Chapitre 5

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1 Chapitre 5 Pauline Alméras

2 Table des matières CHAPITRE 5 LA CARACTERISATION DU DOMAINE CONTINENTAL... 2 I Comparaison des croûtes continentale et océanique... 2 A Comparaison des caractéristiques physiques des deux types de croûte... 2 B L âge de la croute continentale... 4 II La lithosphère en équilibre sur l asthénosphère... 6 A La répartition des masses en profondeur : le modèle d Airy... 6 B Un équilibre dynamique... 8 III Les indices d un épaississement crustal A Etude des roches : des indices pétrographiques B Etude des paysages : des indices tectoniques Conclusion

3 CHAPITRE 5 LA CARACTERISATION DU DOMAINE CONTINENTAL A la fin du 19 e siècle, les géologues se sont intéressés à la répartition de l altitude sur la Terre. Celle-ci ne présente pas un pic unique de fréquence, comme on s y attendait alors, mais deux : on dit que la répartition de l altitude est bimodale. Cette répartition suggère que le domaine océanique et le domaine continental sont d une nature différente : leur distinction ne se limite pas à une question de terres immergées ou émergées. Nous allons voir quelles sont les spécificités du domaine continental. I Comparaison des croûtes continentale et océanique A Comparaison des caractéristiques physiques des deux types de croûte En quoi la croûte continentale est-elle différente de la croûte océanique? TP 9 - Activité 1 : Observation de granite (échantillon + lame mince), la roche la plus représentative du domaine continental. Détermination de sa structure et de sa composition minéralogique - Activité 2 : Mesure de la densité d une roche : il faut calculer la masse volumique donc on a besoin de la masse et du volume. Pour la masse, on utilise une balance. Pour le volume, on remplit une éprouvette d eau et on note le volume initial (exemple 100ml), puis on ajoute la roche et on note le volume final ; on peut ainsi en déduire le volume occupé par la roche. Masse volume de la roche (en g/cm 3 )/masse volumique de l eau (1g/cm 3 ) = densité (grandeur sans unité) - Mesure de la densité de la croûte continentale : prise en compte des proportions des différentes roches. Densité moyenne = densité roches sédimentaires * 11% + densité roches métamorphiques * 44,5% + densité du granite * 44,5 % 2

4 - Activité 3 : Exploitation d un sismogramme pour déterminer la profondeur du Moho. Croûte océanique (rappels de 1eS) Croûte continentale (programme de TS) Log Principales roches (de la surface vers la profondeur) Texture des principales roches magmatiques Principaux minéraux présents dans les roches magmatiques Caractéristiques chimiques notable de ces minéraux - Couche de roches sédimentaire plus ou moins épaisse (selon l âge de la croûte) - Basalte - Gabbro - Basalte : texture microlithique Gabbro : texture grenue Basalte et gabbro : - Feldspath plagioclase - Olivine - Pyroxène Minéraux riches en fer et en magnésium ; présence de silicium plus faible que dans la croûte continentale. - Couche peu épaisse de roches sédimentaires ou volcaniques en surface - Granites, granitoïdes et roches métamorphiques en profondeur. Toutes ces roches ont une composition chimique comparable au granite. * Les roches métamorphiques sont issues de la transformation d autres roches sous l effet de contraintes et pression et/ou température. - Granite : texture grenue Granite : - Feldspath plagioclase - Feldspath orthose - Quartz - Biotite (mica noir) - + ou muscovite (mica blanc) Minéraux plus riches en calcium et surtout en silicium, par comparaison avec la croûte océanique. Densité moyenne de la croûte Epaisseur moyenne de la croûte 2,9 2,7 6 ou 7 km La croûte continentale est moins dense que la croûte océanique. 30 km La croûte continentale est plus épaisse que la croûte océanique. 3

5 Rappel de la structure superficielle de la Terre : La croute continentale est principalement formée de roches voisines du granite. Elle est d une densité plus faible que la croûte océanique, mais elle est plus épaisse. B L âge de la croute continentale Comment peut-on déterminer l âge de la croûte continentale? 1 LE PRINCIPE DE LA MESURE 1- Répondre à la question 1 page Précisez en quoi le couple rubidium/strontium est adapté à la datation de la formation des roches. 3- Repassez en vert l isochrone que l on obtiendrait actuellement en mesurant les rapports de rubidium et de strontium dans les différents minéraux de cette roche. 4- Ajoutez en rouge l isochrone à t=0 (donc au moment de la cristallisation de la roche). Q1 - La présence d éléments radioactifs dans les roches permet de déterminer leur âge. En effet tout élément radioactif se désintègre en suivant une loi de décroissance exponentielle : il a une demi-vie fixe. Les proportions d éléments pères et fils sont donc mathématiquement liées. Q2 - Pour dater les roches de la croute, on utilise le couple Rubidium/Strontium, car le rubidium a une demi-vie longue, proche de 50 Ma : on peut ainsi dater des roches très anciennes. t = ln(a+1)/ λ Vous devez savoir utiliser cette formule, mais il est inutile de la connaitre par cœur. 4

