1 Activité magmatique des zones

ACTIVITÉ 1 Activité magmatique des zones de subduction Le magmatisme des zones de convergence de plaques s observe sur la plaque chevauchante. Il est situé à l aplomb des surfaces de Bénioff, là où celles-ci atteignent 100 à 150 km de profondeur. Le volcanisme y est particulièrement violent, dangereux car souvent explosif. Il est caractérisé par l émission de laves, basaltiques et andésitiques. Les arcs magmatiques associés ont une longueur cumulée de 30000 km environ dont 25000 pour la ceinture de feu du Pacifique. Le plutonisme se manifeste par des intrusions de granitoïdes (granites et diorites) roches de structure grenue, équivalentes dans leurs compositions chimiques aux roches volcaniques. Quels sont les caractères du magmatisme associés à la subduction? VOCABULAIRE Intrusif : qui a pénétré dans des formations déjà constituées. Nuées ardentes : grand volume de gaz brûlants émis à forte pression transportant à grande vitesse des laves et des cendres. Structure grenue : structure montrant un assemblage de cristaux visibles à l œil nu. Doc.1 Les éruptions volcaniques sont explosives Le caractère explosif du volcanisme est dû aux propriétés des laves, visqueuses, très riches en gaz. La décompression qui affecte le magma lors de son ascension provoque le dégazage. Le magma est pulvérisé en fragments de tailles diverses portés par un jet de gaz. Les explosions sont violentes, sporadiques et ont de forts débits (milliards de kg s 1 ). Les différents types d éruptions Le mélange de gaz volcaniques et de cendres éjectées est moins dense que l atmosphère. Il forme un panache qui peut s élever à plus de 30 km et injecter des cendres et des gaz dans la haute atmosphère. Le mélange de gaz volcaniques et de cendres éjectées est plus dense que l atmosphère et retombe. Il s écoule à grande vitesse sur les pentes du volcan et forme des coulées. Les coulées de laves visqueuses riches en gaz sous pression s écoulent sur les pentes du volcan, libérant un mélange de gaz et de fragments qui forment les nuées ardentes. Des exemples de volcans : Montagne Pelée (Martinique), Mont St Helens (USA), Névado de Toluca (Mexique), Pinatubo (Philippines), Mont Unzen (Japon), Dôme de Nova Rupta (Alaska). Éruptions volcaniques explosives : à gauche, Sakurjima au Japon; à droite, Pinatubo, Philippines. 162 9. Les roches associées aux zones de subduction

Doc.2 Les arcs magmatiques actifs Tous les arcs magmatiques représentés sur cette carte ont au moins un volcan actif. 4 2 1 15 14 5 3 13 16 7 6 8 10 9 11 12 Répartition des arcs magmatiques autour du Pacifique et à proximité. arc volcanique actif n nom subduction associée vitesse moyenne (cm/an) âge (Ma) croûte océanique subduite position (océan, mer, bassin) 1 Kouriles 9 80-100 Pacifique Nord-Ouest 2 Japon 10 130-140 Pacifique Nord-Ouest 3 Mariannes 9 > 140 Pacifique Nord-Ouest 4 Japon 2 15-25 Bassin du Shikoku 5 Philippines 6 40-50 Mer des Philippines 6 Sonde (Java-Flores) 7 100-160 Océan Indien Nord-Est 7 Sonde (Sumatra) 8 50-90 Océan Indien Nord-Est 8 Vanatu 12 55-65 Mer de Corail 9 Kermadec 9 100-135 Pacifique Sud-Ouest 10 Nouvelle-Zélande 6 100-135 Pacifique Sud-Ouest 11 Chili Central 9 15-40 Pacifique Est (Nazca) 12 Pérou-Chili N 10 40-50 Pacifique Est (Nazca) 13 Mexique-Nicaragua 7 40-50 Pacifique Est (Cocos) 14 Cascades 2 < 15 Pacifique Est (J. Fuca) 15 Alaska-Aléoutiennes 8 55-65 Pacifique Nord 16 Petites Antilles 2 70-100 Atlantique Ouest EXPLOITATION DES DOCUMENTS Identifier les informations fournies par les Doc. 1 et Doc. 2, afin de répondre au problème posé : «Quels sont les caractères du magmatisme associés à la subduction?» 9. Les roches associées aux zones de subduction 163

