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La cinématique des plaques

-STU ; Secteur C

Proposition de correction par Mathieu Rodriguez

Introduction :

-Définition des plaques lithosphériques/ tectoniques : localisée aux frontières des plaques. Les plaques lithosphériques constituent des ensembles rigides au premier ordre, cependant il existe une part de déformation intraplaque. Les

frontières de plaques sont soit localisées, avec de la déformation concentrée sur un système de

failles bien défini (ex. faille du Levant), soit diffuse (ex. frontière convergente Inde-Eurasie),

avec une déformation distribuée sur plusieurs systèmes de failles.

- Différents types de mouvements et de déformation aux limites de plaques (à présenter sur

une carte) : extensive (rift, dorsale) ; convergente (subduction, chaîne de montagne) ; décrochante (coulissement de plaques). -La Lithosphère enveloppe solide la plus superficielle de la Terre. La base de la

lithosphère, la LVZ, est définie par les études sismologiques autour de 120 km de profondeur

en moyenne. Il existe différentes définitions de la lithosphère selon le point de vue considéré

(voir corrections de leçons sur la lithosphère continentale et la lithosphère océanique). 2 types

de lithosphères : océanique et continentale, aux propriétés rhéologiques différentes.

-Les propriétés de la lithosphère (résistance i.e. profil de contrainte différentielle ; présence et

profondeur du niveau de décollement), sont variables selon le contexte (température et âge de

la lithosphère) et contrôlent le degré de localisation de la déformation aux frontières de

plaques. -25 plaques tectoniques principales incorporées dans le dernier modèle cinématique en date (MORVEL, DeMets et al., 2010), représente 97% de la surface de la Terre. Le nombre de plaques total, incluant les microplaques, est de 56 (Argus et al., la complexité cinématique liée aux microplaques dans le cadre de cette leçon. Les principales plaques tectoniques. Frontières localisées et diffuses. -La Cinématique des plaques est la discipline des géosciences qui a pour objet la

quantification de la mobilité horizontale des plaques lithosphériques. Le premier modèle

cinématique global a été formulé par X. LePichon en 1968.

-Cependant, la notion de mobilité des plaques lithosphériques a été proposée par Wegener,

dès 1912, sur la base de divers arguments (paléontologie, géographie, assemblage des cratons,

anciens dépôts glaciaires). Dans un premier temps, la théorie de Wegener a été rejetée faute

e des mouvements des plaques. Wegener faible pour expliquer le mouvement des plaques. Wegener avait fait une erreur en estimant le ar an ! alors que le mouvement est de (modèles de Terre fixe). -Problématique : -Comment quantifier les mouvements des plaques ? Dans un premier temps nous verrons comment estimer les mouvements relatifs de plaques

lithosphériques au niveau de différents types de frontières, et à différentes échelles de temps.

Puis nous verrons comment construire un modèle cinématique global, à n plaques. -Quelles sont les forces motrices de la mobilité des plaques?

Après un bref rappel historique des différents moteurs proposés pour le mouvement des

plaques, nous mettrons en évidence quel est le moteur principal du mouvement des plaques, et quelles sont les différents types de forces impliquées dans la cinématique. -Sujet limité à la mobilité horizontale des plaques en détail la mobilité verticale .

1) Quantifier la mobilité relative de deux plaques lithosphériques à différentes

échelles de temps

¾ Objectifs de cette partie :

étudier. Avantages et limites de chacune des méthodes, leur complémentarité. Ici on se limite au mouvement entre 2 plaques. a) : les mesures satellitaires (GPS et VLBI).

-Techniques récentes, développées durant les années 80-90. Objectif : donner la direction

et la vitesse du mouvement ; i.e. établir un vecteur mouvementcennie.

Précision millimétrique. Mesures continues.

