La collision continentale Emmanuelle BOUTONNET Bibliographie : Livres : Boillot & Coulon, La déchirure continentale et l'ouverture océanique, Gordon et breach Boillot et al., Les marges continentale, actuelles et fossiles, autour de la France, Masson Campy et Macaire, Géologie des formations superficielles, ed. Dunod Caron et al., Comprendre et enseigner la planète Terre, Ophrys Cazenave & Feigl, Forme et mouvements de la Terre, Belin Choukroune, Déformation et déplacements dans la croûte terrestre, Masson Cojan & Renard, Sédimentologie, Dunod Collectif, Himalaya- Tibet, le choc des continents, CNRS éditions. Debelmas & Mascle, Les grandes structures géologiques, Masson Dercourt, Géologie et Géodynamique de la France, Dunod Dercourt J. & Paquet J. Géologie : Objets et méthodes. Jolivet & Nataf, Géodynamique, Dunod Jolivet, La déformation des continents, Hermann Kornprobst, Les roches métamorphiques et leur signification géodynamique, ed. Masson. Mercier & Vergely : Tectonique, Dunod Westphal, Paléomagnétisme et magnétisme des roches, Doin Yardley B.W.D & coll. Atlas des roches métamorphiques. Revues et cie : Pinter et Brandon, PLS, 1997 PLS dossier spécial L'écorce terrestre Article «Métamorphisme» de l Encyclopedia Universalis par C. Nicollet. http://christian.nicollet.free.fr/
PLAN DETAILLE. LA COLLISION CONTINENTALE I Les marqueurs morphologiques, témoins de la géométrie de la collision. A Les marqueurs physiques et géophysiques (reliefs, morphologie, épaississement crustal, sismique, gravimétrie) B Les marqueurs tectoniques (plis, failles, décrochements vs épaississement, empilement nappes, migration fronts.) C Les marqueurs sédimentaires (bassin flexuraux, érosion intense, zones de subsidence). II- Les marqueurs pétrologiques, témoins de l histoire de la collision. A Des marqueurs de subduction océanique et continentale. (marqueurs océaniques, gradient HP-BT océaniques, gradient HP-BT continental) B Des marqueurs métamorphiques de l épaississement. (exemples, gradient MP-MT, métamorphisme inverse, régime à l équilibre) C Des marqueurs d un magmatisme important. (granites Alpes et Himalaya, causes possibles, cas des décrochements). III La collision continentale, un processus intégré à l échelle de la planète. A Les cycles de Wilson (Collisions antérieures, ex. Hercynien, retrace histoire ci-dessus, cycle Wilson) B Couplage Erosion / surrection (Mise en évidence, rôle de la tectonique vs. climat) C Effets sur le climat local et Global (Local : effet de Föen, Global : rôle sur le CO 2 atmosphérique)
CORRECTION PLAN DETAILLE. LA COLLISION CONTINENTALE Introduction : - Accroche : Zones de montagne = zones à risques. Ex : avalanches, séismes, frontières physiques, difficultés transports à travers les montagnes, conditions de vie rudes Intérêt de l Homme pour les montagnes très tôt. On voit des chaînes de montagnes intracontinentales actuelles (Alpes, Himalaya) qui sont des zones de déformation de la croûte continentale importantes. Au sein de ces chaînes, on trouve des ophiolites qui sont des morceaux d un ancien plancher océanique (le Chenaillet, zone de suture de l Indus) ; la série ophiolitique est complète (sédiments, pillow lava, complexe filonnien, gabbros, manteau serpentinisé). On en déduit qu il y a eu un océan à cet endroit, océan qui s est refermé et qui a disparu lors de la collision de deux continents = collision continentale. - Annonce du sujet et limitations : Cycle de Wilson et convergence de plaques : Massif hercynien est une ancienne chaîne de montagnes qui avait à peu près les dimension de l Himalaya. Mise en évidence que au cours de l histoire de la Terre, il y a des cycles de convergence de plaques (formation de grands continents) et de divergence de plaques (formation d océans). On s intéresse à la phase de convergence des plaques, en particulier lorsque deux plaques continentales s affrontent, la collision continentale. Limitations : D après Guillot et al (2003), «l équilibre des chaînes de chevauchements himalayennes en terme de quantité de raccourcissement versus quantité d érosion et de stabilité thermique moins de 10 Ma après le contact initial est défini comme