Géodynamique. Unité d introduction et de socle commun aux 5 UE optionnelles choisies au second semestre de l'année de Master 1

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1 Géodynamique 2014 Unité d introduction et de socle commun aux 5 UE optionnelles choisies au second semestre de l'année de Master 1 Pré-requis: Bases en cinématique des plaques, géophysique, géologie sédimentaire, structure du globe, géochimie OBJECTIFS: Maîtrise et connaissance quantitative et interdisciplinaire des différentes approches des Sciences de la Terre (par la géophysique, la pétrologie-géochimie, et les paléo-environnements) qui éclairent les mécanismes et les modalités des mouvements de la lithosphère (origine des forces, transmission de celles-ci au sein de la lithosphère et de l'asthénosphère) Géodynamique IN FINE : - Connaissance des observables nécessaires pour apprécier l'évolution dynamique du globe - Aptitude à reconstituer l évolution géodynamique d une région en faisant la synthèse des données issues d articles spécialisés - Développement d une réflexion sur les domaines de validité des diverses approches et les limites des modèles qui en sont issus 1

2 Géodynamique CONTENU: THEME 1 : Quantification des mouvements lithosphériques : méthodes d étude (paléomagnétisme, géodésie, sismologie, paléo-environnements) et modèles cinématiques globaux et régionaux - Frontières de plaques et leur évolution THEME 2: Arguments pétrologiques, géophysiques et géochimiques en faveur du recyclage de la lithosphère et de la convection mantellique globale; modèles de convection mantellique et de couplages et interactions entre subductions, points chauds, rifts continentaux et océaniques THEME 3: Exemples régionaux d évolution géodynamique (couples accrétionsubduction, grands décrochements, convection à différentes échelles): observations géologiques et géophysiques, modélisation des processus physiques 2014 Quantification des mouvements lithosphériques Méthodes d étude (paléomagnétisme, géodésie, sismologie, paléo-environnements) et modèles cinématiques globaux (géologiques et actuels) et régionaux J. Deverchère, 4 h CM, 4h TD, 1h TP ; C. Grigné, 5 h CM, 4h TD 2

3 Consulter le PDF de Marc FOURNIER (UPMC) PLAN 1. Introduction: rappels de notions de base (lithosphère; hypothèse des plaques rigides; types de limites; échelles de temps et d espace ) 2. Distribution de la déformation aux limites de plaques 3. Mesures géologiques des mouvements de plaques actuels (rappels) 4. Mouvements de plaques relatifs et absolus 5. Mesures géodésiques spatiales: GPS, SLR, VLBI 6. Comparaison Géodésie / Nuvel 1A: implications degré de rigidité 7. Comparaison à d autres indicateurs: Mesures de contraintes: WSM Tenseurs de moment sismique Glissement sur failles 8. Contextes géodynamiques particuliers Le cas du partage de déformation près des zones de subduction Le cas des épaississements lithosphériques: conséquences Le cas du roll-back (bassins marginaux) (TD) 9. Perturbations de vitesse et de contraintes: divers effets transitoires (10. Applications: Exemples à l échelle régionale) 3

4 1. Introduction: rappels de notions de base (lithosphère mécanique-thermique, hypothèse des plaques rigides, types de limites, échelles de temps et d espace) A. Notion de LITHOSPHERE MECANIQUE et THERMIQUE - limite lithosphère - asthénosphère - Lithosphère : partie supérieure crustale (~30-45 km), de composition granitique et de faible densité (environ 2800 kg/m 3 ) - partie inférieure mantellique ( km), de forte densité (3300 kg/m 3 ) et de composition péridotitique. - Limite avec l asthénosphère sous-jacente : diffuse, ne correspond à aucune différence chimique; différence réside dans un changement de comportement mécanique lié à l augmentation de température en profondeur. -> Passage lithosphère -asthénosphère : essentiellement thermique, correspond à une température limite, généralement assimilée à l isotherme 1350 C - LITH ~solide élastique, ASTH ~solide déformable à fluage lent - REMARQUE: COMPARER densité de la lithosphère mantellique (3300 kg/m 3 ) et de l asthénosphère (3250 kg/m 3 ): différence infime, cependant suffisante pour faire couler la lithosphère mantellique dans l asthénosphère (corps visqueux) si la croûte de faible densité est absente -> la présence de la croûte permet à la lithosphère de se maintenir au dessus de l asthénosphère. -> Importance du degré de couplage crustal!!!! O. Merle, 2001, 1. Introduction: rappels de notions de base (lithosphère mécanique-thermique, hypothèse des plaques rigides, types de limites, échelles de temps et d espace) Limite thermique variable en profondeur: mécanismes, conséquences - Erosion thermique (A): point chaud ou remontée de matériel profond à la base de la lithosphère -> manteau à T élevé ( C) -> isotherme à 1350 C remonte vers la surface -> partie profonde de lithosphère lentement transformée en asthénosphère (diffère de l extension lithosphérique!!!) - Conséquences: (1) Transformation du manteau lithosphérique en asthénosphère de moindre densité : engendre un déséquilibre isostatique, à l origine d un soulèvement de la région affectée par cette érosion thermique phénomène réversible (ordres de grandeurs de temps: plusieurs millions d années); (2) changement de résistance mécanique (Te baisse) - Autres sources possible de remontées asthénosphériques (A) (A) O. Merle, 2001, 4

