Chapitre 8 : Tectonique des plaques 3 : la formation des chaînes de montagne - Cours et Figures dans répertoire sur le BV : 2016-2017/Semestre1/UE Géosciences 1 - Cours en ligne également sur le site web du département «Géosciences» de l Université de Poitiers dans le lien «Ressources pédagogiques».
Chap. 8 : Tectonique des plaques 3 : la formation des chaînes de montagne Questions choisies : - Quelles sont les limites des plaques convergentes? - Comment est généré un magma au niveau d une zone de subduction? - Donner des exemples de «célèbres» volcans à l aplomb d une zone de subduction. - Où et comment se forme la croute continentale? Plan : 8.1. Types de frontières convergentes 8.1.1 Limites convergentes des plaques lithosphériques 8.1.2 Facteurs influençant le type de frontière convergente 8.1.3 Sismicité aux frontières de plaques convergentes 8.1.4 Déformation aux limites de plaques convergentes 8.2. Le magmatisme aux frontières convergentes 8.2.1 Magmatisme des arcs océaniques et continentaux (zones de subduction) 8.2.2 Génération des magmas des zones de collision 8.3. Exemples d éruptions à des frontières convergentes 8.4. Formation de la croute continentale Ce qu il faut connaitre : questions typiques
Introduction : Les limites de plaques convergentes (zones de subduction et de collision continentale) sont les lieux de formation de la croute continentale
8.1. Types de frontières convergentes 8.1.1 Limites convergentes des plaques lithosphériques - Les marges qui convergent sont marquées soient par : des fosses très profondes, quand des lithosphères océaniques «plongent» sous des lithosphères plus légères et sont recyclées dans le manteau des chaines de montagnes (croutes continentale et océanique fortement plissées et faillées) Fig. 8.1 : Les principales fosses et chaînes de montagne du globe dues aux mouvements convergents des plaques (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
- Convergence entre deux lithosphères océaniques : > Une lithosphère océanique descend dans le manteau, se réchauffe etun magma peut être généré. > Celui-ci est plus léger que les roches environnantes il est donc amené en surface créant en se solidifiant un arc d iles volcaniques (roche volcanique principale : andésite). > Présence d un prisme d accrétion dans la région «avant arc» constitué de roches sédimentaires et métamorphiques fortement déformées. > Exemples : Les Tonga, les Philippines, les Antilles. Fig. 8.2 : Convergence océan - océan (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
- Convergence entre une lithosphère océanique et une lithosphère continentale : > Une lithosphère océanique descend dans le manteau alors que la lithosphère continentale, moins dense reste surface. La chaîne d arc volcanique se forme sur le continent, et la compression peut déformer la croute continentale fortement pour former une chaîne de montagne fortement plissée. > Un magma est généré en profondeur et peut entrainer la formation de plutons (roches intrusives) dans les racines de la croute continentale. > Comme dans la convergence océan-océan : une fosse, une zone d avant «arc» déformée et une région «arrière arc» sont présentes. > Exemples : Les Andes, Les Cascades dans l Ouest Américain. Ou plus vieux : la Chaine des Rocheuses dans le Nord Ouest Américain et les Appalaches dans l Est américain. Fig. 8.3 : Convergence océan - continent (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
- Convergence entre deux lithosphères continentales : > Si deux croutes continentales convergent, aucune n est suffisamment «lourde» pour rentrer en subduction. Une plaque est chevauchée par l autre. > Il n y a pas de fosse, ni de plaque subductée, ni de bassins «avant arc» ou «arrière arc». A la place, les deux blocs continentaux sont compressés et «suturés» pour n en former plus qu un. > Au niveau de la zone de suture : une chaîne de montagne fortement plissée se forme. Un métamorphisme régional et des générations de magma granitique sont typiques de ces contextes. > Exemples : L Himalaya (collision actuelle Inde-Europe/Asie), La chaîne de l Oural (plaque Sibérienne contre la plaque Europe au paléozoïque). Fig. 8.4 : Convergence continent - continent (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
8.1.2 Facteurs influençant le type de frontière convergente La différence de «flottabilité» (ou densité) entre les deux plaques. Densité de la croute océanique = 2,9 g/cm 3 alors que la densité de la croute continentale = 2,7 g/cm 3. Différences de masses des plaques en lien avec leur variation d épaisseur. Ex : une plaque océanique sous marine composée d un volcan de type «point chaud» ou d un épais plateau de laves basaltiques est légèrement moins dense qu une plaque océanique ne contenant pas ces structures. La température affecte la densité des roches. Ex : si une lithosphère océanique est «jeune «(car crée non loin d une dorsale océanique active), elle est chaude et sa densité peut être donc moins importante qu une lithosphère continentale «vieille» et froide. Ceci peut influer sur l angle de subduction. Le mouvement des plaques (plongement de la subduction, obliquité et vitesse). Fig. 8.5 : Structure thermique d une zone de subduction (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
8.1.3 Sismicité aux frontières de plaques convergentes Au niveau des zones de subduction, les foyers des séismes sont d autant plus profonds que la plaque subductée est en profondeur. Au niveau des zones de collision, la majorité des séismes sont superficiels (foyers «peu profonds»). Fig. 8.6 : Profondeurs des foyers des séismes au niveau des limites de plaques en convergence (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
Foyers des séismes dans la région des Tonga (Pacifique) (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
8.1.4 Déformation aux limites de plaques convergentes Les zones de convergence sont fortement plissées et possèdent de nombreuses failles inverses. Chaque déformation va de l échelle du grain (ou du «fossile») jusqu'à la dizaine de kilomètres, et ces déformations se combinent pour former des chaînes de montagnes pouvant s étendre jusqu à plusieurs centaines de kilomètres de largeur et des milliers de kilomètre en longueur.