6 Cette méthode est appelée radiochronologie. A un instant t, les rapports isotopiques des différents échantillons d une roche se positionnent sur une droite isochrone. Le coefficient directeur de cette droite permet de calculer l âge de la roche. 2 MISE EN PRATIQUE TP 10.1 : Datation d un granite breton Etape A : On vérifie dans le granite la présence de minéraux susceptibles de contenir du rubidium et du strontium : la biotite et le plagioclase. On utilise ensuite les rapports isotopiques de chaque granite (obtention d une droite isochrone) afin de déterminer leur âge. Si ces granites ont un âge différent, on pourra en déduire que la Bretagne a connu au moins 2 épisodes magmatiques. Demander les rapports isotopiques pour les roches D un point de vue technique : savoir faire un graphique. Veiller à ce que les valeurs soient considérées comme des nombres et non comme du texte. Savoir faire une droite de régression linéaire, obtenir son équation, préciser l affichage. Entrer une formule de calcul. Etape B : Présentation des résultats : photo ou schématisation de chaque lame avec mise en évidence de la biotite et du plagioclase. Impression de la droite isochrone. Présentation des 2 âges obtenus. Les minéraux du granite peuvent comporter du rubidium et du strontium : on peut donc appliquer la méthode de radiochronologie pour dater ce granite. La datation donne un âge différent pour les deux granites, en tenant compte de l incertitude des mesures. La Bretagne a donc connu au moins 2 épisodes magmatiques. 3 GENERALISATION En utilisant la radiochronologie, on peut dater de nombreuses roches continentales puisque celle-ci sont essentiellement de granites et de granitoïdes. On constate que les roches de la croute continentales les plus anciennes ont un peu plus de 4 Ga (âge de la Terre = 4,6 Ga), et remontent à la formation des premiers continents. C est bien plus ancien que pour les roches du domaine océanique, qui ont au plus 200 Ma. 5

7 II La lithosphère en équilibre sur l asthénosphère A La répartition des masses en profondeur : le modèle d Airy Qu est-ce que le modèle d Airy? Est-il cohérent avec ce qu on observe en domaine continental? 1 - Modélisation analogique TP 10.2 Modèle d Airy : existence en profondeur d une surface de compensation au niveau de laquelle les masses s équilibrent. Le relief des montagnes est compensé par une racine crustale, de densité relativement faible. Légende à placer : - Croûte continentale : jaune - Manteau : rouge + noir (manteau ductile) - Montagne - Racine crustale - Surface de compensation 2 - Modélisation numérique TP 11.1 En se basant sur la densité de la croûte continentale et du manteau, on peut calculer la profondeur attendue de la racine crustale en fonction de l altitude du relief. 6

8 Ainsi sous une montagne de 3000 m (3Km) la racine crustale attendue est de 13,5 Km. Localement, la croute continentale mesure donc 46,5 Km(3 km de relief positif (montagne) + 30 km de croute «classique» + 13,5 km de racine). Le relief de la racine est nettement supérieur au relief observable en surface. Activité 3 : confrontation du modèle à la réalité La sismique réflexion (voir TP 9 avec Sismolog) permet de déterminer la profondeur du Moho. On peut ainsi établir une carte des profondeurs. On constate que le Moho est plus profond au niveau des chaines de montagne : de 40 à 60 Km de profondeur. Ces résultats sont conformes à ce qui est attendu avec le modèle. Bilan : En profondeur, dans le manteau, il existe une surface de compensation au niveau de laquelle les contraintes exercées par les colonnes de roches sont équivalentes. Ainsi «l excès» superficiel de masse d une montagne est compensé en profondeur par un «déficit» de masse, correspondant à une racine crustale importante de densité plus faible que le manteau. Au niveau du manteau, le manteau lithosphérique, assez rigide, suit globalement ce relief. L équilibre est en réalité atteint au niveau du manteau asthénosphérique qui est plus chaud donc déformable*. Cet état d équilibre en profondeur est appelé isostasie. *Rappel : La limite entre le manteau lithosphérique et le manteau asthénosphérique est une limite thermique (1200 C environ). 7

9 Remarque : En plus des différentes caractéristiques de la croute océanique et de la croute continentale (épaisseur ), l isostasie contribue à la différence d altitude entre continents et océans : la croûte océanique, plus dense que la croûte continentale, s enfonce en-dessous du niveau de la mer. B Un équilibre dynamique Les mesures GPS permettent de connaitre le mouvement absolu des continents. Les balises placées sur la Scandinavie montrent une élévation des terrains. Comment expliquer ce mouvement vertical de la croûte continental? Exercice 2a de Nouvelle Calédonie, 2014 Courte intro : on reprend la problématique On cherche à montrer l existence de mouvements verticaux en Scandinavie, et à préciser l origine de ces mouvements. 1. Réalité de mouvements verticaux en Scandinavie (exploitation des documents 1 et 2) Le document 1 indique que la Scandinavie se soulève. Ce soulèvement est maximal dans la région du golfe de Botnie (Vasaa), où il atteint une centaine de mètres. La vitesse moyenne de soulèvement durant les dernières années est de 1,6 cm/an (100 m : ans = 0, 016 m). 8

