COMPRENDRE LEVOLUTION DU MODELE DE LA TECTONIQUE DES PLAQUES A LAIDE DE MODELISATIONS NUMERIQUES (LOGICIEL MAGMA) 1ere S Eric LECOIX, Lyc JH Fabre, Carpentras

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    03-Apr-2015

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<ul><li> Page 1 </li> <li> COMPRENDRE LEVOLUTION DU MODELE DE LA TECTONIQUE DES PLAQUES A LAIDE DE MODELISATIONS NUMERIQUES (LOGICIEL MAGMA) 1ere S Eric LECOIX, Lyc JH Fabre, Carpentras </li> <li> Page 2 </li> <li> Le Programme </li> <li> Page 3 </li> <li> Arthur Holmes, 1945 3 Ceci est le schma original de Holmes. (A) Holmes propose que l'existence de courants de convection dans le manteau, sous un grand bloc continental (comme la Pange, par exemple), cre dans la crote continentale des forces de tension. Ces forces de tension vont contribuer fracturer la crote continentale, avec, dans les fractures ouvertes, des venues de magma provenant du manteau. (B) La cristallisation de ce magma va crer de la crote ocanique compose de basalte. Toujours sous l'influence de la convection, la nouvelle crote ocanique va elle aussi se fracturer et tre infiltre par le magma. </li> <li> Page 4 </li> <li> Milieu convectif lintrieur de la Terre, Arthur HOLMES,1945 Anomalies dans les valeurs du flux ocanique thermique un niveau des dorsales (appareil invent par Edward BULLARD, 1954) Topographie des fonds ocaniques par chosondage dorsales et fosses (Marie THARP, Bruce HEEZEN, Maurice Ewing, 1956) H.H. HESS, 1960 Relation explicative entre relief au niveau des dorsales et anomalie thermique </li> <li> Page 5 </li> <li> Temperature lower, fractures healed, velocity normal Seismic velocity decreased by higher temperature and fracturing, brecciation, dilatation 1 2 3 4 km/sec 5 km/sec 7,4 km/sec 8,1 km/sec 6,7 km/sec Serpentinized Diagram to represent (1) apparent progressive overlap of ocean sediments on a mid-ocean ridge which would actually be the effect of the mantle moving laterally away from ridge crest, and (2) the postulated fracturing where convective flow changes direction from vertical to horizontal. Fracturing and higher temperature could account for the lower seismic velocities on ridge crests, and cooling and healing of the fractures with times, the return to normal velocities on the flanks Expansion ocanique: hypothse de Hess Daprs History of Ocean Basins, H. H. HESS, Princeton University, Princeton, N. J. http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/sommaire.php3 </li> <li> Page 6 </li> <li> Le modle actuel Moho Pridotites appauvries Gabbros lits Gabbros massifs Basaltes en filons basaltes sdiments Remonte du manteau O PyPy Pl Magma peu volu Fusion partielle bouillie Brassage / convection Magma diffrenci 8-10 5 2 0 Km PRESSION TempratureTemprature isotherme fusion de 6 % fusion de 15 % fusion de 3 % gouttes de liquide magmatique http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/sommaire.php3 </li> <li> Page 7 </li> <li> Comment le modle a pu tre ainsi enrichi ? Par des modlisations analogiques et numriques qui ont permis de prciser les conditions de fusion partielle de la pridotite mantellique Par des observations (exemple: exploration faille transformante Vema, IFREMER) Entre autre </li> <li> Page 8 </li> <li> Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER) Thse: Les zones de fracture ocanique: Lexemple des ZF Vema et Romanche (Ocan Atlantique), IFREMER - Brest 1992 </li> <li> Page 9 </li> <li> Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER) Basaltes en coussins </li> <li> Page 10 </li> <li> Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER) Basaltes en filons </li> <li> Page 11 </li> <li> Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER) Gabbros </li> <li> Page 12 </li> <li> Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER) Pridotite </li> <li> Page 13 </li> <li> Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER) Thse: Les zones de fracture ocanique: Lexemple des ZF Vema et Romanche (Ocan Atlantique), IFREMER - Brest 1992 </li> <li> Page 14 </li> <li> Observations au niveau de la faille Vema (IFREMER) Synthse Daprs 1eS, Hachette et Lobservation des ophiolites montre la mme succession de roches ! </li> <li> Page 15 </li> <li> Ophiolite du Chenaillet, Montgenvre Pridotite serpentinise Basaltes en coussins Gabbros </li> <li> Page 16 </li> <li> chantillons LPA Daprs W M White 'Geochemistry' Sdiments Basaltes en coussins Dykes : complexe filonien Gabbros isotropes Gabbros lits Pridotite olivine, spinelle et pyroxne 7 km Manteau suprieur Modle ophiolitique de crote ocanique </li> <li> Page 17 </li> <li> La disposition des roches suggrent quelles ont la mme origine Pour le vrifier (et valider le modle actuel), il faut en faire une analyse chimique logiciel Magma (CNDP, 89 Euros version tablissement) </li> <li> Page 18 </li> <li> Activit 1 : Comparer la composition chimique des roches de la crote ocanique -Aller dans le menu fichier puis entrer de nouvelles donnes pour afficher le schma - Choisir sur le schma basalte tholitique et gabbro . Relevez les compositions et comparez. Compositions identiques </li> <li> Page 19 </li> <li> Activit 1 : Comparer la composition chimique des roches de la crote ocanique -On peut utiliser aussi le menu droulant droite prslection pour avoir accs dautres chantillons. Basalte et gabbro, bien que diffrents sur la plan minralogique (voir observations microscopiques) ont des compositions chimiques identiques, ce qui souligne leur origine commune. Exemple: Il faut prsent comparer leur composition avec celle de la pridotite </li> <li> Page 20 </li> <li> Activit 1 : Comparer la composition chimique des roches de la crote ocanique -La composition de la pridotite ne figure pas dans les menus droulants. Il faut la relever dans la notice du logiciel. Les donnes proviennent des travaux de Kushiro, 1996 (voir notice pour plus de dtails) Synthse des rsultats: Basalte Ocan IndienGabbro Ocan IndienPridotite initiale SiO2 51,450,743,7 Al2O3 17,216,12,7 (Fe,Mg)O 16,217,646,0 CaO 12,611,13,0 Na2O 2,53,20,3 K2O 0,1 H2O 0,0 Problme soulev: La composition de la pridotite est trs diffrente de celle des basaltes et gabbros ocaniques. Cela semble en contradiction avec le modle de formation des roches ocaniques par fusion de la pridotite mantellique. On comprend alors la ncessit de raliser en laboratoire des expriences de fusion partielle de la pridotite afin de mettre lpreuve le modle. </li> <li> Page 21 </li> <li> Activit 2 : Modliser des expriences de fusion partielle de la pridotite Quelques informations prliminaires !!! 1- Cristallisation / fusion partielle 2- Modlisations analogiques de fusion partielle </li> <li> Page 22 </li> <li> Activit 2 : Modliser des expriences de fusion partielle de la pridotite 1- Cristallisation / fusion partielle Le logiciel magma ne permet de simuler que des phnomnes de cristallisation magmatique (et non de fusion). Ne pas oublier de prciser aux lves que lon admet que la fusion est le processus inverse de la solidification !!! Solidification Fusion 100% liquide 100% solide </li> <li> Page 23 </li> <li> Activit 2 : Modliser des expriences de fusion partielle de la pridotite 2- Modlisations analogiques de fusion partielle Dans le menu exprimentation , en choisissant sinformer sur la fusion partielle , on explique de faon simplifie le principe des exprimentations qui ont t ralises (utilisation des cellules enclume de diamant). Important pour ne pas tre dconnect du rel !!! On fait fondre des fractions infimes des chantillons en les chauffant (faisceau lazer) et en les comprimant dans une chambre forme par deux diamants taills. Les diamants rsistent la pression et la chaleur ; leur transparence permet