La convergence lithosphérique et la subduction L expansion de la lithosphère océanique à partir des dorsales s accompagne de sa destruction au niveau des zones de convergence des plaques lithosphériques. La subduction est ce phénomène d enfoncement de la plaque lithosphérique océanique dans le manteau. Envisageons dans une première leçon les caractéristiques des sites de la subduction et le mécanisme de celle ci. Dans une deuxième leçon nous étudierons les transformations minéralogiques qui accompagnent la subduction. I. Les marqueurs de la subduction 1.1 Les marqueurs topographiques Exemple 1: Affrontement de la plaque de Nazca et de la plaque Amérique du Sud Le document ci-après représente la carte topographique d'amérique du Sud Plaque de Nazca Plaque Amérique du Sud Activité1: Décrire le relief à la limite des deux plaques La convergence lithosphérique et la subduction Frédéric BUDON Février 2009 1
Exemple 2: Affrontement de la plaque des Caraïbes et de la plaque Nord-Américaine. Relief positif: arc volcanique Relief négatif: fosse Bassin d'arrière arc (En anglais plate = plaque) Activité 2: Indiquer les particularités du relief au niveau de l'affrontement entre la plaque caraïbe et la plaque nord-américaine. La frontière des zones de subduction est marquée par un relief particulier: -des reliefs positifs chaînes de montagne ou arcs volcaniques (cas de subduction intra océanique) -des reliefs négatifs : les fosses océaniques étroites et profondes : Fosse du Pérou Chili (- 8000 m), fosse des Mariannes (- 11 000 m), Fosse de Porto Rico (- 6 000 m). La convergence lithosphérique et la subduction Frédéric BUDON Février 2009 2
1.2 Les marqueurs sismiques Le document ci-après représente la répartition des foyers sismiques au niveau des côtes sudaméricaines et une coupe entre les points 1 et 2. 1 2 La profondeur des foyers est indiquée par la couleur des points : 0 à 70 km de profondeur 70 à 300 km de profondeur 300 à 700 km de profondeur Activité 3: 1 ) Etablir une relation entre les foyers sismiques et leur localisation par rapport à la fosse. 2 ) Entourer l'ensemble des foyers sismique sur la coupe fournie et dire ce que vous constatez sur leur répartition. Les zones de subduction sont caractérisées par une forte activité sismique. Les foyers sismiques ou hypocentres sont distribués à des profondeurs croissantes quand on s'éloigne de la fosse océanique: ils sont localisés sur un plan incliné appelé plan de Wadati-Benioff qui matérialise le le plongement de la plaque océanique sous une autre plaque (continentale ou océanique). La convergence lithosphérique et la subduction Frédéric BUDON Février 2009 3
1.3 Les marqueurs magmatiques La carte géologique des Andes ci-dessous indique les structures tectoniques et les roches de cette région. Activité 4: Quels types de roches rencontre t-on à la limite des plaques? Comment sont-elles localisées? Que traduisent ces roches? La convergence lithosphérique et la subduction Frédéric BUDON Février 2009 4
Les zones de subduction sont caractérisées par une importante activité magmatique: - le bord de la plaque chevauchante porte des volcans actifs explosifs qui constituent une cordillère quand ils sont portés par une plaque chevauchante continentale (ex.: cordillère des Andes) ou un arc magmatique insulaire quand la plaque chevauchante est une plaque océanique. La distance qui sépare la fosse de la cordillère ou de l'arc est de quelques centaines de km. - En même temps que ce volcanisme coexistent des roches plutoniques telles que des granodiorites. 1.4 Les marqueurs tectoniques Activité 5 : 1 )Relever sur la carte géologique des Andes les structures géologiques présentes. 2 ) Quelle type de contrainte (extension ou compression) est à l'origine de ces structures? Dans les zones de subduction on observe la présence de plis, de failles inverses et des chevauchements qui caractérisent des contraintes de compression. 1.5 Les marqueurs sédimentaires Les documents ci-dessous représentent: - une carte bathymétrique et sismique des Caraïbes - une coupe schématique W-E à la latitude de La Barbade. Carte bathymétrique et sismique des caraïbes La convergence lithosphérique et la subduction Frédéric BUDON Février 2009 5
