Sciences de la Vie et de la Terre Classe de Terminale S Thème 1B : LE DOMAINE CONTINENTAL ET SA DYNAMIQUE CHAPITRE 3 : LE MAGMATISME EN ZONE DE SUBDUCTION Une production de nouveaux matériaux continentaux Au niveau des dorsales océaniques, il se produit une création permanente de lithosphère océanique par accrétion. La lithosphère océanique âgée, en revanche, disparaît dans les profondeurs du globe au niveau des zones de subduction. Les zones de subduction sont des secteurs dans lesquels une plaque océanique passe sous une autre portion de lithosphère et s enfouit au sein du manteau. Ces zones sont caractérisées par une intense activité sismique mais aussi par un magmatisme caractéristique. La ceinture de Feu du Pacifique par exemple regroupe ainsi plus de 75% des volcans émergés de la planète, tous associés au contexte de subduction. ð Problématique : Quelle est l origine du magmatisme des zones de subduction? I/ Le volcanisme des zones de subduction A) Un volcanisme explosif Le phénomène de subduction correspond à l enfoncement d une lithosphère océanique froide et dense dans une asthénosphère moins dense située sous une lithosphère continentale et parfois sous une autre lithosphère océanique. Ainsi les zones de subduction sont qualifiées de marges actives car l activité sismique et volcanique y est intense : c est le cas d une grande partie du pourtour de l Océan Pacifique («la ceinture de Feu»), ou encore de la région des Antilles. La convergence peut se faire entre deux plaques océaniques comme c est le cas à l ouest du Pacifique, notamment au niveau des arcs insulaires comme le Japon ou alors avoir lieu entre une plaque océanique et une plaque continentale. Il s agit de la majorité des subductions qui se manifestent à l est du Pacifique, dans les cordillères nord-américaines et les cordillères andines. Les marges actives ont des caractéristiques communes : - Une fosse océanique, souvent associée à un prisme d accrétion - Une chaîne volcanique qui se présente soit comme une cordillère marquant le rebord d un continent, soit comme un arc insulaire. - Une activité sismique intense, dont les foyers se répartissent sur un plan oblique qui plonge sous l arc insulaire ou la marge continentale : le plan de Wadati-Benioff. Les édifices volcaniques sont alignés parallèlement à la marge ; les éruptions se caractérisent souvent par leur violence qui peut provoquer, dans les zones habitées, des dégâts considérables. Ce sont des éruptions explosives. 1
B) Une explosivité liée à la richesse en silice La composition chimique d un magma joue un rôle clé dans la détermination de sa viscosité, c est à dire dans la résistance qu il manifeste face à l écoulement. Cette résistance est fonction des frictions internes provenant des différentes liaisons chimiques à l intérieur du liquide et notamment les liaisons entre la silice (Si) et l oxygène (O). Ce facteur étant le plus important, les laves sont donc d autant plus visqueuses qu elles sont riches en silice. Or les magmas produits dans les zones de subduction sont riches en silice. Lors d un épisode éruptif, le magma, trop visqueux pour pouvoir s écouler facilement, se refroidit en formant un véritable «bouchon» dans la cheminée volcanique. Les gaz provenant du dégazage du magma s accumulent alors dans la cheminée, et lors la pression des gaz devient trop importante, elle pulvérise le bouchon et, souvent, toute la partie sommitale du volcan est décapitée. Cette gigantesque explosion donne naissance à un énorme panache volcanique et à une nuée ardente, aérosol composé de gaz, de cendres et de blocs de toutes tailles, porté à haute température (plusieurs centaines de degré Celsius) et dévalent les pentes du volcan à grande vitesse (200 à 600km par heure). BILAN : L activité sismique et volcanique des zones de subduction est intense. On qualifie donc ces zones de marges actives. Les éruptions volcaniques y sont caractérisées par une forte explosivité. Cette explosivité est liée à la richesse en silice du magma. En effet, plus un magma est pauvre en silice, plus il est fluide et plus les éruptions y sont calmes (éruptions effusives). En revanche, plus le magma est riche en silice, plus il est visqueux et plus les éruptions sont explosives. II/ Les roches magmatiques des zones de subduction A) Des roches volcaniques et plutoniques Une roche magmatique est une roche issue de la cristallisation plus ou moins rapide d un magma. On distingue deux types de roches magmatiques : v Les roches magmatiques plutoniques : ce sont des roches qui ont entièrement cristallisées. Elles sont issues d un magma qui s est refroidi lentement en profondeur, à l intérieur d une grosse poche que l on appelle un pluton. La cristallisation étant totale, elles présentent des cristaux jointifs (on peut parfois apercevoir des phénocristaux). On dit qu elles ont une texture grenue. Dans les zones de subduction, ces roches plutoniques sont représentées majoritairement par des granitoïdes (de type granite et diorite). 2
