Chapitre 7 :

Tectonique des plaques 2 : dynamique de la lithosphre

ocanique.

- Cours et Figures dans rpertoire sur le BV : 2017-2018/Semestre1/UE Gosciences 1

- Cours en ligne galement sur le site web du dpartement Gosciences de lUniversit de Poitiers dans le lien Ressources pdagogiques .

Chap. 7 : Tectonique des plaques 2 : dynamique de la lithosphre ocanique.

Questions choisies : - Comment peut-on obtenir des informations sur la morphologie des fonds ocaniques ?- Comment fonctionne une dorsale ocanique, comment un ocan se forme t-il ?- Quelle est la structure typique de la lithosphre ocanique ? Peut-on en avoir des traces sur les continents ?

Plan : Introduction : - Rappel : lieu de formation de la croute ocanique (un des possibles constituant des plaques lithosphriques)7.1. Morphologie des fonds ocaniques

7.1.1 Mthodes dinvestigation des fonds sous-marins7.1.2 Morphologie typique des fonds sous-marins7.1.3 Pourquoi cette morphologie ?

7.2. Les dorsales ocaniques et leur fonctionnement7.2.1 Rpartition Donnes sismiques et thermiques7.2.2 Magmatisme des dorsales ; Structure typique de la lithosphre ocanique :

- observation directe : dans les zones de fractures- observation indirecte : les ophiolites

7.2.3 Deux types de dorsales Lhydrothermalisme7.3. Les rifts continentaux

7.3.1 Trois tapes de rifting7.3.2 Evolution tectonique gnrale du globe depuis les derniers 200 Ma

Ce quil faut connaitre : questions typiques

IntroductionRappel :

(1) la croute ocanique se forme au niveau des dorsales ocaniques au fond des ocans, dans des zones o lesplaques lithosphriques sloignent les unes des autres (zones de divergence)

(2) une plaque lithosphrique peut comporter de la croute ocanique et de la croute continentaleexemple : la plaque pacifique ne contient que de la croute ocanique, alors que la plaque Europe-Asiecontient la fois de la croute ocanique et de la croute continentale

(3) la lithosphre ocanique est constitue de la croute ocanique + dune fraction du manteau suprieur(lithosphre cassante)

7.1. Morphologie des fonds ocaniques7.1.1 Mthodes dinvestigation des fonds sous-marins

- Observations indirectes :(i) Bathymtrie : mesure de la profondeur et du relief des fonds marins

souvent ralise par des mesures acoustiques (sonars) ces mesures sont parfois couples de limagerie acoustique donnant accs la nature de la roche recouvrant le fondocanique (basaltes frais, roches plus vieilles ou sdiments)

Fig. 7.1 : Quadrillage par un sondeur multifaisceaux acoustique embarqu sur un bateau (A) pour sonder la topographie des fonds marins (B).(Web : www.larousse.fr)

A B

- Observations indirectes :(ii) Gravimtrie : la gravit est enregistre en continu en mer par des gravimtres de trs grandesprcisions les variations de gravit (corriges des anomalies de Bouguer ; voir chapitre 4) donnent desindications sur la prsence de manteau (matriel dense par rapport la croute) plus ou moins proche dela surface des fonds marins.

Anomalie de gravit et structure de la crote sous la dorsale Atlantique (32N).(Daprs Talwanietal, 1965 et tir de Gosciences, Robert et Bousquet, Ed. Belin) Rappel chapitre 4.

- Observations indirectes :(iii) Sismique rflexion et sismique rfraction : mthodes destines ltude de la structure profonde desfonds ocaniques

Fig. 7.2 : Schmas gnriques des mthodes de sismique rflexion et rfraction. http://img.coursgeologie.com

Profil sismique (Dorsale Atlantique Nord 44N)(Earths dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)

- Observations directes :(i) sous-marins(ii) les robots dobservations(iii) les prlvements

Diffrents engins utiliss pour sonder les fonds marins (A) Le Nautile (sous marin franais habit) utilis jusqu 6 km de profondeur (B) Le ROV (Remote Operating Vehicule)Victor : un robot tlcommand (6 km de profondeur) (C) Le carottier Calypso amarr au navire Marion Dufresnes : iI estcapable de pntrer 60 m de sdiments. web

A B

C

7.1.2 Morphologie typique des fonds sous-marins

- les fonds ocaniques sont diviss en trois grandes provinces morphologiques : les marges (actives ou deconvergence ; passives ou douverture des ocans), les plaines abyssales et les rides (ou dorsales) (Rappel cours n4).

