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1 Géodynamique UE obligatoire 40 h, 4 ECTS 21H CM 17H TD 2H TP ENSEIGNANTS: Pétro-Géochimie: René MAURY Géophysique: Cinématique finie, convection : Cécile GRIGNE Cinématique instantanée: Jacques DEVERCHERE Master 1 GB - 2015 Géodynamique Pré-requis: Bases en cinématique des plaques, géophysique, géologie sédimentaire, structure du globe, géochimie OBJECTIFS: Maîtrise et connaissance quantitative et interdisciplinaire des différentes approches des Sciences de la Terre (par la géophysique, la pétrologie-géochimie, et les paléo-environnements) qui éclairent les mécanismes et les modalités des mouvements de la lithosphère (origine des forces, transmission de celles-ci au sein de la lithosphère et de l'asthénosphère) Unité d’introduction et de socle commun aux 5 UE optionnelles choisies au second semestre de l'année de Master 1

Géodynamique 15 [Mode de compatibilité]jacdev/ens/geodyn1_15.pdf · -> la présence de la croûte permet à la lithosphère de se maintenir au dessus de l ... 6-Concept de tectonique

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GéodynamiqueUE obligatoire40 h, 4 ECTS

21H CM17H TD2H TP

ENSEIGNANTS:Pétro-Géochimie: René MAURY

Géophysique: Cinématique finie, convection : Cécile GRIGNECinématique instantanée: Jacques DEVERCHERE

Master 1 GB - 2015

Géodynamique

Pré-requis: Bases en cinématique des plaques, géophysique, géologie sédimentaire, structure du globe, géochimie

OBJECTIFS: Maîtrise et connaissance quantitative et interdisciplinaire des différentes approches des Sciences de la Terre (par la géophysique, la

pétrologie-géochimie, et les paléo-environnements) qui éclairent les mécanismes et les modalités des mouvements de la lithosphère (origine des

forces, transmission de celles-ci au sein de la lithosphère et de l'asthénosphère)

Unité d’introduction et de socle commun aux 5 UE optionnelles choisies au second semestre de l'année de Master 1

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Séisme Chili 16/09/152010

Géodynamique

Compétences à acquérir : - Connaissance des observables nécessaires pour apprécier

l'évolution dynamique du globe - Aptitude à reconstituer l’évolution géodynamique d’une région en

faisant la synthèse des données issues d’articles spécialisés- Développement d’une réflexion sur les domaines de validité des diverses approches et les limites des modèles qui en sont issus

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GéodynamiqueCONTENU:

THEME 1 : Quantification des mouvements lithosphériques : méthodes d’étude (paléomagnétisme, géodésie, sismologie, paléo-environnements) et modèles cinématiques globaux et régionaux - Frontières de plaques et leur

évolutionTHEME 2: Arguments pétrologiques, géophysiques et géochimiques en faveur

du recyclage de la lithosphère et de la convection mantellique globale; modèles de convection mantellique et de couplages et interactions entre

subductions, points chauds, rifts continentaux et océaniquesTHEME 3: Exemples régionaux d’évolution géodynamique (couples accrétion-

subduction, grands décrochements, convection à différentes échelles): observations géologiques et géophysiques, modélisation des processus

physiques

Quantification des mouvements lithosphériques

Méthodes d’étude (paléomagnétisme, géodésie, sismologie, paléo-environnements) et modèles

cinématiques globaux (géologiques et actuels) et régionaux

J. Deverchère, 4 h CM, 4h TD, 1h TP ; C. Grigné, 5 h CM, 4h TD

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Consulter le PDFde Marc FOURNIER (UPMC)

PLAN• 1. Rappels de notions de base (lithosphère; hypothèse des plaques rigides; types de

limites; échelles de temps et d’espace…)• 2. Distribution de la déformation aux limites de plaques• 3. Mesures géologiques des mouvements de plaques actuels (rappels)• 4. Mouvements de plaques relatifs et absolus• 5. Mesures géodésiques spatiales: GPS, SLR, VLBI - Applications• 6. Comparaison Géodésie / Nuvel 1A: implications – degré de rigidité• 7. Comparaison à d’autres indicateurs:

– Mesures de contraintes: WSM– Tenseurs de moment sismique– Glissement sur failles

• 8. Contextes géodynamiques particuliers– Le cas du partage de déformation près des zones de subduction– Le cas des épaississements lithosphériques: conséquences– Le cas du roll-back (bassins marginaux) (TD)

• 9. Perturbations de vitesse et de contraintes: divers effets transitoires

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A. Notion de LITHOSPHERE MECANIQUE et THERMIQUELimite lithosphère – asthénosphère, c’est quoi?- Lithosphère : partie supérieure crustale (~30-45 km), de composition granitique et de faible densité (environ 2800 kg/m3) - partie inférieure mantellique (80-100 km), de forte densité (3300 kg/m3) et de composition péridotitique.- Limite avec l’asthénosphère sous-jacente : diffuse, ne correspond à aucune différence chimique; différence réside dans un changement de comportement mécanique lié à l’augmentation de température en profondeur. -> Passage lithosphère -asthénosphère : essentiellement thermique , correspond à une température limite, généralement assimilée à l’isotherme 1350°C- LITH ~solide élastique, ASTH ~solide déformable à fluage lent- REMARQUE: COMPARER densité de la lithosphère mantellique (3300 kg/m3) et de l’asthénosphère (3250 kg/m3): différence infime, cependant suffisante pour faire couler la lithosphère mantellique dans l’asthénosphère (corps visqueux) si la croûte de faible densité est absente-> la présence de la croûte permet à la lithosphère de se maintenir au dessus de l’asthénosphère. -> Importance du degré de couplage crustal!!!!

