INTRODUCTION - RAPPELS

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1 Thème 1B Chapitre 3 Les caractéristiques de la lithosphère continentale TermS INTRODUCTION - RAPPELS L'étude de la propagation des ondes sismiques a permis d'élaborer un modèle de structure interne de la Terre. Celle-ci serait formée de couches concentriques aux caractéristiques pétrographiques, minéralogiques et physico-chimiques les distinguant les unes des autres. Les enveloppes du globe terrestre. L'enveloppe la plus externe est la lithosphère. La lithosphère est formée de la croûte et de la partie supérieure du manteau supérieur. Son épaisseur est d'environ 100km. Elle repose sur l'asthénosphère. On distingue la lithosphère continentale de la lithosphère océanique. La partie mantellique est commune et identique. Les différences entre lithosphère continentale et lithosphère océanique reposent donc sur la partie crustale de cette enveloppe du globe terrestre. La croûte continentale affleure dans les régions émergées. Dans les chaînes de montagnes, elle atteint une altitude importante. Les mécanismes de formation des montagnes sont complexes. Néanmoins, les études géologiques permettent de préciser la nature et la structure des roches présentes et d'en comprendre la mise en place.

2 I- A LTITUDE, ÉPAISSEUR, COMPOSITION ET DENSITÉ DE LA LITHOSPHÈRE CONTINENTALE 1.1- L A L ITHOSPHÈRE EN ÉQUILIBRE SUR L 'A STHÉNOSPHÈRE : LA NOTION D ' ISOSTASIE (A CTV 10-11) La lithosphère, enveloppe superficielle rigide, est en équilibre sur l'asthénosphère, une enveloppe plus dense mais plus ductile/déformable (donc moins rigide) : on parle d'équilibre isostatique. En cas de rupture de cet équilibre, des mouvements verticaux de la lithosphère ont lieu pour retrouver un nouvel équilibre. Deux modèles, tenant compte d'un équilibre entre la lithosphère et l'asthénosphère, existent pour expliquer les variations d'altitude de la croûte terrestre. Ces deux modèles font intervenir la notion de surface de compensation (voir document 2 page 125) : En dessous de la surface de compensation, les roches sont réparties de manière homogène Au dessus de cette surface, la masse de chaque colonne surplombant cette surface est la même en tout point C OMPOSITION ET DENSITÉ DE LA CROÛTE CONTINENTALE La partie mantellique des lithosphères continentale et océanique est commune et identique. Les différences entre lithosphère continentale et lithosphère océanique reposent donc sur la partie crustale de cette enveloppe du globe terrestre. La croûte continentale est principalement formée de roches magmatiques (40%) voisines du granite, de roches métamorphiques (55%) dont le gneiss qui est de même composition chimique que le granite, avec une couverture de roches sédimentaires (5%). Voir doc 3 page 127.

3 Comparaison des roches représentatives des croûtes continentale et océanique et du manteau Croûte océanique Croûte continentale Nom de la roche Nature de la roche Structure Basalte Roche volcanique Microlithique* Gabbro Roche plutonique Grenue** Granite Roche plutonique Grenue Gneiss Roche métamorphique Grenue (Roche du manteau...) Grenue Manteau lithosphérique et Péridotite asthénosphérique Densité 2,9 Minéraux constitutifs Pyroxène + Feldspath +(olivine) Pyroxène + Feldspath 2,7 Mica + quartz + Feldspath 3,2 Olivine + pyroxène *Microlithique = se dit d'une roche dont les cristaux sont petits (à peine visible à l œil nu) et inclus dans un ciment non cristallisée. Ce type de structure est caractéristique des roches volcaniques issues d'un refroidissement brutal d'un magma en surface. **Grenue = se dit d'une roche dont les cristaux sont gros (tous visibles à l œil nu) et jointifs. L'ensemble de la roche est donc constituée de minéraux entièrement cristallisés. Ce type de structure est caractéristique des roches plutoniques issues d'un refroidissement lent d'un magma en profondeur. Les Gneiss sont des roches métamorphiques qui peuvent provenir de la transformation de roche magmatiques (ex : granite) ou de roches sédimentaires suite à des changements de pression et de température. Remarque : Ne pas confondre «minéral» et «cristal» Minéral = Espèce chimique. Les minéraux dans les roches s'assemblent souvent sous forme de cristaux. Cristal = solide dont les molécules sont arrangés de manière régulière et ordonnée 1.3- D UALITÉ D ' ALTITUDE CONTINENTS / OCÉANS ET ÉPAISSEUR DE LA CROÛTE CONTINENTALE Les continents ont une altitude moyenne de +870m alors que la profondeur moyenne des océans est de -3730m. L'analyse des sismogrammes suite à des séismes permettent de déterminer l'épaisseur des différentes enveloppes du globe terrestre et notamment la limite entre croûte et manteau lithosphérique (=Moho). Ainsi, la croûte continentale est d'une épaisseur plus grande (30 km en moyenne) que la croûte océanique (7 km en moyenne). La croûte continentale se distingue donc de la croûte océanique par son épaisseur, sa composition et sa densité. Ce sont ces différences qui, dans le cadre de l'équilibre isostatique, explique les différences d'altitude moyenne entre océans et continents. L'épaisseur de la croûte continentale (30km en moyenne) varie beaucoup selon les régions : elle est accrue au niveau des reliefs montagneux (jusqu'à 60km). Cet épaississement est lié à la présence en profondeur d'une racine crustale. Moins dense que le manteau, cette racine permet de réaliser un équilibre isostatique en compensant la surcharge créée en surface par le relief.