- Locan Atlantique est bord majoritairement par des marges passives alors que la plupart des marges activesferment locan Pacifique. Dans locan Indien, les marges antarctique, africaine et sud-australienne sont stables (oupassives) alors que la marge indonsienne est active.

Fig. 7.3 : Morphologie des fonds ocaniques (A) et le principe de cartographie par multifaisceaux acoustiques (B). (Elments de Gologie, Renard et al., Ed. Dunod)

A

B

Rappel des marges passives et actives :

Positionnement de la croute ocanique au niveau dune marge passive et dune marge active(Web : Source Plante-Terre / Pierre-Andr Bourque) Rappel chapitre 4.

Au niveau des plaines abyssales (bassins profonds) peut exister des plateaux sous-marins de volumeconsidrable dont certains ont t mis en place partir de points chauds au cours de grandes crises magmatismes :

Fig. 7.4 : Carte des principales grandes provinces (plateaux) magmatiques du globe. Web

Au niveau des plaines abyssales (bassins profonds) peut exister aussi des monts sous-marins avec des volcans ayant atteints la surface ou pas :

Carte structurale de locan Pacifique montrant enparticulier de nombreuses rides (volcans aligns)et de plateaux sous-marins mis en place parlactivit des points chauds.

La gomtrie de ces structures traduit lemouvement des plaques lithosphriques etpermet de les reconstituer en prenant pour reprefixe les points chauds.(Elments de Gologie, Renard et al., Ed. Dunod)

7.1.3 Pourquoi cette morphologie ?

- La lithosphre ocanique est cre laxe des dorsales avec un sommet environ 2 500 m : ce niveau lalithosphre est chaude et peu dense.

- Puis, la lithosphre ocanique subit une translation par le mouvement des plaques, se refroidit et subit unpaississement. A ce stade elle aura tendance senfoncer : cest la subsidence thermique. On considre que la lithosphreocanique flotte sur le manteau asthnosphrique durant les 30-40 premiers Ma de son existence.

Fig. 7.5 : (A) Comparaison entre courbe thorique du flux thermique ocanique (chaleur vacue par conduction) et fluxmesurs. (B) Courbe ge-profondeur des fonds ocaniques montrant la subsidence thermique.(Elments de Gologie, Renard et al., Ed. Dunod)

Flu

xd

ech

aleu

r1

0-3

W/m

2

Pro

fon

de

ur

(km

)

A B

- En arrire des zones de subduction, des bassins ocaniques marginaux (appels darrires arc ) se forment.- Ces bassins sont trs jeunes (

7.2. Les dorsales ocaniques et leur fonctionnement7.2.1 Rpartition Donnes sismiques et thermiques

Fig. 7.6 : Les dorsales ocaniques du globe terrestre - Web

Fig. 7.7 : Comparaison entre les donnes de flux thermique mondial sur les dorsales (A) et des donnes sismiques(anomalies des ondes S 100 km) (B)(Elments de Gologie, Renard et al., Ed. Dunod)

- Les dorsales ocaniques sont le sige dun flux de chaleur anormalement lev : remonte de matiremantellique chaude sous laxe de la dorsale

- La prsence de manteau chaud sous laxe des dorsales est galement mis en vidence par gravimtrie (vu aucours n4) et tomographie sismique (met en vidence des zones de vitesse sismique rduite)

- Au niveau du haut axial des dorsales (souvent les rapides), on distingue une zone faiblevitesse (LVZ : Low Velocity Zone) : zone dans la croute et qui sappuie sur le Moho, dont le sommet est 2-3 km sous laxe. Attention: diffrent de la LVZ qui est la zone de limite lithosphre/asthnosphre(cassant/ductile cours n5) !!

- La LVZ correspond une zone o les ondes sismiques sont ralenties, ce qui indique la prsencede phase liquide.

- La LVZ correspond en fait un rservoir magmatique qui contient entre 2 et 20% de liquide.