1. Introduction: rappels de notions de base (lithosphère mécanique-thermique, hypothèse des plaques rigides, types de limites, échelles de temps et d’espace)

O. Merle, 2001, http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-erosion-thermique.xml

Limite thermique variable en profondeur: mécanismes, conséquences- Erosion thermique (A): point chaud ou remontée de matériel profond à la base de la lithosphère -> manteau à T° élevé (+ 100 - 200°C) -> isotherme à 1350°C remonte vers la surface -> partie profonde de lithosphère lentement transformée en asthénosphère (diffère de l’extension lithosphérique !!!)

1. Introduction: rappels de notions de base (lithosphère mécanique-thermique, hypothèse des plaques rigides, types de limites, échelles de temps et d’espace)

O. Merle, 2001, http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-erosion-thermique.xml

- Conséquences: (1) Transformation du manteau lithosphérique en asthénosphère de moindre densité : engendre un déséquilibre isostatique, à l’origine d’un soulèvement de la région affectée par cette érosion thermique –phénomène réversible (ordres de grandeurs de temps: plusieurs millions d’années); (2) changement de résistance mécanique (Te baisse) - Autres sources possible de remontées asthénosphériques (A) (A)

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- Concept de tectonique des plaques: ACCRETION – PLAQUES COMPOSITES, RIGIDES au premier ordre Implications:Equilibre entre création-destruction - Les plaques transmettent les contraintes sur de grandes distances sans se déformer -> leurs mouvements relatifs sont pris en compte à leurs limites

- Trois types de limites (constructives, destructives, conservatives) –Failles transformantes (6 classes)- Notion de vitesses relatives entre plusieurs plaques – Triangle des vitesses- Sur la sphère: notion de pôles et de vecteurs de rotation -> mouvement relatif entre 2 plaques adjacentes évolue le long de la limite de plaques

1. Introduction: rappels de notions de base (lithosphère mécanique, hypothèse des plaques rigides, types de limites, échelles de temps et d’espace)

Mouvements de plaques à la surface de la Terre:

(a) Lignes de latitude et de longitude de rotation (petits et grands cercles)

(b) Type de limites entre deux plaques (B fixe)

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Principales plaques

2 postulats: Plaques rigides – Frontières étroites

1 PACIFIQUE 2 EURASIE 3 AFRIQUE 4 ANTARCTIQUE5 INDE-AUSTRALIE6 AMERIQUE DU NORD 7 AMERIQUE DU SUD8 NAZCA9 PHILIPPINE

10 ARABIE11 COCO12 CARAIBE

Déformation: échelles de temps et d’espace des phénomènes

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Activité sismique2. Distribution de la déformation aux limites de plaques

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Dimension des limites de plaques diffuses

[Gordon and Stein, 1992]

Aperçu historique• Les modèles cinématiques sont apparus juste après le concept de tectonique des

plaques pour décrire leurs mouvements relatifs.Le Pichon [1968]; Chase [1972; 1978]; Minster & Jordan [1978];DeMets et al. [1990; 1994]

• Modèles “géologiques”: Tous ces modèles utilisent: 1. Age et position des anomalies magnétiques des océans; 2. Direction des failles transformantes; 3. Vecteurs glissement des séismes

• Modèles géodésiques: depuis le milieu des années 90, des vitesses angulaires relatives entre plaques ont pu être mesurées par des techniques géodésiques

Smith et al. [1994]; Larson et al. [1997]; Crétaux et al. [1998]• La plupart des modèles cinématiques globaux font deux hypothèses de base:

• Plaques rigides• Limites de plaques étroites

• Modèles cinématiques récents: Kreemer et Holt [2001]: prise en compte de 3000 vecteurs vitesse dans les zones de déformation et des vitesses angulaires entre 25 plaques rigides

3. Mesures géologiques des mouvements de plaques actuels: rappel

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MESURE GEOLOGIQUE des mouvements de plaques actuels

Principes: QUE MESURER?

- Failles transformantes: (1) sur petits cercles –> utiles pour trouver le pôle entre 2 plaques adjacentes (2) Vitesses constantes le long de cette frontière

- Dorsales: (1) Pas nécessairement perpendiculaires à la direction d’extension… (2) Taux d’accrétion: change en fonction du sinus de la distance angulaire au pôle -> pôle de rotation et vitesse angulaire peuvent être déterminés

MESURE GEOLOGIQUE des mouvements de plaques actuels

Principes: QUE MESURER (suite)?