le régime de collision. Au contraire, les premiers 5 à 10 Ma correspondent à la transition de la subduction océanique à la collision continentale, et sont caractérisés par une diminution marquée du taux de raccourcissement, une début de topographie aérienne, et d un réchauffement progressif de la zone de convergence. Cette période est définie comme la phase de subduction continentale, qui accommode plus de 30% du raccourcissement total himalayen» Néanmoins, on va prendre l ancienne définition qui considère qu il y a collision continentale lorsque deux croûtes continentales entrent en contact. Dans le cas de l Himalaya, ce contact se fait vers 55Ma. - Annonce du plan :
I Les marqueurs morphologiques, témoins de la géométrie de la collision. A Les marqueurs physiques et géophysiques - Observation reliefs & morphologie : altitude moyenne du Tibet = 4000 m. Zones de hautes chaînes allongées à la limite des plaques. - Sismique : profil sismique Népal = doublement crustal (60km) le long du MCT. - Gravimétrie : anomalie négative de Bouguer = racine crustale profonde. => Zones de collision : affrontement de croûtes continentales et épaississement crustal important aux limites de plaques convergentes. Matériel : carte des limites de plaques, carte topographique du monde, profil sismique, carte anomalies de Bouguer. B Les marqueurs tectoniques - A petite échelle : plis, failles, tectonique active compressive (et distensive parfois). - A grande échelle : présence de chevauchements majeurs (CPF, MCT) qui superposent les écailles de croûte (60km au niveau du CPF). Lien avec épaississement. - Processus d accommodation de la convergence : empilement de nappes crustales. - Migration des fronts : âge des chevauchements himalayens MCT, MBT, MFT de plus en plus jeunes vers le sud. Même chose dans les Alpes et le Jura. - Epaississement vs. extrusion : présence de grands décrochements qui accommodent une partie de la déformation. => Zones de collision : accommodation de la convergence par de la déformation en compression et décrochement. Matériel : Expérience en modélisation analogique de migration des fronts, expérience de Tapponnier & Molnar, photos de plis/ failles alpines ou carte géologique, carte tectonique avec chevauchements majeurs. C - Les marqueurs sédimentaires - Mise en évidence : zones de collision sont des zones d importante production de sédiments : golfe du Bengale (1) = 18km de sédiments au maximum. - Zones de forte érosion : toutes les zones de fort relief produisent des sédiments, en particulier la zone de collision Inde- Asie car la chaîne a une grande extension spatiale, et une haute altitude. - Bassins flexuraux d avant chaîne : proximité de la haute chaîne qui s érode et création d espace par subsidence tectonique : flyschs et molasses. Ex : bassin molassique suisse et savoyard (2). Lien avec déformation par migration de fronts. On peut remonter à la direction des flux : viennent du relief ou du paléo-relief tout proche. - Cas particulier des bassins intrachaîne tibétains : (3) : bassins sans exutoire et accumulation des sédiments. Matériel : 1 (Campy et Macaire, fig. 2.18, Dossier PLS, L écorce terrestre) ; 2 (Debelmas et Mascle, 1991) ; 3 (Himalaya Tibet, le choc des continents). Photos d une coupe de molasse et carte géologique des Alpes (France au 10-6 )
II- Les marqueurs pétrologiques, témoins de l histoire de la collision. A Des marqueurs de subduction océanique et continentale. - Les ophiolites : certaines ne sont pas déformées (Chenaillet) et d autres ont un métamorphisme SB ou éclogite. Placer dans un diagramme P-T : HP-BT (1). - Les unités continentales de UHP : coésite (Dora Maira) ou inclusions basiques des roches acides sont éclogitisées (Tso Morari) : trajets P-T-t des roches acides suivent un gradient de UHP-BT. - Zonation dans les Alpes : (1) de plus en plus profond en allant vers l Est = témoins de la subduction de l Europe sous l Apulie, océanique, puis continentale. => première étape de l histoire d une chaîne de montagne : un océan se referme par subduction océanique et la croûte continentale est entraînée dans la subduction. - Exhumation - trajets P-T-t : remontée