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La tectonique des plaques

Cours

Ecole Normale Supérieure -CACHAN

Par Mathieu RODRIGUEZ

rodriguez@geologie.ens.fr

Pr. Agrégé en sciences naturelles

Alfred Wegener, théoricien de

la "dérive des continents» Plan

1) Historique de la théorie de la tectonique des plaques: des prémices à la formulation de la théorie de la dérive des continents. Grandes étapes, réflexions épistémologiques.

2) La configuration actuelle des plaques tectoniques et la diversité des frontières de plaques

3) Propriétés mécaniques de la lithosphère : comment se déforme-t-elle?

4) La cinématique des plaques : Estimer les vitesses de mouvements des plaques à différentes échelles de temps

5) Quelles sont les forces de la tectoniques des plaques? Quels sont les moteurs de la tectonique des plaques?

Les déformations de "l'Ġcorce terrestre»: premières approches fondatrices

Le voyage dans les Alpes de H.B. De

Saussure (1779)

Horace Bénédicte

de Saussure

¾DeSaussure:

Observationsdeplisaucoursd'une

missiondanslesAlpes

Lesstructuresgéologiquesetl'idĠe

demouvementshorizontauxde "l'Ġcorceterrestre»

Ampleurdesmouvements

horizontaux?

Forcesetmécanismes?

¾Marcel Bertrand:

Les nappes de charriage se forment

à la faveur de failles inverses sub-

horizontaleset sont le signe d'un important raccourcissement horizontal.

Déplacement des formations

géologiques sur des dizaines,

Voire centaines de km

Etudes sur les nappes de charriage;

Marcel Bertrand, 1847-1907

Airy (1801_1892)

Les reliefs des chaînes de

montagne sont compensés par une racine crustaleen profondeur (principe d'Archimğde)

Racine crustaleidentifiée par la

gravimétrie

Epaississement crustal

+ mouvements verticaux L'isostasie et l'idĠe de mouǀements verticauxde l'Ġcorce terrestre

Approche paléontologique :

Les "liaisons continentalesͩ d' E. Suess et E. Haug.

¾Analogies de faunes et de flores fossiles entre des régions aujourd'hui séparées par des

ocĠans ͬ ChaŠnes de montagnes de mġme ąge de part et d'autre des ocĠans

¾Suess définit par ailleurs des paléocontinentstels que le Gondwana; ou de paléo océans tel la

Téthys

Eduard Suess,

1831-1914

Auteur de

"La Face de la Terre» Les observations paléontologiques et tectono-stratigraphiques Elie de Beaumont et la contraction thermique de la Terre, en 1828 Les plis et les failles inverses seraient le résultat de glissements

Un premier cadre conceptuel

centrale dans la formulation de la théorie de la tectonique des plaques

La théorie des géosynclinaux

Surrection de relief

pour compenser l'edžcğs d'apports sĠdimentaires

Déformations gravitaires,

supposées expliquer les raccourcissements de ͩl'Ġcorce terrestre»

Isostasie

Explique les variations

de pression et Température subies par les minéraux

CETTE THEORIE REFUTE L'INTERVENTION

DE TOUT MOUVEMENT HORIZONTAL

D'ECHELLE REGIONALE͊͊͊

Théorie basée sur une première

interprétation intégrative de nombreuses données et mécanismes établis Un modèle/un scénario peut expliquer certaines observations et être totalement faux

Approche paléontologique :

Les "liaisons continentalesͩ d' E. Suess et E. Haug.

¾Analogies de faunes et de flores fossiles entre des régions aujourd'hui séparées par des

ocĠans ͬ ChaŠnes de montagnes de mġme ąge de part et d'autre des ocĠans ¾existence de liaisons intercontinentales, les ponts continentaux

¾les continents étaient autrefois beaucoup plus étendus et ils se sont effondrés en leur milieu

pour former les bassins océaniques / modèle fixiste

Eduard Suess,

1831-1914

Auteur de

"La Face de la Terre»

La théorie des ponts continentaux

La formulation de la théorie de la dérive des continents (1912)

La correspondance entre les formes des

continents: d'un continent ă l'autre, ce sont Ġgalement les formations géologiques qui se poursuivent de manière très satisfaisante.