- Mécanismes au foyer: Direction et sens de mouvement relatif -> Localisation du pôle, direction du mouvement

- Mouvements « à terre » sur limites de plaques: Décalages de marqueurs -> Mouvement relatif local

- Mouvements de plaques « instantanés » à l’échelle de quelques années:- VLBI- GPS- SLR (dont Doris)- Géodésie terrestre

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Estimation du mouvement actuel des plaques: NUVEL-1- ~300 taux d’accrétion + 120 directions de transformantes océaniques + 800 vecteurs glissement de séismes

Figure: Vecteurs de rotation pour le mouvement relatif instantané actuel de paires de plaques

V = ω x R

-> Modèle géologique « instantané » (moyenne sur 2-3 Ma)

V vitesse linéaireω = Vitesse de rotationR = distance à l’axe eulérien

V = ω x r sinθr = rayon de la Terreθ = distance angulaire pôle-point

NUVEL1A (De Mets et al., 1990, 1994)

• Modèles relatifs de mouvements entre plaques basés sur des données géologiques et moyennés sur qq millions d’années

– RM2 (Minster & Jordan, 1978)– NUVEL-1, NUVEL-1A (DeMets et al., 1990, 1994)

• Modèles absolus basés sur les données des modèles relatifs - Deux hypothèses:

1. les plaques (lithosphère) ayant un mouvement d’ensemble négligeable sur le manteau (condition de non-rotation: NNR)

2. des points chauds ayant des mouvements négligeables par rapport au manteau

Dans les deux hypothèses: UN pôle de rotation d’une seule plaque est estimé, les autres pôles sont déduits par addition de vecteursAltamimi ECOLE D’ÉTÉ, FORCALQUIER, 28 AOÛT 2003

4. Mouvements de plaques relatifs et absolus

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Calcul du mouvement relatif à une limite de plaquePôle de rotation, vitesse angulaire connus pour plaques adjacentes: Direction et magnitude de mouvement relatif déduit en tout pointPassage à 3 plaques - Evolution des points triples - Etc…(cf cours C. Grigné)

Calcul de mouvement absolu: Vitesses souvent exprimées dans un cadre NNR = “no-net-rotation” = façon arbitraire de représenter les vitesses sans référence à une plaque particulière (lithosphère “moyenne”):

Définition de “NNR” par Holt et al., 2004 :“kinematically defined reference frame in which the global integral of the cross product of the velocity with the radial vector is zero”

-> NNR-NUVEL1A

Mouvements de plaque absolus (suite)

- Plaques -> pas de points fixes à la surface du globe…- Points chauds -> alignement d’îles océaniques volcaniques intraplaque- Hypothèse: le manteau bouge beaucoup plus lentement que les plaques -> manteau supposé fixe

- Ex: Hawaï -> Mouvement absolu du Pacifique -> Mouvement absolu de toutes les autres plaques déduit

- Idem pour autres points chauds -> Test de la validité de l’hypothèse (points chauds fixes)

(cf. cours G. Chazot)

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Mouvements absolus de plaques déduits des points chauds (3 derniers millions d’années: modèle « Hot Spot ») ou du modèle

« NNR »: différences jusqu’à 3 cm/an

? : Quelles sont les plaques « rapides »? Quel est leur point commun?

8 cm/an

DERIVE GLOBALE VERS L’OUEST

Si on retranche la cinématique relative de la cinématique globale: Même rotation nette de toutes les plaques autour d’un pôle à haute latitude (max. 2 cm/an à 90° du pôle)

1 PACIFIQUE 10 cm/an vers le Nord-Ouest2 EURASIE 1 cm/an vers l'Est3 AFRIQUE 2 cm/an vers le Nord4 ANTARCTIQUE Tourne sur elle-même5 INDE-AUSTRALIE 7 cm/an vers le Nord6 AMERIQUE DU NORD 1 cm/an vers l'Ouest7 AMERIQUE DU SUD 1 cm/an vers le Nord8 NAZCA 7 cm/an vers l'Est9 PHILIPPINE 8 cm/an vers l'Ouest

10 ARABIE 3 cm/an vers le Nord-Est11 COCO 5 cm/an vers le Nord-Est12 CARAIBE 1 cm/an vers le Nord-Est

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LECTURES D’ARTICLES POUR le 19 octobreThème: rôle des slabs dans la transmission des

forces aux limites de plaques

Principe:1. TOUT LE MONDE LIT DANS LES 5 ARTICLES:

1. LE RESUME2. LA CONCLUSION3. LES FIGURES ET LEGENDES

2. CHAQUE GROUPE DE 3 ETUDIANTS LIT L’ARTICLE EN PRENANT DES NOTES

3. CHAQUE GROUPE PRESENTE ORALEMENT, EN 10 MN, LES PRINCIPAUX RESULTATS AUX AUTRES (temps de parole équivalents) et CRITIQUE LES CONCLUSIONS DES AUTEURS (qu’est-ce qui est convaincant et clairement établi, qu’est-ce qui paraît plus douteux)

4. S’EN SUIT UNE DISCUSSION ET ECHANGES D’AVIS EN 5 MN