CHAPITRE 2 : DE LA DERIVE DES CONTINENTS A LA TECTONIQUE DES PLAQUES

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1 Thème 1B La tectonique des plaques : histoire d un modèle CHAPITRE 2 : DE LA DERIVE DES CONTINENTS A LA TECTONIQUE DES PLAQUES Faute de connaissances suffisantes sur la structure et le fonctionnement de la planète Terre, la théorie de la dérive des continents est abandonnée à la fin des années Dans les années , de nouvelles données océanographiques et sismiques vont relancer l hypothèse d une mobilité des continents. Pb : Comment l étude des fonds océaniques a-t-elle permis de relancer et valider l hypothèse de la mobilité des continents? I/ L hypothèse de l expansion des fonds océaniques a) La découverte des reliefs des fonds océaniques Dans les années 1950, les techniques nouvelles d échosondage permettent de cartographier les fonds océaniques jusque là mal connus. Trois structures principales caractérisent la topographie des reliefs sous-marins : Les marges continentales. Elles peuvent être soit passives constituées d un plateau peu profond (de 0 à 200m), prolongé par un talus qui descend jusqu aux plaines abyssales, soit actives et peuvent être bordées d une fosse océanique très profonde (de 7000 à 11000m) Les plaines abyssales vers m de profondeur Les dorsales océaniques : reliefs sous-marins de plus de km de long et souvent le siège d un volcanisme effusif. b) Les mesures de flux géothermique Le flux géothermique correspond à la dissipation en surface de la chaleur interne du globe. Si sa valeur moyenne est de 60mW/m 2, sans différence marquée entre continents et océans, le flux géothermique se révèle particulièrement important à l aplomb des dorsales. Ces variations révèlent la plus ou moins grande proximité en profondeur de matériaux à haute température. 1

2 Les mesures de flux thermiques montrent d'importants dégagements de chaleur au niveau des dorsales océaniques, ce qui confirme l'hypothèse d'une expansion océanique par remontée de magma au milieu des océans. c) L hypothèse de Hess Dans les années 1960, Hess propose une hypothèse explicative pour rendre compte de l ensemble des observations disponibles à cette date. Selon lui, le manteau terrestre serait animé de courants de convection (comme le suggérait Holmes 30 ans plus tôt) : - Des courants ascendants au niveau des dorsales seraient à l origine de la formation de la croûte océanique - Des courants descendants au niveau des fosses océaniques provoqueraient une disparition de cette croûte. Ainsi, de part et d autre de chaque dorsale, la croûte océanique serait en permanence recyclée. Cependant, si ce modèle marque une révolution dans les sciences de la Terre, il n est pas encore adopté par l ensemble de la communauté scientifique. BILAN : A la fin des années 1950, de nombreuses données apparaissent concernant les fonds océaniques : - Les océans sont parcourus par de vastes reliefs : les dorsales - Ils peuvent être bordés par de profondes fosses océaniques - Les dorsales sont le siège d une importante dissipation du flux géothermique Ces données conduisent à proposer, en 1962, que la croûte océanique est formée en permanence au niveau des dorsales suite à une remontée de matériel chaud à l état solide provenant du manteau grâce à des mouvements de convection. Elle s écarte ensuite de la dorsale, tel un double tapis roulant : c est l hypothèse de l expansion océanique. II/ L apport du paléomagnétisme A la fin des années 1950, on découvre que le magnétisme terrestre peut être enregistré dans certaines roches au moment de la formation. L étude de ce «magnétisme fossile» ou paléomagnétisme va conforter l hypothèse de déplacements des masses continentales. a) Le champ magnétique terrestre actuel et fossile Le champ magnétique terrestre est la conséquence d écoulements de matière ionisée (courants électriques) dans le noyau externe liquide. Certaines roches comme le basalte peuvent conserver les caractéristiques du champ magnétique qui règne à l époque de leur formation. En effet, lors de la formation du basalte, quand celui-ci a une température supérieure à 600 C, il perd toute aimantation : c est le point de Curie du basalte (plus exactement des ferromagnésiens). Quand la lave refroidit en dessous du point de Curie, les ferromagnésiens acquièrent le champ magnétique qu ils subissent, ici le champ magnétique terrestre. Ils peuvent donc garder en mémoire ce champ magnétique (tant qu ils ne sont pas chauffés au-delà du point de Curie). 2

