Thème 1 - B : La tectonique des plaques : l’histoire d’un modèle
Rappels de 4è : Les grandes lignes de la tectonique des plaques ont été présentées au collège.
"La partie externe de la Terre est formée de plaques lithosphériques rigides reposant sur l'asthénosphère qui l’est moins. La répartition des séismes et des manifestations volcaniques permet de délimiter une douzaine de plaques. Les plaques sont mobiles les unes par rapport aux autres et leurs mouvements transforment la surface du globe. À raison de quelques centimètres par an, les plaques s’écartent et se forment dans l'axe des dorsales. Elles rapprochent et s'enfouissent au niveau des fosses océaniques. La collision des continents engendre des déformations et aboutit à la formation de chaînes de montagnes."
Chapitre 1 : La naissance d’une première théorie : la dérive des continents
1/ La naissance d’une idée
A1 : Quels sont les arguments scientifiques de l’hypothèse de la « dérive des continents » d’ Alfred Wegener? Quels sont les contre-arguments à cette théorie?
a - Une nouvelle interprétation mobiliste des arguments fixistes
Au XIXè siècle, les explications les plus répandues pour expliquer les reliefs de la Terre (continents, océans et chaînes de montagnes) sont les théories de la rétraction terrestre (Eduard Suess, entre 1883 et 1909) et des « ponts continentaux » (Emile Haug, 1900), dites théories fixistes (sans mouvements horizontaux).
En 1912, Alfred Wegener reprend les arguments de continuités pétrologiques, structurales, paléontologiques et paléoclimatiques entre les continents, mais remarque aussi la similitude frappante mais inexpliquée du contour des continents, notamment Afrique et Amérique du sud.
De plus, Wegener utilise la distribution bimodale (+100m sur les continents et -4500m sous les océans) des altitudes moyennes terrestres comme un argument incompatible avec la théorie de la rétraction terrestre qui devrait montrer une distribution gaussienne des altitudes (plissement aléatoire de la croûte). De même, le principe d’isostasie semble aller contre la théorie des « ponts continentaux », c’est à dire contre l’effondrement de large partie continentale moins dense (le « SIAL » riche en silicium et aluminium) dans des matériaux plus dense (le « SIMA » riche en silicium et magnésium).
Au regard de ces nouvelles interprétations, Alfred Wegener propose une nouvelle théorie, dite mobiliste : la « dérive des continents ».
Les blocs continents d’aujourd’hui séparés par des océans, étaient regroupés en un seul super-continent, la Pangée, qui s’est fracturée. Les blocs de « SIAL », alors individualisés, ont progressivement dérivés sur le « SIMA » jusqu’à leur position actuelle.
b- Le problème du moteur de la dérive.
La théorie de la dérive des continents n’emporte pas l’adhésion de la communauté scientifique, et notamment des géophysiciens. En effet, si la théorie est séduisante, le problème du moteur de la dérive.
Wegener propose des forces, d’origine astronomique, susceptibles de jouer un rôle moteur : la rotation de la Terre et les marées pousseraient les continents vers l’ouest, alors que l’effet centrifuge (force d’Eötvos) tend à les pousser vers l’équateur.
En 1924, le géophysicien, Harold Jeffreys, réfute la possibilité que ces forces soient capable de mouvoir des continents du fait de leur faible valeur.
En 1928, Wegener trouve le soutien de Holmes avec l’hypothèse de forces d’origine interne. Après la découverte, au cours du XIXè siècle, de la radioactivité dans les roches riche en uranium, Holmes propose que la Terre interne surchauffée par la désintégration radioactive, serait théoriquement animée de mouvements de convection très lents. Ces mouvements entraineraient la croûte terrestre sus-jacente et expliqueraient les mouvements horizontaux mais aussi la formation de croûte basaltique sous les océans (SIAL). La Terre ne changeant pas de volume, il suppose aussi l’existence de zones de destruction de croûte.
Cette explication séduisante (et proche de la théorie actuelle) mais théorique n’importe pas de succès notamment auprès du grand détracteur de la théorie de Wegener, le géophysicien H. Jeffreys.
c- Les nouvelles données sismiques et l’abandon de la théorie de la dérive des continents
Rappel 4è :
« Les séismes correspondent à des vibrations brutales du sol qui se propagent. Ils résultent d'une rupture des roches en profondeur provoquent des déformations à la surface de la Terre.
Des contraintes s'exerçant en permanence sur les roches conduisent à une accumulation d’énergie qui finit par provoquer leur rupture. Le foyer du séisme est le lieu où se produit la rupture. A partir du foyer, la déformation se propage sous forme d'ondes sismiques. »
Parallèlement aux études théoriques de l’inaccessible intérieur de la Terre, se développe une nouvelle science : la sismologie. Le principe est d’étudier les caractéristiques (type d’onde, vitesse, heure d’arrivée,…) des ondes sismiques émises par les tremblements de terre et enregistrées par un réseau mondial de plus en plus dense de séismomètres. Les caractéristiques de ces ondes sont modifiées lors de leur parcours, elles enregistrent les variations des différents milieux qu’elles traversent. La sismologie permet « d’échographier» la Terre.