10 Le document 2 indique que la région de Vasaa, entre 2000 et 2012, s est élevée de 12 cm, soit une moyenne de 1 cm/an. Le soulèvement amorcé il y a au moins ans se poursuit actuellement mais à une vitesse plus faible : 1cm/an au lieu de 1,6 cm/an en moyenne. 2. Origine des mouvements verticaux Il y a environ ans, la plus grande partie de la Scandinavie était occupée par une calotte glaciaire. Il y a ans, cette calotte était considérablement réduite, ce qui témoigne de la fonte des glaces. Actuellement celles-ci ont avoir totalement disparu. Le soulèvement semble donc être la conséquence de la disparition de la calotte glaciaire. Modélisation : Avant le dépôt des glaces, la lithosphère était en équilibre isostatique sur l asthénosphère : La mise en place de la calotte glaciaire a entraîné une surcharge à l origine d un affaissement de la lithosphère, jusqu à atteindre un nouvel équilibre isostatique. (Mouvement vertical dirigé vers le bas.) Affaissement : mouvements verticaux La disparition de la surcharge due aux glaces induit un nouveau déséquilibre isostatique qui conduit à un soulèvement vertical dirigé vers le haut. On parle de rebond isostatique. 9

11 Bien que le glacier ait disparu depuis 6000 ans, le mouvement vertical se poursuit. On en déduit que le réajustement isostatique n est pas encore complètement achevé dans cette région. L isostasie est un équilibre dynamique. Suite à un changement d état, un rééquilibrage isostatique se met donc en place, mais cela prend du temps (plusieurs milliers d années). III Les indices d un épaississement crustal Les chaines de montagne se forment dans un contexte de convergence. Elles présentent une racine crustale, donc un épaississement de la croûte. Dans les chaines actuelles (ex : Alpes) ou passées (ex : massif armoricain), on doit pouvoir trouver des traces de cet épaississement. Comment l étude des paysages et des roches de ces régions permet-elle de montrer un épaississement de la croûte continentale? A Etude des roches : des indices pétrographiques Exercice Définitions : - Métamorphisme = modifications de texture et/ou minéralogie d une roche à l état solide o Une schistosité correspond à une réorganisation des minéraux sous l effet de contraintes de pression importantes. o Des minéraux caractéristiques du métamorphisme : certains minéraux se mettent en place dans un domaine particulier de pression et de température. Le grenat et la coésite par exemple ne se forme qu à des pressions fortes. - Anatexie : fusion partielle d une roche sous l effet de contraintes importantes (température toujours élevée, + éventuellement pression élevée). L étude des roches permet de retracer une partie de leur histoire. On peut ainsi avoir une idée des conditions de pression et de température qu elles ont subies. 10

12 La présence des roches métamorphiques et d anatexie dans les chaines de montagnes (actuelles ou anciennes) montre qu elles ont subi de fortes pressions liées au contexte de la convergence et de l épaississement crustal. B Etude des paysages : des indices tectoniques TP 12 Activité 1 : modélisation Une modélisation montre que des contraintes de compression (obtenues lors d une convergence) entrainent la formation de failles inverse (déformation cassante) ou de plis (déformation «souple», ou ductile). Faille inverse Pli Ces déformations sont associées à un raccourcissement et à un épaississement. Activité 2 : observation des paysages Les chaines de montagne récentes ou anciennes montrent la présence de figures tectoniques comparables à celles de la modélisation : elles se sont donc bien formées dans un contexte de convergence. On peut quantifier les déformations associées (épaississement et raccourcissement) localement. Point méthode : reconnaitre les figures tectoniques de convergence Pli : aucune difficulté particulière Faille inverse : identifier une couche repère. On observe un décalage verticale de la couche, et localement on peut observer une superposition de 2 niveaux de la couche repère. Chevauchement : association pli/faille Nappe de charriage : il s agit d un chevauchement à très grande échelle. On peut le repérer grâce à une discordance dans l âge des sédiments : des sédiments anciens situés au-dessus de sédiments plus récents constituent une anomalie. C est le signe d une discordance (contact anormal), liée à une nappe de charriage. Schéma Bilan du TP : Les paysages observables dans les chaînes de montagne présentent des indices tectoniques de compression, liés à une mise en place par convergence de plaques. -> voir annexe. Ces contraintes entrainent un empilement des couches de roche et un raccourcissement, donc un épaississement de la croûte continentale. 11

13 Bilan du III - L étude conjointe des indices tectoniques et pétrographiques observables dans une chaine de montagne permet de reconstituer son histoire (mouvements, intensités des contraintes). Tous ces indices témoignent d un épaississement de la croûte continentale, ce qui explique son épaisseur relativement importante (30km en moyenne, jusqu à 60-70km sous les chaines de montagne). Cet épaississement correspondant à un empilement de roches. Il est donc associé à un raccourcissement de la croute. ce qui explique son épaisseur relativement importante (30km en moyenne, jusqu à 60-70km sous les chaines de montagne). Conclusion La croûte continentale ne correspond pas seulement aux terres émergées. Elle présente des spécificités géologiques qu on peut mettre en évidence et comprendre en étudiant les chaines de montagne. 12