3 On peut ainsi détecter dans un échantillon de roche la «trace» de ce champ magnétique ancien (ou champ paléomagnétique). La position du paléopôle magnétique au moment de la formation de la roche peut alors être retrouvée. Vers le milieu des années 1950, des études du paléomagnétisme donnent des résultats surprenants : - Des roches de même âge mais prélevées sur trois continents différents «pointent» trois paléopôles différents - Des roches prélevées sur un seul continent mais d âges variés semblent indiquer «une dérive du paléopôle» au cours du temps Comme le pôle magnétique est resté stable (et unique) au cours des temps géologiques, ces résultats ne peuvent s interpréter qu en admettant des déplacements relatifs des continents. L idée de la dérive des continents est ainsi réactualisée par ces travaux. b) La découverte des anomalies magnétiques Les études de paléomagnétisme montrent d autre part que, si l axe géomagnétique est resté globalement stable, la polarité du champ magnétique terrestre, en revanche, a subi des inversions au cours des temps géologiques : à certaines périodes, qualifiées d inverses, les pôles magnétiques Nord et Sud étaient inversés par rapport à la situation actuelle, qualifiée de normale. Les relevés magnétiques effectués au niveau du plancher océanique montrent des anomalies remarquables : il s agit de bandes grossièrement parallèles à l axe de la dorsale et qui présentent alternativement un champ magnétique plus fort que la valeur attendue (anomalie positive) ou plus faible (anomalie négative). Ces bandes, de largeur variable, sont disposées de manière symétrique par rapport à l axe de la dorsale. En 1963, Vine et Mathews mettent en relation ces différentes données et l hypothèse de Hess-Dietz. Ils proposent alors un modèle de formation du plancher océanique caractérisé par une montée permanente de lave basaltique dans l axe des dorsales, les basaltes plus anciens étant repoussés de part et d autre de la dorsale. Le plancher océanique est donc bien en expansion. Les basaltes mis en place au cours des périodes normales présentent une anomalie magnétique positive ; les bandes d anomalie négative correspondent donc à des basaltes mis en place pendant des périodes inverses. 3

4 BILAN : Lors de leur refroidissement, des roches comme les basaltes, acquièrent une aimantation qui est à l origine d un champ magnétique propre de même direction et de même sens que le champ magnétique terrestre ambiant. Au début du 20 ème siècle, l étude du champ magnétique enregistré dans des basaltes d âge variés prouve que le sens du champ magnétique terrestre s est régulièrement inversé au cours des temps géologiques. Le calendrier géologique des inversions paléomagnétiques étant connu, il devient possible de mesurer la vitesse d expansion des océans. III/ La construction d un modèle global : la tectonique des plaques Comprendre le modèle global de la tectonique des plaques a conduit à définir la notion de plaque tectonique et pour cela d étudier la distinction entre lithosphère et asthénosphère. a) La distinction lithosphère / asthénosphère La subduction est le plongement d'une plaque subduite sous une plaque chevauchante dans un contexte de frontière de plaques convergentes. Ce contexte géodynamique a permis de mettre en évidence la distinction entre lithosphère et asthénosphère. Les caractéristiques thermiques d une zone de subduction La tomographie sismique a permis de comprendre la structure interne de la Terre. Cette technique utilise la vitesse des ondes sismiques : Ø Dans les zones chaudes, la vitesse des ondes sismiques a tendance à diminuer. Ø Dans les zones froides, la vitesse des ondes sismiques augmenter. On retrouve les anomalies négatives dans les zones chaudes comme au niveau des dorsales, ce qui montre une remontée de l'asthénosphère. Les anomalies positives sont situées dans les zones froides, comme les zones de subduction, au niveau des fosses océaniques. 4

5 Les mesures du flux géothermique confirment la présence de telles anomalies thermiques : elles permettent de modéliser la disposition des isothermes en profondeur. Toutes ces études montrent qu au niveau d une zone de subduction, une structure froide semble plonger dans une structure plus chaude. Les caractéristiques sismiques d une zone de subduction Wadati et Benioff constatent qu au niveau des zones de subduction les foyers des séismes se répartissent selon un plan incliné d une épaisseur d environ 100km et qui plonge plus ou moins brutalement sous la fosse puis sous l arc volcanique. Les foyers des séismes, de plus en plus profonds en s éloignant de cet arc, peuvent atteindre une profondeur maximale de 700km environ. Ces observations révèlent la présence, jusqu à une profondeur importante, d une structure rigide, au comportement cassant. Les études sismiques permettent de montrer que la lithosphère est une structure rigide qui s enfonce dans l asthénosphère, structure plus ductile. BILAN : Ces données peuvent être interprétées par le plongement (ou subduction) d une plaque froide, rigide de lithosphère océanique ; cette plaque cassante plonge dans un manteau plus chaud, peu rigide et ductile, l asthénosphère. L isotherme 1300 C marque la limite entre ces deux structures. 5