Cas des zones de subduction : Les prismes d accrétion, avant l arc, sont fortement plissés et faillés. Les prismes d accrétion sont constitués à la fois de sédiments, de fragments de croute et lithosphère océanique et de volcans sous-marins ou de provinces ignées. Le changement de pression et température en font aussi des zones où les processus métamorphiques sont très importants (faciès schistes bleu par exemple). Les sédiments peuvent être entrainés très loin dans la plaque plongeante et empêchés les failles inverses de fonctionner. Il peut en résulter une exhumation des Fig. 8.7 : Exemple de prisme d accrétion au niveau des Cascades roches profondes en surface. (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
Dans la région centrale des Andes : - Compression et élévation crustale encore actives. - Ceci provoque d importants plissements, failles inverses et épaississement de la croute ; intrusion de plutons en profondeur. - Toutes les séquences de roches sont fortement métamorphisées. - La croute sous les Andes peut être épaisse de 75 km et les volcans peuvent atteindre 6 km d altitude au dessus du niveau des mers. Fig. 8.8 : Mise en évidence de l épaisseur de la croute continentale des Andes (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
Cas des zones de collision continentale : La ceinture orogénique (chaîne de montagne) a des caractéristiques différentes d une chaîne de montagne provenant d une convergence océan-continent : Succède à une subduction océan-continent Quand la subduction cesse, le volcanisme généralement cesse Les mers Noire et Caspienne sont des reliques de lithosphères océaniques «non» subductées. Présence de nombreux lambeaux de croute océanique dans la zone de suture dans la chaîne de montagne (phénomène d obduction) : les ophiolites. Histoire de formation de l Himalaya (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
Histoire de la formation de l Himalaya par la collision des plaques «Indienne» et «Europe» (fait en TD n 6) : Formation de l Himalaya (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
8.2. Le magmatisme aux frontières convergentes 8.2.1 Magmatisme des arcs océaniques et continentaux (zones de subduction) - Le magmatisme d une zone de subduction est généré par la libération de l eau de la lithosphère océanique s enfonçant dans le manteau qui permet d abaisser le point de fusion des roches du manteau (les péridotites) - Deux solidus possibles (courbes de fusion de la péridotite) suivant si les roches du manteau sont hydratées ou non - Gradient géothermique au niveau d une zone de subduction : courbe en rouge - Si péridotite hydratée : fusion partielle possible dans le contexte du gradient géothermique des zones de subduction Fig. 8.9 : Mode de génération des magmas dans une zone de subduction (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
Petit rappel : grande différence avec les magmas générés au niveau des dorsales océaniques (Rappel Chapitre 7) au niveau des dorsales, les roches du manteau fondent partiellement par décompression adiabatique (chute de pression rapide sans échange de chaleur avec l environnement) Magma formé par décompression adiabatique à l aplomb des dorsales océaniques. (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall) Rappel chapitre 7
Retour au magmatisme des zones de subduction : - Les magmas générés sont généralement «hybrides» car dûs à la fusion partielle de matériaux complexes (sédiment, lithosphère océanique, lithosphère continentale environnante) - Possibilité de mélange de magmas avant d arriver à la surface - Cristallisation fractionnée très fréquente au cours de la remontée du magma : des andésites jusqu au rhyolithes (roches à texture microlithique équivalent volcanique d un granite) - Les magmas générés refroidissent en profondeur pour donner des plutons, ou arrivent en surface sous forme de laves très visqueuses Magmas très riches en eau et volatils (manifestation très fréquente en surface sous forme de «nuées ardentes»). - Toutes les roches générées sont plus légères que le manteau et resteront donc en surface. Fig. 8.10 : Les magmas dans les zones de convergence (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
8.2. Le magmatisme aux frontières convergentes 8.2.2 Génération des magmas des zones de collision - Volume de magma généré bien plus faible que pour une zone de subduction - Généralement, le magma cristallise en profondeur (les granites sont les roches formées les plus importantes) - Magmatisme calco-alcalin - Roches continentales incluant des roches métamorphiques peuvent fondent partiellement («le pourquoi» de la fusion reste encore fortement débattu).