TP ACTIVITÉ 1 (suite) Les roches magmatiques Les roches magmatiques résultent de la cristallisation d un magma : les roches volcaniques sont mises en place à l état liquide ou pâteux en surface. Elles cristallisent rapidement; les roches plutoniques sont mises en place à l état pâteux en profondeur. Elles cristallisent lentement. Quels sont les caractères du magmatisme associé à la subduction? VOCABULAIRE Phénocristaux : cristaux de grande taille dans les roches magmatiques. Structure microlithique : structure présentant des petits cristaux non visibles à l œil nu. Afin de répondre au problème posé 1. Recenser les produits du magmatisme des zones de subduction : observer les roches à l œil nu et au microscope polarisant, déterminer leur composition minéralogique et leur structure. Rassembler les réponses dans un tableau. 2. Caractériser les roches magmatiques (plutoniques ou volcaniques) des zones de subduction par rapport aux basaltes des dorsales en comparant leur composition chimique. Identifier les différences essentielles. F Doc.3 Les roches volcaniques Dans le cas des subductions océan/continent, comme dans les Monts Cascades (Amérique du Nord), au Pérou, en Bolivie et au Chili, l activité magmatique forme essentiellement des andésites. Cependant les roches formées dans ces zones sont variées. Les basaltes* : ils sont plus riches en éléments alcalins (Na, K) que les basaltes des dorsales. Les andésites* et les rhyolites* sont plus riches en silice que les basaltes. Les andésites sont les plus représentées. Dans le cas d une subduction de lithosphère intra-océanique, comme dans les îles Fidji, arc des Tonga-Kermadec (Nouvelle-Zélande), le volcanisme se caractérise par des basaltes très similaires aux basaltes des dorsales et des andésites. A 0,25 mm a. Lame mince d andésite (A : amphibole, F : feldspath). xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx *Basalte : roche sombre, de structure microlithique, contenant des phénocristaux de feldspath* et de pyroxène dans une matrice vitreuse. Les petits cristaux visibles au microscope, en forme de baguettes, sont des microlithes. *Andésite : roche grise, de structure microlithique, contenant des phénocristaux de feldspath et de pyroxène dans une matrice vitreuse à microlithes dont la biotite et l amphibole, minéraux hydratés. *Rhyolite : roche claire, de structure microlithique, contenant des phénocristaux de quartz et de feldspath dans une matrice vitreuse à microlithes dont la biotite et l amphibole, minéraux hydratés. *Feldspath : minéraux de composition variée en Ca, Na et K. b. Lame mince de rhyolite (Q : quartz). Composition chimique des basaltes des dorsales, des basaltes de subduction, des andésites et rhyolites SiO 2 K 2 O Na 2 O CaO MgO oxydes de Fe Al 2 O 3 H 2 O Basalte des dorsales 47 % 0,2 % 2,2 % 11 % 8,5 % 9,4 % 15,8 % Basalte des zones de subduction 50 % 0,5 % 2,6 % 10,7 % 5% 10 % 18 % 1,5 % Andésite 54,2 % 1,1 % 3,7 % 7,9 % 4,4 % 9% 17,2 % 1,2 % Rhyolite 73,7 % 5,3 % 3% 1% 0,3 % 1,7 % 13,4 % 1,9 % Q 0,25 mm 164 9. Les roches associées aux zones de subduction

TP Doc.4 Les roches plutoniques Talara Les roches plutoniques des zones de subduction sont essentiellement des granitoïdes. Sur le terrain, elles sont associées aux roches volcaniques calco-alcalines. Les massifs de granitoïdes* sont des plutons* isolés qui affleurent dont le batholite* de la Cordillera Blanca (Chili). Ils sont alignés parallèlement à la côte, suivant l allongement de la chaîne de montagnes. Les granodiorites sont des granitoïdes à structure grenue montrant un assemblage de cristaux tous visibles à l œil nu. Elle est composée des minéraux classiques du granite, du quartz et des feldspaths, mais contient de grandes quantités de biotite et d amphibole, minéraux hydratés. fosse du Pérou 2000 m Cordillera Blanca Lima pluton xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx *Granitoïdes : ensemble des granites et des granodiorites. *Pluton et *batholite : grosses masses ovoïdes de roches magmatiques qui ont cristallisé en profondeur. Ils peuvent être dégagés par l érosion et apparaître en surface sous forme d un massif qui recoupe les formations géologiques alentour batholites de granitoïdes a. Répartition des plutons dans la chaîne andine. Altiplano Arica Composition chimique des graniodiorites SiO 2 K 2 O Na 2 O CaO MgO Oxydes de Fe Al 2 O 3 H 2 O Graniodiorites 66,8 % 3% 3,8 % 3,5 % 1,5 % 3,8 % 15,6 % 2% M Q + F F M 1 cm 0,25 mm Q b. Échantillon de granodiorite (M : mica). c. Lame mince de granodiorite. 9. Les roches associées aux zones de subduction 165

