile (roche 1) le long du chevauchement : D1 Expression de la pression P en fonction de la profondeur z : P= ρgz. Comment peut-on calculer D1? A l état initial, l argile est à la surface z=0. A l état final, l argile est à 4 kbar ce qui correspond à: z = P = /(2700x10) = 14,8 km ρg D1= (z-0)/sin(α) = 14,8/sin(20) 43 km

54 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement 2) 1) Estimez Placez les la roches distance suivantes parcourue sur le long diagramme du chevauchement Estimation de la distance de chevauchement Distance parcourue par le gneiss le long du chevauchement : D2 Expression de la pression P en fonction de la profondeur z : P = ρgz. Comment peut-on calculer D2?

55 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement 2) 1) Estimez Placez les la roches distance suivantes parcourue sur le long diagramme du chevauchement Estimation de la distance de chevauchement Distance parcourue par le gneiss le long du chevauchement : D2 Expression de la pression P en fonction de la profondeur z : P = ρgz. Comment peut-on calculer D2? A l état initial, le gneiss est à 8 kbar, ce qui correspond à : Z 0 = P = /(2700x10) = 29,6 km ρg A l état final, le gneiss est à 4 kbar, ce qui correspond à : Z = P = /(2700x10) = 14,8 km ρg Donc : D2= (z-z0)/sin(α) = (29,6-14,8)/sin(20) 43 km

56 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement 2) 1) Estimez Placez les la roches distance suivantes parcourue sur le long diagramme du chevauchement Estimation de la distance de chevauchement Attention : la distance totale parcourue est égale à la somme des deux! D1 + D2 = 86 km.

57 III- Métamorphisme et raccourcissement 3. Métamorphisme et raccourcissement Métamorphisme et raccourcissement 2) 1) Estimez Placez les la roches distance suivantes parcourue sur le long diagramme du chevauchement Estimation de la distance de chevauchement Attention : la distance totale parcourue est égale à la somme des deux! D1 + D2 = 86 km. Après 20 Ma? L érosion et l activation du MBT font «remonter» passivement les roches vers la surface

58 III- Métamorphisme et raccourcissement 4. Vitesse de raccourcissement 2) 1) Estimez Placez les la roches distance suivantes parcourue sur le long diagramme du chevauchement EI D1 25Ma α L1 EF L2 D2 25Ma 20Ma Comment peut-on exprimer le raccourcissement total imposé par le chevauchement? En déduire l expression de la vitesse. EI

59 III- Métamorphisme et raccourcissement 4. Vitesse de raccourcissement 2) 1) Estimez Placez les la roches distance suivantes parcourue sur le long diagramme du chevauchement EI D1 25Ma α L1 EF R L2 D2 25Ma 20Ma Comment peut-on exprimer le raccourcissement total imposé par le chevauchement? En déduire l expression de la vitesse. EI R = L1 + L2 R = D1 cos (α) + D2 cos (α) R = (D1 + D2) cos (α) V = R/t = (D1+D2) x cos (α) / t = 86 x cos(20) / 5 = 16 km/ma = 16 mm/an = 1,6 cm/an