Chapitre 2 : La théorie de la tectonique des plaques
1/ L’hypothèse d’une expansion océanique et sa confrontation à des constats nouveaux
Comprendre comment la convergence des observations océanographiques avec les mesures de flux thermique a permis d’avancer l’hypothèse d’une expansion océanique réactualisant l’idée d’une dérive des continents.
a- De nouveaux arguments mobilistes : reliefs sous-marins et flux géothermique
Dans les années 50, les nouvelles techniques développées pendant la Seconde Guerre Mondiale (navires et sous-marins équipés d’échosondeurs) permettent de cartographier la topographie des fonds marins jusque là très mal connue.
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| Reliefs des fonds marins océaniques |
Video sur les méthodes actuelles de cartographie des reliefs marins
Cinq types de reliefs sont caractérisés :
- les marges continentales à plateforme (de 0 à -200m) et talus (-200 à -4000m) continentaux (appelées aussi marges passives).
- les marges continentales à fosse océanique (jusqu’à -11000m), appelées aussi marges actives.
- les plaines abyssales (vers -40000, -5000m) dans le prolongement des marges continentales
- les dorsales océaniques, chaîne volcanique de 60 000km de long, de -5000m à -2500m de profondeur.
- des alignements de volcans majoritairement éteints et isolés pouvant émergés des océans.
Les premières mesures du flux géothermique, relié à la dissipation en surface de la chaleur interne du globe, montrent une moyenne de 60mW.m-2 sans contraste entre croûte continentale et océanique mais 5 fois plus importante au niveau des dorsales océaniques.
Ces nouvelles données géophysiques permettent un retour aux théories mobilistes, notamment le théorie de Holmes de convection mantellique. En 1960, Hess propose que ces anomalies géothermiques témoignent de remontées de manteau plus chaud selon des mouvements de convection.
- des courants ascendants au niveau des dorsales océaniques créeraient de la croûte océanique.
- la Terre ayant un volume constant, des courants descendants au niveau des fosses océaniques feraient disparaitre la croûte océanique.
Ce modèle du « double tapis roulant » est repris par Dietz en 1961 qui introduit le terme de « sea floor spreading » traduit comme l’expansion des fonds océaniques.
b- Un nouvel argument déterminant : le paléomagnétisme
préambule sur le paléomagnétisme
Comprendre comment la corrélation entre les anomalies magnétiques découvertes sur le plancher océanique et la connaissance plus ancienne de l’existence d’inversion des pôles magnétiques confirma l’hypothèse de l’expansion océanique.
Calculer des taux d’expansion.
Dans les années 50, les campagnes de recherches océaniques ont mis en évidence la présence de bandes d’anomalies magnétiques symétriques mesurées par rapport à l’axe des dorsales océaniques.
En 1963, Vine et Matthews montrent que ces bandes sont corrélables avec les phénomènes d’inversion des pôles magnétiques découverte par Brunhes (1905) et précisément datées depuis.
Cette découverte leur permet alors d’éprouver l’hypothèse de l’expansion océanique par la formation de basaltes au niveau des dorsales océaniques :
- Lors du refroidissement du magma basaltique, les minéraux riche en fer enregistrent le magnétisme terrestre (point de Curie (585°C)) existant à l’époque.
- Les mouvements divergents entrainent le basalte avec son aimantation « fossile » de part et d’autres de la dorsale, formant les bandes d'anomalie paléomagnétique symétriques.
Ces données ont permis de calculer des vitesses d’expansion des océans de l'ordre de quelques cm/an.
2/ Le concept de lithosphère et d’asthénosphère
Saisir et exploiter des données sur des logiciels pour mettre en évidence la répartition des foyers des séismes au voisinage des fosses océaniques.
Comprendre comment l’interprétation de la distribution particulière des foyers des séismes permet :
- de définir la lithosphère par rapport à l’asthénosphère;
de confirmer, dans le cadre du modèle en construction, que la lithosphère océanique retourne dans le manteau.
Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs d’expérimentation assistée par ordinateur de propagation d’ondes à travers un même matériau mais à des températures différentes pour comprendre la différence entre lithosphère et asthénosphère.
a- Des données sismiques anormales au niveau des fosses océaniques
Wadati en 1930, puis Benioff en 1955, montrent qu’au voisinage des fosses océaniques, la distribution spatiale des foyers des séismes en fonction de leur profondeur s’établit selon un plan incliné. Du côté de l’arc volcanique ou de la cordillère, plus la distance horizontale augmente par rapport à la fosse, plus la profondeur des foyers des séismes augmentent jusqu’à 700km. Ce plan incliné est nommé le plan de Wadati-Benioff.
Les mesures du flux géothermique montrent un flux très faible au niveau des fosses océaniques, alors que le flux devient anormalement fort au niveau des arcs ou cordillères volcaniques.
Aujourd’hui, La tomographie sismique mesure les anomalies de vitesses plus lentes ou plus rapides par rapport au modèle radial simple de la structure de la Terre (modèle PREM, Preliminary Reference Earth Model).
Les différences de vitesse des ondes sismiques qui se propagent le long du plan de Wadati-Benioff, par rapport à celles qui s’en écartent, permettent de distinguer deux enveloppes terrestres : une froide, riche en séismes, et une plus chaude, asismique.