Exemple des boucliers précambriens

Exemple de la chaîne calédonienne

Les conceptions de Suess ou Bertrand

sont revisitées Répartition des formations glaciaires paléozoïques

Analogies des faunes et des flores fossiles qui

imposent des liaisons intercontinentales

Continuité des structures géologiques

L'application de la dĠriǀe des continents audž chaŠnes de Montagne, les traǀaudž d'E. Argand

EMILE ARGAND, en 1924

La dérive des continents

Wegeneraffirmequelescontinents,

constituésdesialreposentsurun substratumdesimaplusdensequiaffleure directementauniveaudesocéans.Les continents,autrefoisréunisenuneseule massecontinentalenomméePangée,se actuelleenfendantlesimaquilesentoure.

Lesidéesnouvellessontde

remplacerlescontinents intermédiairesaffaissésdeSuesspar unetranslationcontinentaleetde faireintervenirlathéoriede l'isostasieavecuneperspective nouvelleparrapportàlathéoriedes

Géosynclinaux

Pour l'essentiel, Wegener reprend des

interprétées différemment (nouveau regard)

Mais problème des forces impliquées

dans les mouvements! _lesforcesdeprécession,

Cesforcessontexcessivementfaibles

Les forces de la dĠriǀe ͗ edžemples d'opposition

La théorie de la dérive des continents est donc rejetée dans un premier temps en raison de:

ƒde l'impossibilitĠ de tester les hypothğses Ġmises sur la structure profonde de la Terre et sur la rhéologie de ses différentes enveloppes, avancées

JEFFREYS

La formulation de la

théorie de "la tectonique des plaques»

J.Morgan, X.LePichon, D. McKenzie

améliorée et complétée depuis

Quels ont été les concepts

et les observations clefs? Plan

1) Historique de la théorie de la tectonique des plaques: des prémices à la formulation de la théorie de la dérive des continents. Grandes étapes, réflexions épistémologiques.

2) La configuration actuelle des plaques tectoniques et la diversité des frontières de plaques

3) Propriétés mécaniques de la lithosphère : comment se déforme-t-elle?

4) La cinématique des plaques : Estimer les vitesses de mouvements des plaques à différentes échelles de temps

5) Quelles sont les forces de la tectoniques des plaques? Quels sont les moteurs de la tectonique des plaques?

Les plaques lithosphériques

Les cartes de la sismicité et la définition des frontières de plaques Hypothèse initiale : les plaques sont des ensembles rigides, la déformation est concentrée au niveau de leurs limites. Vrai au premier ordre, il existe cependant une sismicité intraplaque. Les premières cartes des fonds océaniques : découverte des dorsales et des fosses de subduction

Origine de la sismicité dans les océans

Les principales plaques tectoniques

La lithosphère : définition

lithosphérique.

La lithosphère est

l'enǀeloppe solide la plus externe de la Terre

En première approximation

Lithosphère continentale : composée

de granitoïdes+ péridotites

Lithosphère océanique : basalte-

gabbros-péridotites

Les limites de plaques

Localisées-diffuses

Les plans de Wadati-Béniofet les zones de subduction

Révélé par la sismicité

Une grande diversité de subductions, dont

les types "Marianne» et "Chili» sont les extrêmes

Un autre moteur possible

Marge équateur

Les différents types de limite de plaques

Limites convergentes -les zones de subduction océanique

Les différents types de limite de plaques

Limites convergentes -les zones de subduction continentale

Chaîne de montagnes Himalaya-Tibet

Les différents types

de limite de plaques

Limites divergentes

/ rift et dorsales

Le riftingdes Afars

La dorsale de

Shebadans le

Golfe d'Aden

Fournier et al., EPSL, 2011

Les différents types de limite de plaques

Limites décrochantes-transformantes

La Zone de Fracture d'Owen

Plan

1) Historique de la théorie de la tectonique des plaques: des prémices à la formulation de la théorie de la dérive des continents. Grandes étapes, réflexions épistémologiques.