6 b) Les failles transformantes et l énoncé de la théorie de la tectonique des plaques Le phénomène de l expansion océanique est désormais admis par la communauté scientifique. La découverte d un nouveau type de faille va contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes de déplacement relatif des plaques lithosphériques. Wilson, dans les années 1960, nomme failles transformantes de grandes cassures qui décalent l axe des dorsales océaniques. Ces failles présentent une activité sismique importante qui correspond à des mouvements de coulissage entre les deux plaques en contact. En 1967, Morgan remarque que la géométrie des failles transformantes peut s expliquer si on admet un modèle en plaques rigides qui se déplacent à la surface sphérique du globe. Ce type de déplacement correspond à une rotation de la Terre autour d un axe dit eulérien recoupant la surface de la Terre au niveau du pôle eulérien de rotation. Les failles transformantes d une dorsale sont de petits arcs de cercles tous centrés sur le même pôle eulérien. Leur observation permet donc de localiser ce pôle et de reconstituer le déplacement des deux plaques. Comme le modèle le prévoit, la longueur des failles transformantes augmente en s éloignant du pôle eulérien. A la fin des années 1960, le géologue français Le Pichon propose de diviser la surface du globe en 6 plaques lithosphériques et décrit leurs déplacements relatifs : les plaques divergent au niveau des dorsales, coulissent au niveau des failles transformantes et convergent au niveau des fosses. 6

7 BILAN : A la fin des années 1960, les géologues intègrent les différents types de mouvements horizontaux de la lithosphère dans un modèle global : celui de la tectonique des plaques. Dans ce modèle, la lithosphère est découpée en plaques rigides qui sont en rotation à la surface du globe. Les frontières divergentes se situent au niveau des dorsales, les frontières convergentes au niveau des zones de subduction et les frontières décrochantes au niveau des failles transformantes. c) Les points chauds (volcanisme intraplaque) en accord avec le modèle En de nombreux endroits du globe, on observe des alignements d appareils volcaniques qualifiés d intraplaque car ils sont situés loin d une frontière de plaque. L âge de ces volcans est régulièrement croissant d une extrémité de l alignement à l autre, le volcan actuellement actif occupant l extrémité la plus jeune. Pour expliquer ces faits, Morgan émet l hypothèse que ces volcans proviennent de l activité d un point chaud : il s agit d un panache de matériel chaud provenant d une région fixe du manteau profond ; des magmas issus de ce matériel perforent épisodiquement la plaque lithosphérique qui dérive au dessus de ce point chaud. Il est ainsi possible de déterminer direction et vitesse de déplacement de la plaque au dessus du point chaud ; les résultats obtenus sont cohérents avec le modèle global. BILAN : Le modèle de la tectonique des plaques permet de fournir une explication aux alignements de volcans observés au sein des plaques. Ils sont dus au passage d une plaque au dessus d une source de magma supposée fixe : le point chaud. 7

8 BILAN GENERAL DU CHAPITRE 2 De la dérive des continents à la tectonique des plaques L hypothèse de l expansion des fonds océaniques Dans les années 1950, des campagnes océaniques révèlent la topographie des fonds océaniques. Les mesures du flux géothermique montrent son inégale répartition à la surface de la Terre et notamment sa valeur élevée au niveau des dorsales. Hess fait la synthèse des données scientifiques disponibles et formule l hypothèse dite du double tapis roulant : sous l action de courants de convection circulant dans le manteau terrestre, la croûte océanique se forme au niveau des dorsales, s en éloigne et finalement disparaît au niveau des fosses océaniques. L apport du paléomagnétisme Le champ magnétique terrestre peut être «fossilisé» dans des roches comme le basalte, qui enregistrent, au moment de leur formation, les caractéristiques de ce champ magnétique. L étude du paléomagnétisme, enregistré dans des roches d origines géographiques et d âges variés, montre que les continents ont subi des déplacements relatifs. Les anomalies magnétiques découvertes au niveau du plancher océanique sont interprétées par Vine et Matthews comme des marqueurs de l expansion océanique. La construction d un modèle global : La tectonique des plaques L étude des caractéristiques thermiques et sismiques des zones de subduction a permis de confirmer que la lithosphère océanique rigide plonge dans le manteau externe ductile (auquel on a donné le nom d asthénosphère). La découverte des failles transformantes est à l origine de la compréhension du déplacement des plaques lithosphériques rigides sur une sphère. Le modèle de la tectonique des plaques, élaboré à partir de données très variées, propose une explication cohérente avec l ensemble de ces données. Le volcanisme intraplaque, ou volcanisme de point chaud, peut lui aussi s expliquer dans le cadre du modèle global. 8

9 Schéma bilan du chapitre 2 De la dérive des continents à la tectonique des plaques 9