de recueillir des informations et dobserver ltat de lchantillon. </li> <li> Page 24 </li> <li> Activit 2 : Modliser des expriences de fusion partielle de la pridotite Etape 1 : Crer un fichier pridotite -Aller dans le menu fichier puis crer de nouvelles donne -Dans le champ votre slection , crire pridotite -Aller ensuite dans les champs % Oxydes et entrer les valeurs correspondant la composition de la pridotite. -Valider les saisies. -Dans le champ temprature , entrer 1500, temprature laquelle la pridotite fond totalement. -Aller dans fichier , enregistrer sous et enregistrer le fichier. Remarque: Pour retrouver le fichier sauvegard, il faut aller dans fichier et ouvrir un fichier de donnes </li> <li> Page 25 </li> <li> Activit 2 : Modliser des expriences de fusion partielle de la pridotite Etape 2 : Dterminer la temprature laquelle la pridotite commence fondre -Ouvrir le fichier pridotite sauvegard prcdemment ( fichier et ouvrir un fichier de donnes ). Choisir refroidissement lent et temprature initiale de 1500 -Faire OK. La simulation de cristallisation commence. On peut faire varier la vitesse de cette simulation en dplaant le curseur. Elle sarrte quand tout cristallis. -Relever la temprature (=1326). Si la cristallisation totale se fait cette temprature, on peut donc supposer que la fusion partielle dbute 1326 </li> <li> Page 26 </li> <li> Activit 2 : Modliser des expriences de fusion partielle de la pridotite Etape 3 : Simuler une fusion partielle et suivre la composition du magma et de la pridotite rsiduelle Le modle prvoit une fusion partielle de la pridotite. On va donc refaire la simulation en marquant des pauses pour relever les pourcentages de fusion partielle et les compositions en oxydes des magmas Cumulat = fraction solide Magma = fraction fondue Pause ici Dans cet exemple, la temprature de 1457, la pridotite a subit une fusion partielle de 10% </li> <li> Page 27 </li> <li> Activit 2 : Modliser des expriences de fusion partielle de la pridotite Etape 3 : Simuler une fusion partielle et suivre la composition du magma et de la pridotite rsiduelle A t=1466 A t=1464 A t=1462 A t=1460 Fusion partielle Rappel: Composition du gabbro et basalte </li> <li> Page 28 </li> <li> Activit 2 : Modliser des expriences de fusion partielle de la pridotite Etape 3 : Simuler une fusion partielle et suivre la composition du magma et de la pridotite rsiduelle Composition du gabbro et basalte La composition chimique dun magma obtenu par fusion partielle de la pridotite (1464, 23%) est proche de celle des roches de la crote ocanique: Le modle est ainsi valid, on peut bien obtenir des basaltes et gabbros partir dune fusion partielle de pridotite. A t=1464 Fusion pridotite </li> <li> Page 29 </li> <li> Activit 3 : Devenir des magmas issus de la fusion partielle Reste un problme en suspens!!! Comment un mme magma de composition chimique connue peut il donner des roches diffrentes ??? ? A t=1464 Fusion pridotite </li> <li> Page 30 </li> <li> Activit 3 : Devenir des magmas issus de la fusion partielle On peut simuler alors des cristallisations du magma pralablement form en faisant varier dautres paramtres (vitesse de refroidissement par exemple) Remarque: Complmentarit avec observations et modlisations analogiques (vaniline vu au collge) Exprience de cristallisation avec le logiciel Magma -Crer une nouvelle simulation -Entrer la composition chimique du magma (obtenue prcdemment avec 23% de fusion), ainsi que la temprature (t=1464) -Faire subir un refroidissment lent (=2). Noter les rsultats. -Refaire la simulation avec un refroidissement rapide(=9). Comparer avec les rsultats prcdents A t=1464 Fusion pridotite </li> <li> Page 31 </li> <li> Activit 3 : Devenir des magmas issus de la fusion partielle Exprience de cristallisation avec le logiciel Magma Rsultats Refroidissement lent (= 2) Refroidissement