7.2.2 Le magmatisme des dorsales

Fig. 7.8 : Magma form par dcompression adiabatique laplomb des dorsales ocaniques.(Earths dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)

- Pourquoi la prsence de liquide ?> les roches du manteau fondent partiellement par dcompression adiabatique (chute de pression

rapide sans change de chaleur avec lenvironnement)

La ligne noire correspond au solidus (dbut de la fusion des pridotites).

La flche bleue montre le chemin temprature-pression suivi par le manteau qui arrive au niveau dune dorsale.

Quand ce chemin croise le solidus, un magma de composition basaltique se forme (entre 30 et 100 km de profondeur et peut atteindre le sommet de la ride par le mouvement ascendant assur par les cellules de convection du manteau).

Les magmas arrivant au niveau du sommet de la dorsale se solidifient au contact de leau de mer 4C pour donner des basaltes de type MORB (Mid-Ocan Ridge Basalt)

Structure typique de la lithosphre ocanique :- observation directe : dans les zones de fractures

Mais ces structures restent compliques mettre en vidence cause de la profondeur des fonds-marins (forages nautorisant au mieux que de sonder les premiers kilomtres en dessous des fonds-marins)

Fig. 7.9: Visualisation de la structure de la lithosphre ocanique au niveau de la faille transformante Vema situe au niveau de la dorsale mdio Atlantique. Web.

Fig. 7.10 : Les ophiolites dOman(Earths dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)

- observation indirecte :Des lambeaux de lithosphre ocanique peuvent se retrouver sur les continents, par le jeu de la fermeture des ocans par leprocessus dobduction : ce sont les ophiolites (affleurements permettant de reconstituer la structure des dorsalesocaniques)

Pillow Lavas (basalt)

Les dykes (complexes filoniens)

Les ophiolites du Chenaillet(Hautes Alpes) : tmoins delexistence dun ancien ocan Alpin(-160 -60 Ma)Web.

- observation indirecte :Des ophiolites en France : au niveau de massif du Chenaillet

Section simplifie de la structure de la lithosphre ocanique au niveau dune dorsale (A) Roches dune lithosphreocanique et vitesse des ondes sismiques de volume associe (B).(Earths dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)

- Structure gnrale de la lithosphre ocanique :les magmas : (i) scoulent en surface des fonds-marins sous forme de coules volcaniques pour former des

basaltes(ii) ou sont figs soit dans des filons (fractures de la lithosphre) (des complexes filoniens se forment) ou

dans des rservoirs magmatiques quelques kilomtres sous laxe (gabbros).

A B

7.2.3 Deux types de dorsales

Fig. 7.11 : Deux types de dorsale (A) rapide type Pacifique(sans rift et relief peu pentu) ; (B) lente type Atlantique-Nord(avec rift et relief pentu)(Earths dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)

A :>10 cm/an

B : 10 cm/an

Dorsale lente : - prsence dun rift central- relief plus marqu- zone faible production magmatique- Vitesse de formation de la croute ocanique : < 5 cm/an

Pourquoi deux types de dorsales ?

Fig. 7.12 : Comparaison entre les volumes de fusion possible du manteau sous les dorsales rapides (type Pacifique)et lentes (type Atlantique)(Elments de Gologie, Renard et al., Ed. Dunod)

La forte productivit magmatique desdorsales rapides est uniquement lie une fentre de fusion partielle possibleau sein du manteau plus vaste que dansle cas des dorsales lentes.

Lhydrothermalisme des dorsales

Fig. 7.13 : (A) photo dun fumeur noir proche dune dorsale ocanique ;(B) schma de principe de la formation de dpts mtallifres au niveaudune dorsale par circulation hydrothermale. Web.

> Laxe des dorsales est le site de colonies animales utilisant la base de leur cycle biologique une nergie chimiquesans recours la photosynthse. Ces colonies stablissent la sortie des fluides chauds (>450 C) : ce sont les fumeurs,riches en composs minraux.

> Au niveau de ces fumeurs, se forment beaucoup de composs mtalliques : oxydation des mtaux dissous au contactde leau de mer froide en prcipits contenant du Fe, Mn, Zn, Cu

A

B

7.3. Les rifts continentaux

Dfinition :

> Un rift continental se dveloppe quand deux marges divergent dans un continent.

> Un rift est caractris par un ensemble de failles normales, des sismes assez peu profonds et un magmatismebasaltique ou rhyolitique.