v Les roches magmatiques volcaniques : ce sont des roches partiellement cristallisées. Elles sont issues d un refroidissement rapide en surface. Des cristaux plus ou moins gros (pyroxènes, plagioclases) se sont noyés dans une pâte de verre amorphe non cristallisée. Cette organisation structurale permet de définir une texture microlithique à ces roches. Dans les zones de subduction, ces roches volcaniques sont représentées majoritairement par les andésites et les rhyolites. Tableau synthétique Roches volcaniques et roches plutoniques des zones de subduction ont une composition chimique apparentée indiquant qu elles se forment à partir de la cristallisation d un même type de magma B) Des roches riches en minéraux hydroxydés Les granitoïdes de la croûte continentale contiennent des minéraux hydroxydés (riches en groupes OH), principalement les micas (biotite et muscovite) dans les quels, ces groupements représentent entre 12 et 15% d eau et les amphiboles (1,5% d eau environ). Les différences de température de fusion et de composition chimique entre les roches de la croûte continentale et celles de la croûte océanique sont telles que les magmas qui se forment en zone de subduction ne peuvent pas provenir d une fusion des matériaux de la plaque plongeante. Ils doivent donc avoir pour origine une fusion partielle du manteau de la plaque lithosphérique chevauchante audessus du plan de Benioff. 3
Or, les péridotites du manteau sont composées essentiellement de pyroxènes et d olivines, minéraux anhydres, c est à dire dépourvus de groupement OH. Se pose alors le problème de l origine de l eau dans les minéraux des roches de la croûte continentale. BILAN : Les roches volcaniques, principalement des andésites et des rhyolites, présentent une structure microlithique qui révèle un refroidissement rapide du magma. Les roches plutoniques, essentiellement des granitoïdes, présentent une structure grenue qui révèle un refroidissement lent du magma en profondeur. Toutes ces roches, de composition chimique apparentée, contiennent des minéraux hydroxydés (riches en groupements OH), alors que les péridotites du manteau n en contiennent pas. III/ La genèse des magmas en zone de subduction A) L origine des magmas A la profondeur où sont produits ces magmas dans une zone de subduction, la température est insuffisante pour faire fondre des péridotites, du moins si ces roches sont anhydres. En revanche des études expérimentales ont montré que l hydratation des péridotites abaisse leur point de fusion. Diagramme P/T d une péridotite anhydre Diagramme P/T d une péridotite hydratée Ainsi, il semble que la fusion partielle du manteau à l origine des magmas granitiques soit due à l hydratation de la plaque chevauchante. 4
B) L origine de l eau nécessaire à la fusion des péridotites La croûte océanique qui subit la subduction est une croûte très hydratée : lors de leur histoire océanique, les basaltes et gabbros qui la constituent ont en effet été transformés par les circulations hydrothermales. Vers 100 à 150km de profondeur, à l aplomb de l arc magmatique, les conditions d une fusion partielle sont réunies : la température s est élevée suffisamment pour que le point de fusion de la péridotite hydratée soit atteint. Cette fusion partielle du manteau donne naissance à des magmas. Plus en profondeur, la température est insuffisante pour provoquer la fusion partielle : la genèse des magmas est donc un phénomène très localisé. Quelques rappels du métamorphisme de subduction Par rapport à la température, la pression joue un rôle majeur dans les transformations minéralogiques observées. Un tel métamorphisme, qualifié de haute pression et basse température (HP/BT) ne s observe actuellement que dans les contextes de subduction. Les assemblages minéralogiques initiaux, stables en surface, sont déstabilisés au cours de l enfouissement et de nouveaux assemblages se forment par réaction chimique entre les minéraux