L’énergie libérée par un séisme se propage dans toutes les directions dans les roches sous forme de deux grands types d’ondes sismiques :
- les ondes de volume qui se propagent dans l’intérieur du globe. Les ondes P (premières) sont les plus rapides, de compression/dilatation de la matière, capable de se propager dans les milieux solides comme liquides. Les ondes S (secondes) sont des ondes transversales de cisaillement, uniquement présent dans les solides.
- les ondes de surface sont moins rapides mais de grandes amplitudes. Elles se propagent en surface et sont dévastatrices.
En 1906, le sismologue anglais Oldham montre que les ondes P traversent le globe et accélèrent avec la profondeur jusqu’à une certaine distance où elles sont réfractées et brutalement ralenties, traduisant un changement de nature en profondeur.
En 1912, le sismologue allemand Gutenberg positionne ce phénomène vers 2900km de profondeur grâce à la mise en évidence d’une « zone d’ombre », sans ondes P enregistrées, située à une distance angulaire entre 105° et 143° de l’épicentre. En 1923, il interprète cette discontinuité sismique, nommé discontinuité de Gutenberg, comme la transition entre un manteau profond solide et un noyau liquide. Les ondes S ne franchissent pas cette discontinuité.
En 1936, Le sismologue danois Lehmann, découvre que la « zone d’ombre » n’est pas entièrement « muette » : des ondes P tardives réfléchies par une nouvelle discontinuité sont enregistrées. Cette discontinuité de Lehmann, située à 5100km de profondeur, représente la limite entre le noyau liquide et sa graine centrale solide.
L’ensemble de ces données confirme que la Terre est solide sur 2900km d’épaisseur. Ces résultats sont repris par Jeffreys contre la théorie de dérive des continents : la « Terre est beaucoup trop résistante pour être déformée » par les forces invoquées par Wegener et Holmes.
Bilan : L’idée d’une mobilité horizontale est donc globalement rejetée par la communauté scientifique à fin des années 20 et durant près de 30 ans.
2 / L’interprétation actuelle des différences d’altitudes moyennes entre les continents et les océans
A2 : Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs d’expérimentation assistée par ordinateur de propagation d’ondes à travers des matériaux de nature pétrographique différente.
Observer à différentes échelles, de l’échantillon macroscopique à la lame mince, les roches des croûtes océanique et continentale et du manteau.
En 1909, le sismologue Mohorovicic observe sur un sismogramme le dédoublement des ondes P et S. Il met alors en évidence une discontinuité sismique peu profonde de réflexion des ces ondes : la discontinuité de Mohorovocic, dite le « Moho » situé à quelques dizaines de kilomètre sous la surface. Cette discontinuité traduit la limite entre deux types de matériaux rocheux : la croûte et le manteau.
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| Structure interne de la Terre (état actuel des connaissances vues en classe) |
Les études sismiques (vitesses de propagation des ondes sismiques P et S) et pétrographiques (composition minéralogique et chimique des roches) permettent de caractériser et de limiter deux grands types de croûtes terrestres : la croûte océanique et la croûte continentale.
- La croûte océanique montre une vitesse maximale des ondes P vers 6,5 à 7 km/s sur une épaisseur de 10 à 15 km. Elle est essentiellement formée de basalte de densité 2,9 (r. microlithique volcanique) vers la surface et de gabbro de densité 3 (r. grenue plutonique riche en Feldspaths plagioclases et pyroxènes) en profondeur. Cette croûte a une composition relativement pauvre en Silicium (Si : 20-25%) et Potassium (K), mais assez riche en Fer (Fe), Magnésium (Mg), Aluminium (Al) et Calcium (Ca).
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| La croûte océanique |
- La croûte continentale a une vitesse des ondes P plus faible autour de 6 km/s mais sur une plus grande profondeur, 35 km en moyenne. Elle est constituée de roches variées moins denses dont le granite de densité 2,7 (r. grenue plutonique (Quartz, Feldspaths plagioclases et orthose, Micas noirs (biotite)), des gneiss (r. métamorphiques) et des roches sédimentaires. La composition de la croûte continentale est plus riche en Silicium (Si : 30-35%), Aluminium, Calcium et Potassium mais plus pauvre en Fer et Magnésium que la croûte océanique.
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| La croûte continentale |
Rq : La croûte océanique et le manteau supérieur correspondent au SIMA. La croûte continentale correspond au SIAL. Les termes SIAL et SIMA ne sont plus du tout utilisés aujourd’hui.
Les deux croûtes reposent sur la roche constituant le manteau supérieur : la péridotite (densité : 3,2). Assez rare à observer à la surface, elle montre des vitesses d’ondes P caractéristiques autour de 8 km/s. Elle est constituée d’un minéral vert dominant : l’olivine, et aussi de pyroxènes. Sa composition est relativement pauvre en Si (20%) mais riche en Fe et Mg.
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| Critères d'identifications des 4 roches terrestres les plus abondantes. |
La différence d’altitude observée entre continents (+100m) et océans (-4500m) reflète le contraste géologique entre les deux croûtes de composition et donc de densité différente qui "flottent" sur un manteau encore plus dense et à l'état solide, selon le principe d'isostasie.
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| L'équilibre isostasique des deux types de croûte sur le manteau explique la répartition bimodale des reliefs terrestres. |