-Principe du GPS : Positionnement de stations Positionnement de la station par satellite, par rapport à une surface de référence. Le satellite renseigne sur la position de la balise au cours du temps. Sensible à la déformation élastique de la lithosphère (cycle sismique, rebond postglaciaire), basées sur des modèles de lithosphère élastique GPS permettent de calculer les taux de déformation/ et contrainte sur une faille au cours du cycle sismique. Si niveau de décollement au sein de la lithosphère ou de la pile sédimentaire (tectonique gravitaire), le GPS ne capture que le mouvement de surface, pas de la plaque dans son ensemble. -Principe du VLBI : mes

réception du signal entre 2 radiotéléscopes (distants de plusieurs milliers de km)

une mesure de la cinématique avec une précision millimétrique. b) (Ma) : les anomalies magnétiques du plancher océanique -tude des profils magnétiques au niveau de la dorsale de Carlsberg. - Le principe de l'interprétation des anomalies magnétiques est le suivant : les basaltes sont émis au niveau de l'axe de la dorsale, se solidifient et cristallisent rapidement au contact de

aimantation (liée à leurs minéraux ferro-magnésiens), qui enregistre la polarité du champ

magnétique terrestre au moment de leur formation. Le plancher océanique est ensuite

de la dorsale. Le champ magnétique terrestre subit des inversions de façon irrégulière au cours

du temps. Ces inversions sont fossilisées par le plancher océanique, et induisent des anomalies

du champ magnétique par rapport au champ actuel. Les inversions de polarité ont été datées

par des forages (étude - d'anomalies magnétiques et les cartes des fonds océaniques permettent ainsi de reconstituer la

géométrie des dorsales à un moment donné, et de déduire certains paramètres du mouvement

relatif entre deux plaques (migration du pôle de rotation, taux d'ouverture océanique et

asymétrie de l'accrétion). ette méthode, mais résolution temporelle variable.

-Plus jeune anomalie identifiée quasiment partout : la 2A, datée à 3.16 Ma. Permet de

.16 Ma. Considéré géologiques. Dans le Pacifique, une anomalie datée à 0.78 Ma permet de contraindre la cinématique instantanée avec une meilleure résolution temporelle.

-Sur les continents les décalages morphologiques de certains marqueurs géologiques (rivières,

coulée de faille donné. Très utilisé pour les décrochements. Les anomalies magnétiques du plancher océaniques c) centaines de : le paléomagnétisme et le volcanisme intraplaque géologiques. Les panaches nourrissent du volcanisme en surface, et la migration du volcanisme au cours du temps correspond au mouvement de la plaque sur une source fixe. volcanisme et la distance au point chaud, on peut calculer la vitesse du mouvement de la cinématique instantanée. Cepend

panaches mantelliques, entraînant une migration des points chauds qui doit être prise en

compte dans les reconstructions cinématiques. Vitesse du mouvement de la plaque pacifique par rapport aux datations des volcans de point chaud -Les études de paléomagnétisme des roches continentales permettent aussi de retrouver les anciennes latitudes d'un continent, avec cependant de plus fortes incertitudes par rapport aux

anomalies magnétiques du plancher océanique. Au-delà de 180 Ma, le paléomagnétisme est la

seule méthode pour contraindre la position des continents. Les sédiments détritiques

contiennent eux aussi des minéraux ferro-magnésiens capables de fossiliser le champ magnétique au moment de leur fo

(inclinaison) = 2 tan (latitude). En revanche, il est difficile de contraindre les paléo-

longitudes. Les incertitudes dans les estimations des paléo-latitudes varient de 1 à plusieurs -Eurasie, et la quantification des forces impliquées. d) Quantification des mouvements relatifs aux différents types de frontières de plaque

Selon le type de frontière de plaque étudié, la quantité et la nature des données disponibles ne

sont pas la même ; parfois le mouvement doit être estimé de façon indirecte, en combinant

plusieurs informations et en réalisant un triangle de vitesse (ex. des frontières convergentes).

Les cinématique -Frontières divergentes : - : ex. du rift est-africain au niveau des Afars. Dans les années

80, premières s réel par Satellite à Djibouti, 2 m en une

seule crise sismique. - à partir des anomalies magnétiques. -Frontières convergentes : exemple de la subduction de Juan de Fuca, au large de la

Californie.