2) La configuration actuelle des plaques tectoniques et la diversité des frontières de plaques

3) Propriétés mécaniques de la lithosphère : comment se déforme-t-elle?

4) La cinématique des plaques : Estimer les vitesses de mouvements des plaques à différentes échelles de temps

5) Quelles sont les forces de la tectoniques des plaques? Quels sont les moteurs de la tectonique des plaques?

Notion de comportement rhéologique

Contrainte = Force par unité de surface

S

FV][][

222LT
M LT LM En Newton/m2 ou en kg/m.s2 (homogène à une pression)

ForceDéformation

Par convention : compression + ; étirement -

Relation entre contrainte et déformation :

RHEOLOGIE

rheo: couler logos: étude

ͻLoi de comportement

intrinsèque à chaque matériau

ͻdépend également de

beaucoup de paramètres (T°, temps, fluides, ect)0l l H

Déformation : rapport de longueur

Comportements rhéologiques

ESSAIS DE PRESSE EN LABORATOIRE

0l l H

DEFORMATION :

Permettent de déterminer le déviateur

Pour estimer le

comportement rhéologique de la croûte continentale, on fait des expériences sur des granites;

Pour la lithosphère

océanique on fait des expériences sur des

Comportements rhéologiques

COMPORTEMENT ELASTIQUE

CONTRAINTE

EFFECTIVE

Ezz/H

Compression uniaxiale selon z

zxxz x HQ

Coefficient de Poisson :

@)(1 yzxxEVQVH @)(1 xzxyEVQVH

COMPORTEMENT VISQUEUX

Comportements rhéologiques

CONTRAINTE

EFFECTIVE

dt d KV2

ͻRéponse prolongée à la contrainte

ͻEffet irréversible.

ͻVitesse de déformation

proportionnelle à la contrainte

PISTON

Comportements rhéologiques

COMPORTEMENT PLASTIQUE IDEAL

CONTRAINTE

EFFECTIVE

PATIN

ͻDĠpassement d'une contrainte seuil

ͻAu delà, fluage à contrainte constante

ͻIrréversible

t1 t2 t1t2temps

Déformation résiduelle

permanente

D'autres comportement midžtes

Comportements rhéologiques

COMPORTEMENT FRAGILE (CASSANT)

CONTRAINTE

EFFECTIVE

Rupture du matériauxͻContrainte seuil au delà de laquelle le matériaux rompt

ͻLocalisation de la déformation

le long de "plans» de fracture

ͻIrréversible

ͻModifie radicalement la rhéologie

de l'ensemble

Comportements rhéologiques

Perpendiculaire

à la foliation

Parallèle

à la foliation

TempératureVitesse de déformation

Contrainte différentielle

31VV diff

Déviateur de contraintes

Ellipsoïde des contraintes

Moyennes

(contrainte lithostatique+ pression de pores)

Déviateur

LA LITHOSPHERE

Enveloppe rhéologique conditionne le mode de déformation de la lithosphère La structure des enǀeloppes n'est pas la mġme selon le type de contrainte appliquée lithosphère continentale Enveloppe rhéologique conditionne le mode de déformation de la lithosphère

Application sur les ALPES

Plan

1) Historique de la théorie de la tectonique des plaques: des prémices à la formulation de la théorie de la dérive des continents. Grandes étapes, réflexions épistémologiques.

2) La configuration actuelle des plaques tectoniques et la diversité des frontières de plaques

3) Propriétés mécaniques de la lithosphère : comment se déforme-t-elle?

4) La cinématique des plaques : Estimer les vitesses de mouvements des plaques à différentes échelles de temps

5) Quelles sont les forces de la tectoniques des plaques? Quels sont les moteurs de la tectonique des plaques?