rapide (= 9) Gabbro (grenu) Basalte (microlithique) </li> <li> Page 32 </li> <li> Activit 4 : Confrontation avec dautres donnes - synthse Aprs ces simulations, il est facile de comprendre quen laboratoire, on peut dterminer les conditions (temprature, pression) pour lesquelles la pridotite commence fondre et de confronter ces rsultats avec dautres donnes: (propagation des ondes, tomographie sismiqueetc) Cest par cette confrontation de donnes exprimentales et de mesures + observations in situ qua pu slaborer le modle actuel de fonctionnement des dorsales </li> <li> Page 33 </li> <li> Activit 4 : Confrontation avec dautres donnes - synthse Ressources complmentaires proposes par le logiciel Magma Dans le menu exprimentation, on a accs des donnes complmentaires: -Diagramme de fusion des pridotites -Dautres possibilits dexprimentations en tenant compte du diagramme P,T -Gothermes de la lithosphre ocanique Ces donnes, par confrontation avec les simulations prcdentes, permettront de localiser la fusion partielle de la pridotite. </li> <li> Page 34 </li> <li> Activit 4 : Confrontation avec dautres donnes - synthse Utilisation possible dun tableur (B2i) </li> <li> Page 35 </li> <li> Activit 4 : Confrontation avec dautres donnes - synthse Mise en relation explicative avec des documents 200 km 1600 600 1000 1400 600 1000 1400 600 convection dorsale subduction isothermes et dplacement de la matire dans le manteau suprieur modifi daprs J. Kornprobst bulletin APBG n2bis 1989 </li> <li> Page 36 </li> <li> Activit 4 : Confrontation avec dautres donnes - synthse Mise en relation explicative avec des documents LVZ 10 8 6 4 2 0 -2 10 8 6 4 3 Gabbros massifs Gabbros lits et cumulats Dykes basaltiques Laves basaltiques pridotites EW Distance (km / axe dorsale) Prof ond eur (km ) 6.0 6.5 7.0 5.5 5.0 4.0 3.0 5.5 6.0 5.0 7.5 8.0 2.2 J.P. Morgan and Y.J. Chen (1993) Image sismique de la dorsale Est-Pacifique J.P. Morgan and Y.J. Chen (1993) </li> <li> Page 37 </li> <li> Activit 4 : Confrontation avec dautres donnes - synthse Mise en relation explicative avec des documents sect. 1 sect. 2 foyersisme vitesse normale vitesse augmente vitesse normale vitesse diminue Manteau coupe sismo-thermique dduite de du traitement informatique des vitesses des ondes + froid + chaud Si une onde sismique traverse un milieu dont les proprits physiques (densit, modules lastiques) diffrent de celles du modle moyen (par exemple PREM), elle arrivera en retard ou en avance par rapport aux prdictions de ce modle. On en dduit alors des cartes de variations de V P et V S par rapport au modle (notons que l'tablissement de ces cartes ncessite la donne d'un grand nombre de temps de parcours). sect.1 : secteur o les ondes sont acclres ; sect.2 : secteur ou les ondes sont ralenties Principe de la tomographie sismique, modifi (schma) et inspir de http://nte-serveur.univ- lyon1.fr/geosciences/geodyn_int/tectonique2/tomo/tomo.htmlhttp://nte-serveur.univ- lyon1.fr/geosciences/geodyn_int/tectonique2/tomo/tomo.html </li> <li> Page 38 </li> <li> Activit 4 : Confrontation avec dautres donnes - synthse Mise en relation explicative avec des documents Le code de couleur reprsente les anomalies de vitesse des ondes sismiques par rapport la vitesse moyenne la mme profondeur. Ces anomalies de vitesses peuvent s'interprter en terme d'anomalies de temprature (par rapport la temprature moyenne cette profondeur). On voit que la subduction andine (flche bleue) est visible quasiment jusqu' l'interface noyau-manteau. La lithosphre froide descend jusqu' la limite manteau/noyau. Par contre, on ne voit aucune anomalie chaude profonde sous la dorsale pacifique (flche rouge), preuve qu'une dorsale ne correspond pas une remonte de matriel chaud venu des profondeurs. D'aprs : Steve Grand,...</li></ul>

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