rapide en cd de HP-BT dans un corner flow (ou chanel flow), puis lentement par érosion crustale. - Questions qui subsistent : Pourquoi la croûte continentale légère plonge-elle? Pourquoi une éclogite dense (d>3) remonte-elle? Matériel : 1 (Agard et Lemoine, Visages des Alpes) ; un gabbro à glaucophane, des éclogites (Val d Aoste), une photo de la coésite de Dora Maira, un diagramme P-T-(t) pour reconstituer les trajets HP-BT. B Des marqueurs métamorphiques de l épaississement. - Mise en évidence du régime de MP MT : dans le facièes amphibolite, et trajets P-Tt. Causes : Empilement de nappes crustales. - Cas particulier de la région des HHC : métamorphisme inverse entre le MCT et le STDS. Remontée localisée de matière entre les deux failles : affleurement du chanel flow ou phénomène localisé? - Régime à l équilibre : épaississement crustal compensé par l érosion. Epaisseur de la croûte épaissie stable, métamorphisme MP-MT stable. => deuxième étape de l histoire d une chaîne de montagne : régime de collision sensu-stricto, avec empilement de nappes et métamorphisme associé. Matériel : Agard et Lemoine, Visages des Alpes ; lames minces d amphibolites du Briançonnais. C Des marqueurs d un magmatisme important. - Granites et roches magmatiques abondantes: cristallins du Haut Himalaya (HHC, leucogranite de l Everest ), et nombreux granites tardi-hercyniens (ex. granites Bretons) = indices d anatexie crustale. - Causes précoces possibles : fusion par décompression ou réchauffement local. Contexte : channel flow (HHC), slab breakoff (remontée asthénosphère suffisamment importante pour fusion manteau & croûte). - Cas particulier des décrochements : magmatisme dans les zones de décrochement crustal (et métamorphisme faciès granulitique) & théorie du shear heating.
- Causes tardives : exemple effondrement de la chaîne Hercynienne. Fin des contraintes aux limites, slab breakoff et/ou radioactivité + décompression par effondrement = fusion partielle dans un contexte métamorphique de HT-BP. => dernière étape de l histoire d une chaîne de montagne : effondrement et magmatisme important. Matériel : Carte géologique de la France au 10-6, schémas du slab Breakoff, Himalaya Tibet, le choc des continents. III La collision continentale, un processus intégré à l échelle de la planète. A Les cycles de Wilson - Mise en évidence : chaîne Hercynienne était une chaîne de montagne comme l Himalaya. Même histoire (mais difficile à voir car érodé). Autres cycles du genre : Cadomien, Calédonien (quelques traces à Saint-Brieuc, 1). - A l échelle des temps géologiques : plusieurs cycles de Pangée / désagrégation, liés à des cycles orogéniques : océanisation, subduction, collision, effondrement. => Cycles de Wilson. Causes? Matériel : 1 (Carte géologique de la France au 10-6 ), échelle des temps géologiques, reconstitution paléogéographiques des cycles de Wilson. B - Couplage érosion / surrection - Mise en évidence : profil d érosion calculé sur l Himalaya vs le profil de surrection (1) : la haute chaîne localise les précipitation érosion forte isostasie compense par surrection importante. - Généralisation : les mouvements verticaux dépendent en grande partie de la tectonique et aussi du climat / profil d érosion. Matériel : 1 (Pinter et Brandon, PLS, 1997). C - Effets sur le climat - local et global - Effet de Foën : localisation des précipitations sur le front de la chaîne. Conséquences : arrière pays (Tibet et Briançonnais) sont régions arides. Mise en évidence par la végétation. - Mise en évidence d un effet global : pendant la période hercynienne, on observe une diminution du CO 2 atmosphérique. Cause possibles : piégeage de charbon (carbonifère) et érosion des roches. Conséquences sur le climat. - Piégeage du CO 2 par altération des roches basiques (CaSiO 3 ) et des calcaires. Cf. cours de P.Thomas. Dans un orogène, on trouve ces roches : altération d une chaîne comme Himalaya peut être liée à diminution effet de serre et baisse T globale. Matériel : équation du piégeage du CO 2 par altération des plagioclases calciques. Conclusion : Intérêts économiques des chaînes de montagne (ski, ressources minières et pétrole).