4 La croûte continentale, principalement formée de roches voisines du granite, est d'une épaisseur plus grande et d'une densité plus faible que la croûte océanique. Les différences d'altitude moyenne entre les continents et les océans s'expliquent par des différences crustales. Au relief positif qu'est la chaîne de montagnes, répond, en profondeur, une importante racine crustale. II- A GE DE LA CROÛTE CONTINENTALE 2.1 P RINCIPE (A CTV 12) DE LA RADIOCHRONOLOGIE La radiochronologie des roches est fondée sur la décroissance radioactive de certains éléments chimiques radioactifs (= radio-chronomètres) présents naturellement dans les minéraux qui les constituent. Un élément radioactif père (P) se désintègre progressivement en un élément fils dit radiogénique (F) : Cette désintégration de tout élément radioactif constitue une véritable «horloge» car elle se fait selon une loi mathématique de décroissance exponentielle en fonction du temps : quelle que soit la quantité d'élément père présente au départ, il faut toujours le même temps pour que cette quantité soit réduite de moitié par désintégration radioactive. Cette durée qui est constante et caractéristique d'un élément radioactif donné est appelée demi-vie (=période).

5 2.2 U TILISATION DU COUPLE R B /S R POUR DATER LES ROCHES DE LA CROÛTE CONTINENTALE Au cours de leur formation, certains minéraux des roches magmatiques et métamorphiques intègrent dans leur réseau cristallin quelques atomes de 87Rb (rubidium), de 86Sr et 87Sr (strontium). Le 87Rb, est radioactif et se désintègre en donnant en 87Sr. Les différents isotopes du Rb et du Sr peuvent être distingués et quantifiés par spectrométrie de masse. Ainsi pour dater une roche on mesure les rapports 87Sr/86Sr et 87Rb/86Sr dans plusieurs échantillons d'une même roche. Au cours du temps, le rapport 87Sr/86Sr augmente et le rapport 87Rb/86Sr diminue. Cette variation est d'autant plus importante que le minéral est riche en Rb. Ainsi, dans un graphique représentant les rapports isotopiques 87Sr/86Sr des divers minéraux de la même roche en fonction de leurs rapports 87Rb /86Sr les points représentatifs se disposent suivant une droite dite isochrone. La pente de la droite, déterminable graphiquement, est d'autant plus forte que le temps écoulé depuis la formation de la roche est grand. Connaître le coefficient directeur de la droite isochrone permet de calculer l'âge de la roche étudiée. De plus la demi-vie du 87Rb est suffisamment grande (demi vie = 48,8.109 ans) pour permettre la datation des roches les plus anciennes (> ans). Remarques Les radio-chronomètres sont choisis entre autres en fonction de la période de temps que l on cherche à explorer et de la nature de la roche : Par le couple 87Rb/87Sr pour des périodes longues de plusieurs millions d'années Le 14C pour des périodes plus récentes (<35000 ans) etc C OMPARAISON DE L ' AGE DES CROÛTES OCÉANIQUE ET CONTINENTALE Ainsi, on a pu déterminer par radiochronologie que l'âge de la croûte océanique n'excède pas 200 Ma, alors que la croûte continentale date par endroit de plus de 4 Ga.

6 III- É PAISSISSEMENT 3.1 L ES DE LA CROÛTE CONTINENTALE INDICES TECTONIQUES D ' UN RACCOURCISSEMENT ET D ' UN EMPILEMENT DE LA CROÛTE CONTINENTALE Les roches sédimentaires se présentent sous forme de couches horizontales (ou strates ) répondant au principe de superposition : «toute couche est plus récente que celle qu'elle recouvre». Plus récent Strate 3 Strate 2 Plus ancien Strate 1 Au niveau des chaînes de montagnes on peut observer des structures complexes, parmi lesquelles : Plis : déformation non cassante des roches liée à un mouvement de convergence. Failles inverses : fracture liée à un mouvement de convergence (le bloc soulevé se trouve au dessus du plan de faille). Chevauchement : zone d'intense déformation avec déplacements horizontaux mettant en contact des blocs initialement éloignés (ordre du km). Nappe de charriage : chevauchement de grande amplitude (sur plusieurs dizaines de km).

7 L'ensemble de ces structures dans les chaînes de montagnes (plis, failles inverses, chevauchements) témoignent d'un épaississement de la croûte continentale lié à un raccourcissement et un empilement. Remarques : plis et failles sont visibles à différentes échelles d'observation, de celle de l'échantillon de roche (voir doc 2c page 135) à celui de l'affleurement (voir photo ex 9 page 142) 3.2 L ES CONTINENTALE INDICES PÉTROGRAPHIQUES D ' UN RACCOURCISSEMENT ET D ' UN EMPILEMENT DE LA CROÛTE (A CTV 13) Métamorphisme = transformation d'une roche à l'état solide sous l'effet de changements de pression et/ou de température. Au niveau des chaînes de montagnes on retrouve : des roches métamorphiques qui témoignent d'une augmentation de pression et de température (métamorphismes BP et HT). des roches ayant subit une fusion partielle (anatexie). L'ensemble de ces différentes roches témoignent d'un enfouissement de la croûte continentale suite à un empilement et donc d'un épaississement de la croûte continentale. B ILAN Comparaison des croûtes continentale et océanique Epaisseur moyenne Croûte océanique Croûte continentale Roches caractéristiques Densité Age 7 km Basalte & Gabbro 2,9 < 200 Ma 30 km Granite & Gneiss 2,7 Très variale. Jusqu'à 4 Ga