5 1. Introduction: rappels de notions de base (lithosphère mécanique, hypothèse des plaques rigides, types de limites, échelles de temps et d espace) - Concept de tectonique des plaques: ACCRETION PLAQUES COMPOSITES, RIGIDES au premier ordre Implications: Equilibre entre création-destruction - Les plaques transmettent les contraintes sur de grandes distances sans se déformer -> leurs mouvements relatifs sont pris en compte à leurs limites - Trois types de limites (constructives, destructives, conservatives) Failles transformantes (6 classes) - Notion de vitesses relatives entre plusieurs plaques Triangle des vitesses - Sur la sphère: notion de pôles et de vecteurs de rotation -> mouvement relatif entre 2 plaques adjacentes évolue le long de la limite de plaques Mouvements de plaques à la surface de la Terre: (a) Lignes de latitude et de longitude de rotation (petits et grands cercles) (b) Type de limites entre deux plaques (B fixe) 5

6 1 PACIFIQUE Principales plaques 2 EURASIE 3 AFRIQUE 4 ANTARCTIQUE 5 INDE-AUSTRALIE 6 AMERIQUE DU NORD 7 AMERIQUE DU SUD 8 NAZCA 9 PHILIPPINE 10 ARABIE 11 COCO 12 CARAIBE 2 postulats: Plaques rigides Frontières étroites Déformation: échelles de temps et d espace des phénomènes 6

7 2. Distribution de la déformation aux limites de plaques Activité sismique 7

8 Dimension des limites de plaques diffuses [Gordon and Stein, 1992] 3. Mesures géologiques des mouvements de plaques actuels: rappel Aperçu historique Les modèles cinématiques sont apparus juste après le concept de tectonique des plaques pour décrire leurs mouvements relatifs. Le Pichon [1968]; Chase [1972; 1978]; Minster & Jordan [1978]; DeMets et al. [1990; 1994] Modèles géologiques : Tous ces modèles utilisent: 1. Age et position des anomalies magnétiques des océans; 2. Direction des failles transformantes; 3. Vecteurs glissement des séismes Modèles géodésiques: depuis le milieu des années 90, des vitesses angulaires relatives entre plaques ont pu être mesurées par des techniques géodésiques Smith et al. [1994]; Larson et al. [1997]; Crétaux et al. [1998] La plupart des modèles cinématiques globaux font deux hypothèses de base: Plaques rigides Limites de plaques étroites Modèles cinématiques récents: Kreemer et Holt [2001]: prise en compte de 3000 vecteurs vitesse dans les zones de déformation et des vitesses angulaires entre 25 plaques rigides 8

9 MESURE GEOLOGIQUE des mouvements de plaques actuels Principes: QUE MESURER? - Failles transformantes: (1) sur petits cercles > utiles pour trouver le pôle entre 2 plaques adjacentes (2) Vitesses constantes le long de cette frontière - Dorsales: (1) Pas nécessairement perpendiculaires à la direction d extension (2) Taux d accrétion: change en fonction du sinus de la distance angulaire au pôle -> pôle de rotation et vitesse angulaire peuvent être déterminés MESURE GEOLOGIQUE des mouvements de plaques actuels Principes: QUE MESURER (suite)? - Mécanismes au foyer: Direction et sens de mouvement relatif -> Localisation du pôle, direction du mouvement - Mouvements «à terre» sur limites de plaques: Décalages de marqueurs -> Mouvement relatif local - Mouvements de plaques «instantanés» à l échelle de quelques années: - VLBI - GPS - SLR (dont Doris) - Géodésie terrestre 9