Coupe schématique à la latitude de la Barbade Activité 6: 1 ) Relever les différents marqueurs de la subduction. 2 ) Quel constat peut-on faire au niveau de la fosse? Dans le cas des subductions intra-océanique (entre deux plaques océaniques), il faut noter la présence d accumulation de sédiments au niveau de certaines fosses appelée prisme d accrétion sédimentaire. Ces sédiments, déformés, se situent entre la plaque subduite et la plaque chevauchante. L'île de la Barbade représente un prisme d'accrétion en partie émergé. (C'est le seul prisme d'accrétion émergé de la planète, tous les autres sont immergés.) La convergence lithosphérique et la subduction Frédéric BUDON Février 2009 6
1.6 Les marqueurs thermiques Il existe un flux de chaleur permanent entre l'intérieur du globe jusqu'à la surface, appelé flux géothermique. En moyenne la Terre perd une quantité d'énergie d'environ 50 mw.m -2 Activité 7: On a mesuré le flux géothermique moyen au niveau d'une zone de subduction. Repérer la valeur du flux géothermique : - au niveau de la plaque océanique avant son entrée en subduction - au niveau de la fosse - au niveau de la Cordillère On note une une distribution inégale du flux géothermique au niveau des zones de subduction: une anomalie négative au niveau de la fosse océanique et une anomalie positive au niveau de l arc volcanique ou du haut relief montagneux. On a pu estimer les températures qui règnent à l'intérieur de la plaque qui s'enfonce (plaque subduite) et tracer des isothermes (lignes de même température) au niveau de la zone de subduction. Isothermes au niveau des zones de subductions On constate une "dépression" au niveau du plan de subduction: la plaque subduite est "froide" et son environnement chaud. La convergence lithosphérique et la subduction Frédéric BUDON Février 2009 7
BILAN: Les frontières de convergence entre les plaques lithosphériques sont de deux types : des frontières de convergence entre deux lithosphères océaniques. Exemples : la frontière entre la plaque des caraïbes et la plaque nord américaine, la frontière entre la plaque des philippines et la plaque du Pacifique. (On parle de subduction océan - océan). Des frontières de convergence entre une plaque continentale et une plaque océanique. Exemples : frontière entre la plaque océanique de Nazca et la partie continentale de la plaque sud américaine (On parle de subduction continent - océan). Ces deux types de frontières de convergence présentent des caractéristiques communes, celles de marges actives: caractéristiques au niveau morphologiques (fosses océanique, montagne, arc volcanique) caractéristiques au niveau géologiques (éruption volcaniques, secousses sismiques, déformations tectoniques, prisme d'accrétion,flux thermique inégal) Type Antilles 3.4 3.3 3.2 3.3 3.4 3.3 Les deux types de subduction (les chiffres représentent les valeurs de densité) II Le moteur de la subduction Au fur et à mesure que la lithosphère océanique s éloigne de la dorsale, elle se refroidit et s épaissit par sa base. Cette diminution de température s accompagne de l augmentation de sa densité moyenne. A partir de 30 millions d années, la densité de la lithosphère océanique est supérieure à celle de l asthénosphère sous-jacente, par conséquent elle tend à s enfoncer. D autre part, la transformation des basaltes et des gabbros de la croûte océanique en éclogites augmente encore la densité moyenne de la lithosphère océanique. Cependant, l asthénosphère solide exerce une résistance à l enfoncement, retardant ainsi la subduction de plusieurs dizaines de millions d années. C est donc sous l effet de son propre poids que la lithosphère océanique subduite (s'enfonce). (Sur le schéma ci dessus: Notez l épaississement de la lithosphère océanique à mesure qu elle s éloigne de la dorsale. Devenant également de moins en moins chaude, sa densité amoindrie aura tendance à la faire s enfoncer dans l asthénosphère). La convergence lithosphérique et la subduction Frédéric BUDON Février 2009 8