SYNTHÈSE Les roches associées aux zones de subduction Le magmatisme est le processus qui comprend la formation d un magma par fusion partielle de matériaux solides, son ascension à travers le manteau et la croûte, son émission à la surface terrestre ou son blocage au sein de la croûte formant des plutons. LES MOTS À CONNAÎTRE Intrusif : qui a pénétré dans des formations déjà constituées. Magmatisme : ensemble des phénomènes liés à la formation, à la cristallisation et au déplacement des magmas. Métamorphisme : transformation d une roche à l état solide du fait d une variation de température et/ou de pression avec formation de nouveaux minéraux. Nuées ardentes : grand volume de gaz brûlant à forte pression transportant à grande vitesse des laves et des cendres. Péridotite : roche grenue du manteau. Structure grenue : structure montrant un assemblage de cristaux visibles à l œil nu. I L activité magmatique des zones de subduction A. Le volcanisme Il est à l origine des arcs insulaires et des volcans associés à une chaîne de montagnes. La roche volcanique la plus représentée est l andésite. 1. Les éruptions volcaniques Les éruptions volcaniques observées dans les zones de subduction sont explosives, elles sont caractéristiques des magmas de viscosité élevée à teneur importante en gaz dissous. À la sortie du volcan, le mélange des fragments de laves et de gaz forme une colonne d éruption qui peut dépasser 40 km de hauteur puis elle s écarte formant un nuage. Les débris peuvent être transportés loin du lieu d émission. Les nuées ardentes, caractéristiques de ces éruptions, sont causées par l effondrement de la colonne d éruption et l écoulement du nuage formé de fragments de laves solidifiées. C est la forme d éruption la plus dangereuse car elle peut se propager jusqu à 100 km alentour à la vitesse de 700 km h 1. 2. Les roches volcaniques Les roches volcaniques formées à partir de ces magmas sont essentiellement des andésites. Cependant, selon les zones, des roches différentes par leur composition chimique existent également. Dans le cas d une subduction de lithosphère océanique sous lithosphère océanique se forment des basaltes similaires dans leur composition aux basaltes émis au niveau des dorsales et des andésites. Dans le cas d une subduction de lithosphère océanique sous lithosphère continentale, se forment essentiellement des andésites mais également des rhyolites. Ces roches, de structure microlithique ou microgrenue, sont constituées d une phase vitreuse (SiO 2 ), de phénocristaux de minéraux hydratés tels que les micas et les amphiboles et des microcristaux noyés dans la matrice vitreuse. B. Le plutonisme Associés au volcanisme, des massifs circulaires de roches plutoniques affleurent. Ils sont constitués essentiellement de granitoïdes. Les roches plutoniques sont variées dans leur composition, mais les plus représentées sont les granitoïdes. Ces roches ont une structure grenue, elles sont formées de minéraux dont certains, biotite et amphiboles, sont hydratés. Ces minéraux sont tous visibles à l œil nu et imbriqués les uns dans les autres sans phase vitreuse. 170 9. Les roches associées aux zones de subduction