> Les marges continentales cres lissu du rifting sont en plus recouvert de fortes paisseurs de sdiment etconstitueront potentiellement les marges passives dun nouvel ocan si celui-ci se cre.

7.3.1 Trois stades de rifting continentaux

Fig. 7.14 : Exemple de stade initial de rifting : louest delAmrique du Nord. (Earths dynamic systems, Hamblin andChristiansen, Ed. Prentice Hall)

Flux thermique anormalement haut au niveaude la croute - Prsence de sources deauchaudes, geysers.

Zone de faible vitesse sismique sous la croute(manteau anormalement chaud prs de lasurface) - Croute continentale amincie(dpaisseur 25 km contre 50 km il y a 50 Ma).

Zones extensives : 1 5 cm/an (contre 2 20cm/an au niveau des dorsales ocaniques) Prsence de nombreux lacs.

De nombreuses valles, soumises lrosion :remplissage de dpts sdimentaires.

Stade initial :

7.3.1 Trois stades de rifting continentaux

Fig. 7.15 : Exemple de stade intermdiaire de rifting : lerift Est Africain. (Earths dynamic systems, Hamblin andChristiansen, Ed. Prentice Hall)

Le rift Est Africain stend de lEthiopie auMozambique sur une longueur denviron 3 000km.

Beaucoup de valles et de dpressionscombles notamment par de leau (lacs sals) -Formations dvaporites (dpts de sels).

Extension de 0,5 cm/an et croute trs amincie(jusqu 8 km par endroit, dans la rgion desAfar par exemple).

Volcanisme trs actif (ex: Kilimandjaro) de typebasaltique et rhyolitique.

Stade intermdiaire :

7.3.1 Trois stades de rifting continentaux

Fig. 7.16 : Exemple de stade avanc de rifting : la merRouge. (Earths dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed.Prentice Hall)

Bassin envahi par les eaux (embryon docan) entre lesplaques Africaine et Arabique.

La majorit de la croute des fonds marins de la mer rougeest de nature continentale. Elle de nature ocaniqueuniquement au milieu de la mer rouge, lendroit o lesdeux plaques divergent.

Nombreuses failles normales et volcanisme de typebasaltique.

Nombreux dpts de sels et remplissage sdimentaire lelong des marges du rift.

Cest le stade quatteindra dans plusieurs dizaines de Ma, priori, louest du continent Nord-Amricain et le Rift EstAfricain.

Beaucoup de valles et de dpressions comblesnotamment par de leau (lacs sals) - Formationsdvaporites (dpts de sels).

Stade avanc :

7.3.2 Evolution tectonique gnrale du globe depuis les derniers 200 Ma

Histoire du mouvement des plaques entre 200 Ma etaujourdhui. (Earths dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed.Prentice Hall)

Il y a 200 Ma environ : (i) La Pange, une trs grandemasse continentale proche de lquateur se fracture pourformer le continent Laurasia au Nord, le continent Gondwana au Sud et la Ththys (mer). (ii) Les plaquesIndiennes et Antarctique au Sud sont dj prsentes.

Entre 100 et 50 Ma, locan Atlantique Sud se forme par fracturation du Gondwana . Les marges passives desplaques Amrique du Sud et Afrique se distancient lesunes des autres.

Il y a environ 50 Ma, locan Atlantique Nord se forme etles plaques Amrique du Nord et Eurasie se sparent. Lesplaques Australie, Africaine et Indienne remontent vers leNord. Les plaques Amriques du sud et nord se joignent par listhme du Panama (zone de subduction).

CE QUIL FAUT RETENIR/SAVOIR : questions typiques :

- Connaitre le nom de techniques, directes ou non, utilises pour sonder le relief des fonds marins et la structure de la lithosphre ocanique.

- Savoir faire un schma simplifi dun fond marin typique, partant dune dorsale ocanique vers une marge continentale (passive ou active).

- Expliquer pourquoi on peut trouver des magmas quelques kilomtres de profondeur sous une dorsale ocanique.

- Expliquer ce quest un fumeur noir.

- Donner un exemple de dorsale rapide et de dorsale lente.

- Dcrire brivement la squence type dune lithosphre ocanique.

- Expliquer ce que sont des ophiolites.

- Connaitre des rgions du globe o le mcanisme de rifting continental opre.

PROCHAIN COURS:

Chapitre 8 : Tectonique des plaques 3 : la formation des chanes de montagnes