8.3. Exemples d éruptions à des frontières convergentes - Au niveau des zones de subduction, les éruptions des volcans sont fréquentes et donnent le plus souvent des laves visqueuses (d autant plus qu elles sont riches en silicium) et des nuées ardentes (cendres volcaniques). - Quatre exemples : Le Vésuve (Pompéi) en Italie en -79 avant J.C. Zone de subduction entre la plaque Africaine sous la plaque Européenne 20 000 habitants disparaissant sous les nuées ardentes. (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
Fig. 8.11 : Le Krakatoa en Indonésie (Ouest de Java) avant l éruption (1883) et après : volcan explosif de la ceinture de feu du Pacifique (subduction de la plaque australienne sous la plaque eurasienne) région inhabitée mais 36 000 morts à Java et à Sumatra dus au tsunami associé - fort impact atmosphérique. (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
Fig. 8.12 : La montagne Pelée (Martinique) 30 000 habitants disparaissant sous les nuées ardentes en 1902 fort impact atmosphérique. (Web)
Fig. 8.13 : Le Mont Saint Hélène (Ouest des USA ; chaîne des Cascades) Subduction de la plaque Juan de Fuca sous la plaque Amérique du Nord 500 fois la puissance de la bombe détruisant Hiroshima ; Volcan explosif à gaz et nuées ardentes. (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
8.4 Formation de la croute continentale - Les continents se créent par accrétion de blocs continentaux aux zones de convergence. - De la nouvelle croute continentale se forme quand le magma riche en silicium cristallise pour former des roches «s additionnant» aux roches métamorphisées et déformées préexistantes. - Les marges continentales sont donc constituées par la juxtaposition d une multitude de blocs crustaux, ayant tous une origine et histoire différente. - Chaque bloc est appelé «terrane» : morceau de croute détaché d une plaque et qui s est accrété ou suturé à une plate forme continentale ou craton d une autre plaque.
- Des terranes peuvent être des reliques de volcans de type «point chaud», des lambeaux de croute océanique, des fragments d anciens arc volcaniques formés par des anciennes subductions, des roches métamorphiques issues de la base d anciennes chaînes de montagne. Rocheuses (Ouest Américain) : - Blocs «attachés» durant les épisodes de convergence aux mésozoïque (250 à 65 Ma) et cénozoïque (65 Ma à aujourd hui). A: les Rocheuses B: les Appalaches Appalaches (Est Américain) : Blocs formés (i) des anciennes plaques Europe, Afrique, et d arc volcaniques et iles de points chauds et (ii) accrétés à l ère paléozoïque (540 à 250 Ma : donc des millions d années avant que l accrétion de l Ouest Américain n ait été réalisée). Fig. 8.14 : Terranes accrétées au niveau (A) des Rocheuses et (B) des Appalaches. (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
- Les continents «grandissent» par accrétion à leur périphérie, avec les blocs crustaux les plus anciens au centre et les plus jeunes en périphérie : Ages des terranes du socle de l Amérique du Nord pour celles dont l'âge est supérieur à 1 Ga. (Earth s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)
Illustration des terranes qui composent le continent «Europe». (web : http://weppi.gtk.fi/publ/foregsatlas/image.php?id=2). Zoom sur la chaîne Varisque (ou chaine hercynienne) : chaîne de montagne se formant du carbonifère (300 Ma) au permien (250 Ma) Cette chaine prend naissance par le rapprochement de trois continents (Armorica, Gondwana et Laurussia) pour donner «La Pangée».
Traces de la chaine Varisque (ou Hercynienne) aujourd hui (zones hachurées) (web : https://fr.wikipedia.org/wiki/cha%c3%aene_varisque#/media/file:distribution_of_varisican_orogenies.png).
CE QU IL FAUT RETENIR/SAVOIR : questions typiques : - Quelles sont les type de limites de plaques engendrant la formation des chaînes de montagne? - Donner des exemples géographiques de convergence océan-océan, océan-continent et de collision continentale. - Savoir «commenter» un profil de gravité au niveau d une section de zone de subduction. - Quel est le principal mécanisme de fusion partielle au niveau des zones de subduction? - Citer le noms de volcans à l aplomb de zones de subduction. - Que sont des terranes? - Qu est ce que la chaine hercynienne?
C EST LA FIN!! BON COURAGE POUR LA SUITE