II Genèse du magma dans les zones de subduction A. Fusion des roches magmatiques Les expériences de laboratoires montrent que les roches commencent à fondre soit lorsque la température augmente à pression constante, soit lorsque la pression diminue à température constante soit, pour pression et température données, par apport d eau. Dans les zones de subduction, plusieurs arguments témoignent du rôle de l eau, agent essentiel de la fusion partielle : à 100 km de profondeur, zone probable de la fusion partielle, le manteau lithosphérique est à 1 000 C. Or, à cette température, il devrait être solide, sa fusion partielle implique donc la présence d eau ; les roches magmatiques des zones de subduction contiennent des minéraux hydratés, micas et amphiboles. B. Origine de l eau, agent de la fusion partielle du manteau. Couplage entre le métamorphisme et le magmatisme Cette hydratation se produit dans les zones fracturées, à proximité des dorsales, où l eau chaude et riche en ions s infiltre. Cette hydratation transforme les roches de la lithosphère en roches métamorphiques appartenant aux schistes verts. gabbros feldspath pyroxène eau hydratation métagabbros (schistes verts) actinote (amphibole) chlorite albite métagabbros (schistes verts) actinote (amphibole) chlorite albite métagabbros (schistes bleus) glaucophane jadéite (pyroxène) Ainsi se produit une déshydratation de la lithosphère océanique au cours de son enfoncement et le départ d eau vers le manteau lithosphérique de la plaque chevauchante. Cette eau abaisse le point de fusion de la péridotite, provoquant sa fusion partielle à pression et température données. Le métamorphisme de la lithosphère océanique libérant de l eau et le magmatisme produit en présence d eau sont ainsi couplés. Le magma produit, moins dense que les roches encaissantes, monte au sein du manteau et de la croûte fracturant les roches ou empruntant le réseau de fissures préexistant. 1 conditions non réalisées dans la nature 25 50 métagabbros (schistes bleus) glaucophane jadéite (pyroxène) température ( C) 200 400 600 2 eau déshydratation eau déshydratation schistes verts schistes bleus éclogites métagabbros (éclogites) grenat jadéite (pyroxène) 1 Dans les zones de subduction, la lithosphère océanique hydratée qui subduit est soumise à des conditions de haute pression et basse température. Dans ces conditions, de nouveaux minéraux se forment : grenat, glaucophane. Ces réactions minéralogiques de métamorphisme s accompagnent de la libération d une phase liquide, l eau. pression (GPa) 2 75 profondeur (km) 1 Gln hydratation de la lithosphère 2 déshydratation de la lithosphère qui subduit Couplage magmatisme-métamorphisme 9. Les roches associées aux zones de subduction 171

SYNTHÈSE C. Formation des roches à partir du magma La cristallisation du magma : Au cours de l ascension du magma, sa température diminue entraînant la cristallisation de minéraux. Le liquide s appauvrit en élément chimique formant ces minéraux. La contamination par la croûte : le magma peut échanger, au cours de son ascension, des éléments chimiques avec les roches qu il traverse. Suivant la nature, océanique ou continentale de la croûte que le magma traverse, sa composition varie. Les mélanges de magma : le magma provenant du manteau, peut provoquer, par augmentation de température au contact manteau/croûte, la fusion partielle de la base de la croûte. Le résultat de cette double fusion peut donner naissance à un magma provenant de la croûte ou à un mélange des magmas provenant de la croûte et du manteau. D. Roches provenant de la croûte et du manteau, volcaniques ou roches plutoniques La différence la plus importante entre ces deux types de roches est la taille des minéraux; les roches plutoniques ont des minéraux plus gros à cause du refroidissement lent du magma, plusieurs dizaines de milliers d années tandis que les roches volcaniques ont des minéraux plus petits car leur refroidissement est rapide, plusieurs heures ou plusieurs jours. L ensemble de ces phénomènes, liés à la subduction, contribue à la croissance de la croûte continentale. 09_03SYN_04 ptoto à intégrer Échantillon d andésite 172 9. Les roches associées aux zones de subduction

L essentiel Les zones de subduction sont le siège d une importante activité magmatique caractéristique : volcanisme, mise en place de granitoïdes. Le magma se forme en profondeur par fusion partielle des péridotites du manteau de la plaque chevauchante, en présence d eau. L eau provient de la transformation des matériaux de la plaque plongeante, soumis, lors de la subduction, à des conditions de température et de pression différentes de celles dans lesquelles ils se sont formés. Les roches de la lithosphère océanique plongeante se transforment en roches métamorphiques qui contiennent des minéraux caractéristiques des zones de subduction, stables dans des conditions de haute pression et basse température. Ces transformations minéralogiques s accompagnent d une déshydratation. Le magma formé dans le manteau, moins dense que l encaissant monte et peut se différencier formant des roches de compositions chimiques différentes. Selon que le magma arrive à la surface ou reste bloqué en profondeur, le temps de refroidissement des matériaux diffère, les roches seront volcaniques, à structure microlithiques ou granitiques à structure grenue. convergence convergence déformations volcanisme nuée ardente schistes verts prisme d accrétion plutons croûte océanique hydratée subduction transfert descendant de matière froide schistes bleus différenciation du magma M É T A M O R P H I S M E eau magmatisme transfert de liquide et de chaleur isotherme 1 000 C DÉSHYDRATATION fusion partielle du manteau en présence d eau éclogites 9. Les roches associées aux zones de subduction 173