initiaux. Les gabbros, roches caractéristiques du plancher océanique, subissent avec le temps des transformations métamorphiques : ils deviennent des métagabbros. Les premiers métagabbros du plancher océanique vieillissant sont des «schistes verts» qui referment des chlorites (minéraux verts témoignant d une importe hydratation). Lors du plongement de la lithosphère océanique, les «schistes verts» sont transformés en «schistes bleus», dont les reflets bleutés sont dus à la présence d une amphibole bleue : le glaucophane. Enfin, si ces «schistes bleus» sont entraînés davantage en profondeur, ils sont transformés en éclogites : des grenats y apparaissent associés à un pyroxène vert, la jadéite. Glaucophane, grenat et jadéite ne peuvent se former que dans les conditions de température et de pression qui caractérisent les zones de subduction. Ils témoignent en outre d une déshydratation interne subie par les métagabbros. BILAN : A la profondeur où sont produits ces magmas, la température est insuffisante pour faire fondre des péridotites anhydres. En revanche, des péridotites hydratées peuvent fondre partiellement à cette température. Cette fusion partielle est due à l hydratation de la plaque chevauchante. L eau nécessaire provient des transformations métamorphiques subies par les gabbros de la croûte océanique plongeante : des minéraux nouveaux se forment (métagabbros schistes verts, métagabbros schistes bleus, éclogites) de plus en plus pauvre en eau. L eau libérée percole dans le manteau sus-jacent, diminuant ainsi la température de fusion des péridotites. 5
IV/ La production de nouveaux matériaux continentaux A) Une évolution de la composition chimique des magmas La fusion partielle des péridotites hydratées produit un magma originel de composition basaltique. La composition chimique de ce dernier se modifie ensuite : - Son refroidissement très lent s accompagne d une cristallisation progressive, qui commence par celle des minéraux les plus pauvres en silice (ce qui enrichit le magma résiduel en silice) ; - Il peut aussi s enrichir en silice en fondant les matériaux de la croûte continentale encaissante Finalement les roches magmatiques produites, qu elles soient volcaniques ou plutoniques, sont essentiellement de composition granitique ou dioritique. B) La mise en place des roches des zones de subduction Les magmas, produits vers 100 à 150km de profondeur, migrent vers la surface car leur température est beaucoup plus élevée que celle des matériaux encaissants. Ø Les roches volcaniques proviennent de magmas très chauds qui migrent rapidement vers la surface à travers les matériaux du manteau et de la croûte sus-jacents. Près de la surface (à quelques kilomètres de profondeur), ces magmas s accumulent dans une chambre magmatique jusqu à ce qu une éruption volcanique les fasse parvenir en surface. Les roches récolées, riches en silice, sont des andésites ou des rhyolites (volcanisme explosif) Ø Les roches plutoniques proviennent de magma qui ne gagnent pas la surface. Ces magmas forment d énormes «bulles» qui migrent vers la surface sans jamais l atteindre, car leur température n est pas suffisamment supérieure à celle des matériaux encaissants. Ces magmas cristallisent donc en profondeur en formant des plutons de granitoïdes que l érosion dégagera plusieurs millions d années plus tard. C) L accrétion continentale La production de magmas dans une zone de subduction est le principal «fabricant» de croûte continentale récente : on qualifie cette production d accrétion continentale. L étude des domaines continentaux anciens a conduit les géologues à admettre que cette accrétion n a pas été constante au cours du temps. Aujourd hui, création et destruction de la croûte continentale s équilibrent à peu près, la surface totale de croûte continentale ne change donc pratiquement plus. 6
BILAN : Les magmas provenant d une fusion partielle des péridotites du manteau sont initialement basaltiques. Ils subissent ensuite une évolution complexe qui donne naissance à des magmas granodioritiques. Les roches magmatiques produites dans les zones de subduction forment en surface des édifices volcaniques et, en profondeur, des plutons granitiques qui n affleureront en surface que des millions d années plus tard. La production de magmas dans une zone de subduction est à l origine de la création d une quantité considérable de croûte continentale : c est l accrétion continentale. BILAN GENERAL 7
SCHEMA BILAN GENERAL 8