Les différences de vitesse des ondes sismiques qui se propagent le long du plan de Wadati-Benioff, par rapport à celles qui s’en écartent, permettent de distinguer deux enveloppes terrestres : une froide, riche en séismes, et une plus chaude, asismique.
b- Notions de Lithosphère, Asthénosphère et Subduction.
L’ensemble des données sismiques et géothermiques permettent donc de distinguer :
- la lithosphère est constituée de la croûte superficielle, océanique ou continentale, et du manteau supérieur. cette enveloppe est plus froide et rigide (la présence de séismes traduit un comportement cassant ), et épaisse d’environ 100 km à 120 km,
- l’asthénosphère plus chaude et moins rigide (l’absence de séisme traduit un comportement ductile, plus « mou »), sur laquelle repose la lithosphère.
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| Définition de la lithosphère continentale et océanique |
La limite inférieure de la lithosphère correspond généralement à l’isotherme 1300° C. Elle correspond à une zone de faible vitesse de propagation des ondes, la LVZ (Low Velocity Zone) expliquée par la proximité entre la température du manteau (1300°C) avec la température de fusion partielle de la péridotite du manteau, à cette profondeur.
L’interprétation de ces données sismiques et géothermiques, comfirmée par la suite par les modélisations analogiques, permet ainsi de montrer que la lithosphère s’enfonce dans le manteau asthénosphérique au niveau des fosses océaniques appelées zones de subduction (Oliver et Isacks, 1967). Ce modèle est en accord avec la théorie du « sea floor spreading » de Hess et Dietz (1961) qui prévoyait la destruction de la croûte océanique au niveau des fosses océaniques.
3 / Un premier modèle global : une lithosphère découpée en plaques rigides
a - La découverte des failles transformantes
Réaliser une manipulation analogique simple, ou utiliser un logiciel de simulation, pour comprendre que les mouvements des plaques sont des rotations de pièces rigides se déplaçant sur une sphère.
Durant les années soixante, Wilson (en 1960) puis Morgan (en 1967) décrivent la géométrie des failles transformantes océaniques (parallèles entre-elles et centrées sur un pôle eulérien), leur activité sismiques localisée principalement entre les deux dorsales qu'elles décalent, et leur déplacement relatif (faille de type décrochante).
Ces études permettent de proposer un nouveau modèle en plaques rigides en déplacement les unes par rapport aux autres sur une sphère.
video sur la géométrie eulérienne des failles transformantes
Ces études permettent de proposer un nouveau modèle en plaques rigides en déplacement les unes par rapport aux autres sur une sphère.
b - L’énoncé le la théorie de la tectonique des plaques
Des travaux complémentaires (McKenzie , 1967 et le français Xavier Le Pichon, 1968) parachèvent l’établissement de la théorie de la tectonique des plaques. Elle repose sur les principes suivants :
(1) La lithosphère rigide est divisée en une quinzaine de plaques lithosphériques (au lieu de 6 par Le Pichon, en 1968). Les plaques sont soit purement océaniques, soit océaniques et continentales.
(2) Les frontières de plaques sont de trois types. Les frontières divergentes (dorsales océaniques ou zones d'accrétion). Les frontières coulissantes (failles transformantes) où deux plaques glissent l'une par rapport à l'autre. Et les frontières convergentes qui regroupent les zones de subduction au niveau des fosses océaniques où les plaques océaniques retournent dans le manteau et les zones de collision (chaîne de montagnes continentales) où les plaques continentales s’affrontent.
(3) Les plaques se déplacent rigidement, sans se déformer et leur mouvement est décrit par des règles simples de géométrie sur une sphère.
(4) L'activité tectonique (séismes) est confinée aux frontières de plaques.
On peut remarquer que ces règles de la tectonique des plaques ne contiennent aucune proposition sur le moteur des mouvements. Cependant, à la fin des années 1960, il ne fait pas de doute pour les chercheurs que les mouvements des plaques en surface sont couplés avec des mouvements internes affectant l'ensemble du manteau, et il est devenu implicite que le moteur du déplacement des plaques est une forme de convection thermique même si les modalités de celle-ci restent encore à établir
c- Des observations mieux comprises grâce à la théorie.
Comprendre comment désormais des faits ne s’intégrant pas a priori avec le modèle initial (volcanisme intraplaque) permettent un enrichissement du modèle (théorie des points chauds) et non son rejet.
Corréler les directions et les vitesses de déplacements des plaques tirées des données paléomagnétiques avec celles déduites de l’orientation et des âges des alignements volcaniques intraplaques.
A la surface du Globe, on observe des alignements volcaniques, situés en domaine océanique ou continental, dont la position ne correspond pas à des frontières de plaques : le volcanisme intra-plaque. Les volcans de ces alignements montrent un âge décroissant et une altitude croissante d’une extrémité à l’autre.
En 1970, Morgan propose qu’ils sont la trace du déplacement de plaques lithosphériques au dessus d’un point chaud fixe, en première approximation, dans le manteau. Les points chauds sont des sources de matériel chaud, panache mantellique (péridotite du manteau profond), qui remonte localement sous la lithosphère. La fusion partielle de ce matériel génère des sources de magmas à l’origine du volcanisme intra-plaque.