10 Estimation du mouvement actuel des plaques: NUVEL-1 - ~300 taux d accrétion directions de transformantes océaniques vecteurs glissement de séismes V = ω x R V vitesse linéaire ω = Vitesse de rotation R = distance à l axe eulérien V = ω x r sinθ r = rayon de la Terre θ = distance angulaire pôle-point -> Modèle géologique «instantané» (moyenne sur 2-3 Ma) Figure: Vecteurs de rotation pour le mouvement relatif instantané actuel de paires de plaques NUVEL1A (De Mets et al., 1990, 1994) 4. Mouvements de plaques relatifs et absolus Modèles relatifs de mouvements entre plaques basés sur des données géologiques et moyennés sur qq millions d années RM2 (Minster & Jordan, 1978) NUVEL-1, NUVEL-1A (DeMets et al., 1990, 1994) Modèles absolus basés sur les données des modèles relatifs - Deux hypothèses: 1. les plaques (lithosphère) ayant un mouvement d ensemble négligeable sur le manteau (condition de non-rotation: NNR) 2. des points chauds ayant des mouvements négligeables par rapport au manteau Dans les deux hypothèses: UN pôle de rotation d une seule plaque est estimé, les autres pôles sont déduits par addition de vecteurs Altamimi ECOLE D ÉTÉ, FORCALQUIER, 28 AOÛT

11 Calcul du mouvement relatif à une limite de plaque Pôle de rotation, vitesse angulaire connus pour plaques adjacentes: Direction et magnitude de mouvement relatif déduit en tout point Passage à 3 plaques - Evolution des points triples - Etc (cf cours C. Grigné) Calcul de mouvement absolu: Vitesses souvent exprimées dans un cadre NNR = no-net-rotation = façon arbitraire de représenter les vitesses sans référence à une plaque particulière (lithosphère moyenne ): -> NNR-NUVEL1A Définition de NNR par Holt et al., 2004 : kinematically defined reference frame in which the global integral of the cross product of the velocity with the radial vector is zero Mouvements de plaque absolus (suite) - Plaques -> pas de points fixes à la surface du globe - Points chauds -> alignement d îles océaniques volcaniques intraplaque - Hypothèse: le manteau bouge beaucoup plus lentement que les plaques -> manteau supposé fixe - Ex: Hawaï -> Mouvement absolu du Pacifique -> Mouvement absolu de toutes les autres plaques déduit - Idem pour autres points chauds -> Test de la validité de l hypothèse (points chauds fixes) (cf. cours G. Chazot) 11

12 Mouvements absolus de plaques déduits des points chauds (3 derniers millions d années: modèle «Hot Spot») ou du modèle «NNR»: différences jusqu à 3 cm/an Si on retranche la cinématique relative de la cinématique globale: Même rotation nette de toutes les plaques autour d un pôle à haute latitude (max. 2 cm/an à 90 du pôle) 8 cm/an DERIVE GLOBALE VERS L OUEST? : Quelles sont les plaques «rapides»? Quel est leur point commun? 1 PACIFIQUE 10 cm/an vers le Nord-Ouest 2 EURASIE 1 cm/an vers l'est 3 AFRIQUE 2 cm/an vers le Nord 4 ANTARCTIQUE Tourne sur elle-même 5 INDE-AUSTRALIE 7 cm/an vers le Nord 6 AMERIQUE DU NORD 1 cm/an vers l'ouest 7 AMERIQUE DU SUD 1 cm/an vers le Nord 8 NAZCA 7 cm/an vers l'est 9 PHILIPPINE 8 cm/an vers l'ouest 10 ARABIE 3 cm/an vers le Nord-Est 11 COCO 5 cm/an vers le Nord-Est 12 CARAIBE 1 cm/an vers le Nord-Est 12

13 LECTURES D ARTICLES POUR MARDI 16 DECEMBRE Thème: rôle des slabs dans la transmission des forces aux limites de plaques Principe: 1. TOUT LE MONDE LIT DANS LES 3 ARTICLES: 1. LE RESUME 2. LA CONCLUSION 3. LES FIGURES ET LEGENDES 2. CHAQUE GROUPE DE 3 ETUDIANTS LIT L ARTICLE EN PRENANT DES NOTES 3. CHAQUE GROUPE PRESENTE ORALEMENT LES PRINCIPAUX RESULTATS AUX AUTRES (temps de parole équivalents) et CRITIQUE LES CONCLUSIONS DES AUTEURS (qu est-ce qui est convaincant et clairement établi, qu est-ce qui paraît plus douteux) 4. S EN SUIT UNE DISCUSSION ET ECHANGES D AVIS LECTURES D ARTICLES POUR MARDI 16 DECEMBRE 1. LALLEMAND et al., 2005: On the relationships between slab dip, back-arc stress, upper plate absolute motion, and crustal nature in subduction zones Marine et Ruth 2. NISHIKAWA et IDE, 2014: Earthquake size distribution in subduction zones linked to slab buoyancy Nicolas et Aubéry + Abdel 1. BRUN et FACCENNA, 2008: Exhumation of high-pressure rocks driven by slab rollback Damien et Marie + Geoffrey 13