EXERCICES RESTITUER DES CONNAISSANCES EXERCICE 1 Définir en une phrase claire les mots ou expressions suivants. nuées ardentes roches magmatiques pluton fusion partielle andésite rhyolite granitoïde EXERCICE 2 Restituer ses connaissances en quelques phrases sur un sujet précis, en utilisant obligatoirement un ensemble de mots-clés. sujets mots-clés a. Le magmatisme subduction, plutonisme, volcalisme b. Les roches volcaniques c. Les roches plutoniques d. La fusion partielle microlithique, minéraux hydratés, phénocristaux, verre grenue, minéraux hydratés, profondeur pression, température, eau exercice guidé Formation du magma Énoncé Montrer comment peut se former un magma dans les zones de subduction. Plan proposé Introduction Les zones de subduction sont caractérisées par une importante activité magmatique. Elle se manifeste par un volcanisme de type explosif dont les roches les plus représentées sont des andésites et par la mise en place de plutons formés de granitoïdes. Comment se forme le magma dans les zones de subduction? I Les conditions de la formation d un magma en profondeur a. Les conditions physiques nécessaires b. Les conditions particulières dans les zones de subduction II Origine de l eau nécessaire à la fusion partielle en profondeur Conclusion La lithosphère océanique qui subduit se déshydrate au cours des réactions de métamorphisme. L eau abaisse le point de fusion des péridotites de la plaque chevauchante provoquant sa fusion partielle. Il y a couplage entre le magmatisme et le métamorphisme. EXPLOITER DES DOCUMENTS EXERCICE 3 Une subduction Au large des îles Aléoutiennes, en bordure ouest du Pacifique, plusieurs données géophysiques sont récoltées : la vitesse de propagation des ondes P; la localisation des foyers sismiques en profondeur; la localisation du volcanisme. 1. Utiliser ces données pour repérer une zone de subduction. Justifier vos remarques. 2. Représenter sur un calque du document proposé la subduction et les phénomènes associés. profondeur (km) 0 100 200 8,25 distance (km) tir Longshot arc volcanique 100 200 300 8,50 300 vitesse de propagation des ondes P localistion des foyers sismiques en profondeur Foyers sismiques sous l arc des Aléoutiennes et courbes d égale vitesse de propagation des ondes P. 174 9. Les roches associées aux zones de subduction

NW ensemble Espagne-Provence ensemble Corse-Sardaigne exercice guidé Phénomènes tectoniques en mer Tyrrhénienne Énoncé Le profil géologique (a) a été réalisé à partir de diverses données. Afin de justifier ce profil : 1. Retrouver les arguments bathymétriques, géologiques et géophysiques qui ont permis de réaliser cette coupe (b, c, d). 2. Établir une relation entre eux. Italie péninsulaire SE lithosphère océanique lithosphère continentale asthénosphère a. Profil géologique. Conseils pour la résolution Repérer, sur le document b, la localisation des volcans et distinguer parmi eux ceux qui ont formé des laves de la composition d un basalte des dorsales et ceux qui ont formé des laves d une composition voisine des andésites. Repérer, sur ce même document, la répartition des foyers sismiques en profondeur depuis la mer ionienne jusqu au large de la Corse. Repérer, sur le document d, la nature des fonds océaniques dans les zones volcaniques, dans la mer ionienne, en bordure de la Sicile et de la Calabre. Rechercher, à partir de ces informations, les caractères d une zone de subduction, et ceux d une zone d extension océanique. Les utiliser pour justifier le profil construit. Corse A Sardaigne Tunisie Italie Vasilov Magnaghi Marsili 450 400 Eoliennes 300 200 100 Sicile 50 100 km volcans tholéitiques sous-marins volcans calco-alcalins 200 Calabre B Mer Ionienne isobathes des foyers sismiques (km) b. Données sismiques et volcaniques. 200 2000 Corse Italie A Sardaigne Tunisie 2000 Magnaghi Vasilov c. Données bathymétriques. 3000 2000 3600 iles Eoliennes Sicile isobathes du fond marin (en m) Marsili Calabre 2000 3000 Mer Ionienne 100 km B Corse Italie A Sardaigne Vasilov Marsili Magnaghi Eoliennes Sicile B Tunisie 100 km Mer Ionienne volcans tholéitiques sous-marins croûte continentale volcans calco-alcalins subduction lithosphère océanique d. Données géologiques. Calabre 9. Les roches associées aux zones de subduction 175