VINE

MATTHEWSLa découverte des anomalies du champ

magnétique des fonds océaniques

Notiond'anomalie

engéophysique: différenceentrela valeurmesuréeet savaleurthéorique

Estimer la cinématique des plaques

ă l'Ġchelle du million d'annĠes

océanique

A vérifier!!!

Hess vue par les anomalies magnétiques

Flux de chaleur au niveau des dorsales océaniques : mesures incohérentes avec le flux prédit

Un obstacle à la

proposition de Vine & Matthews : le flux de chaleur

Photo de fumeur noir

Cartes des âges du plancher océanique

Problème de la période de calme magnétique au Crétacé (MO à A34)

Ex. ouverture Atlantique sud

les reconstructions paléogéographiques (âge du plus vieux plancher océanique)

Difficile au-delà de 180 Ma

(âge du plus vieux plancher océanique)

Les plaques tectoniques au complet!

MORVEL

(DeMetset al., 2010) Nombreuses microplaques + zones de déformation diffuse

Considéré instantané à

Compléments : voir Larroque& Virieux: "Physique de la Terre solide» voir Lallemand et al. "convergence lithosphérique» Application : cinématique Amérique du Nord/ Juan de Fuca mais sur 3 Ma bonne approximation

Comparaison

MORVEL/GPS

Plan

1) Historique de la théorie de la tectonique des plaques: des prémices à la formulation de la théorie de la dérive des continents. Grandes étapes, réflexions épistémologiques.

2) La configuration actuelle des plaques tectoniques et la diversité des frontières de plaques

3) Propriétés mécaniques de la lithosphère : comment se déforme-t-elle?

4) La cinématique des plaques : Estimer les vitesses de mouvements des plaques à différentes échelles de temps

5) Quelles sont les forces de la tectoniques des plaques? Quels sont les moteurs de la tectonique des plaques?

la convection mantellique, comme possible moteur

Arthur Holmes

Si cette hypothğse est ǀĠrifiĠe, l'Ġǀacuation de la chaleur interne serait in fine le moteur principal de la tectonique Rappels sur la notion de convection dans le manteau ontdelaplace»pours'établir

Lord Rayleigh

Ra=ɲ.ȴT.g.h3/ʃ.ʆ

http://planet-terre.ens- tadata/LOM-convection-mantellique- tectonique-plaques.xml Apports des modèles sismologiques de structure interne de la Terre, qui montrent que le manteau est suffisamment épais pour accueillir de la convection

La structure interne de la Terre,

Modèle PREM

(PreliminaryReferenceEarthModel)

Péridotites: Variations P/T :

changements des minéraux =>

Fournit des Points d'ancrage pour

calculer le nombre de Rayleigh !

Détermination du géotherme

GEOTHERME ET

COUCHES LIMITES

THERMIQUES : couches minces

qui échangent de la chaleur par conduction avec l'extérieur et qui se mettent en mouvement à cause des différences de masse volumique Les différents régimes de convection selon le nombre de

Rayleigh

1700

30 000 panaches ascendants

La tomographie sismique;

Le scanner de la terre interne

Convection mantellique, expansion océanique et subduction Tomographie : la majorité des zones de subduction atteignent la limite avec le noyau Il n'y a pas de remontĠe de manteau chaud en proǀenance de la base du manteau

Les forces agissant sur la lithosphère

CONCLUSIONS

Vitessedesmouvements,âgedes

Lasubductionestlemoteuressentielde

latectoniquedesplaques

Defaçongénéralecesontlesforces

gravitationnellesquientraînentle mouvementdesplaques:lavitesse moyennedumouvementest inversementproportionnelleàl'âge moyendesplaques.Cettevitesses'ajuste enfaitàlaquantitédechaleurquidoit chaleurestgrande,pluslavitesseest rapideetl'âgemoyenfaible.quotesdbs_dbs46.pdfusesText_46

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