Cinématique de la convergence Juan de Fuca/ Amérique du Nord -Les frontières diffuses : -Ex. de la faille de San Andreas, et des décrochements associés au système Queen Charlotte-Fairweather au NW du Canada/ Alaska. Une partie du mouvement Pacifique/ N Amérique est pris sur chacune des failles, qui délimitent des microblocs pris en cisaillement (système diffus). Le mouvement Pac/NAM est la somme des mouvements pris sur chacune des failles composant la frontière diffuse. -des blocs asia de la convergence Inde-Eurasie. -La notion de partionnement du mouvement, lorsque le régime de contrainte est oblique. -Ex. de la subduction de la sonde ; subduction oblique de la plaque Indo-Australienne, donne naissance au décrochement de Sumatra. La convergence est absorbée par la subduction, la partie oblique par le décrochement. Le séisme de Sumatra en 2004 a un mécanisme au foyer purement inverse. A ce moment là, le partionnement du mouvement est total, pas de composante décrochante. -Le GPS est donc particulièrement utile pour comprendre la distribution de la déformation dans les systèmes diffus/ partionnés, et caractériser le mouvement des micro-blocs. e) Les limites de la cinématique des plaques -Les vitesses de subduction sont prédites pour ce qui concerne la cinématique instantanée.

-Bien sûr, GPS difficile à installer dans les océans, mais ça existe ! ex. subduction du Japon.

-Cependant, 90% des vitesses déterminées par le GPS sont en accord avec celle déterminées à

vitesse moyenne sur 3 Ma en général équivalente à vitesse

mesurée par satellites. Peu de variations de la cinématique des plaques sont attendues à

la différence est significative, proche du cm/an ; en particulier au niveau des zones de convergence affectées par des phénomènes de mousson ou El Nino/La Nina. Les différences dans les estimations de vitesse entre cinématique instantanée et GPS sont-elles dues à des problèmes de mesure ? ou changement

cinématique plus récent que 3 Ma ? Rôle possible des changements climatiques Pléistocène

sur la vitesse des plaques ? pas encore bien compris.

-Problème de variabilité dans la résolution temporelle des marqueurs, ex. période magnétique

calme du Crétacé. -Difficulté pour déterminer les mouvements dans certains contextes ; comment faire quand e GPS? pour déduire les mouvements de toutes les plaques à partir des couples de plaques dont le mouvement est bien contraint.

2) Les modèles cinématiques globaux

¾ Objectifs de cette partie : comment ?

comment établir un modèle cinématique global à n plaques? a) La rotation de plaques sur une sphère : éléments de géométrie eulérienne -dplatissement de 1/298).

rapport à une plaque supposée fixe et la surface de la Terre définit le pôle de rotation. Le

grands cercles perpendiculaires aux transformantes correspond au pôle de rotation du couple

de plaque considéré. Les cartes des fonds océaniques établies par altimétrie satellitaire ont

donc été une révolution pour la cinématique, car elles permettent de cartographier les

transformantes sur plusieurs milliers de km !!! Estimation des pôles de rotation à partir des transformantes

ԧ , t le temps.

V= R. ʘ. Sin a

R : rayon de la Terre (6370 km) ; a distance angulaire entre le pôle de rotation et le point en

mouvement sur la sphère. V est nulle au pôle de rotation (R=0) et maximale à 90° du pôle.

A vitesse angulaire identique, V augmente avec le sinus de la distance au pôle de rotation.

Cinématique et géométrie eulérienne

-Soit X un point à la limite de 2 plaques dont le pôle de rotation est P. Soit N le pôle

géographique. Les longueurs angulaires b (entre N et X) et c (entre P et N) sont connues, -ʄx ; c=90-ʄ Il est nécessaire de calculer la longueur angulaire a entre X et P pour déterminer la vitesse. e NXP. -les formules de trigonométrie montrent que :

Cos a= cos b cos c + sin b sin c cos A

Cos a =cos (90-ʄx) cos (90-ʄp) + sin (90-ʄx) sin (90-ʄp) cos (ˇp ˇx)

Petit rappel, en trigo :

Donc :

a= arcos (sin ʄx sin ʄp + cos ʄx cos ʄp cos (ˇp ˇx)) -de plus, sina/sinA=sinb/sinB=sinc/sinC

Sin a/sin (ˇp ˇx)=sin (90- ʄp)/sinC

C=arcsin (cos ʄp sin (ˇp ˇx)/sina)

uvement.

-Une configuration particulière est celle des points triples, où 3 plaques différentes sont en

contact. Les triangles de vitesse pour les différentes configurations possibles montrent que seule les configurations ride-ride-ride (ride=dorsale) sont stables au cours du temps, avec sous certaines conditions, la configuration transformante-fosse-fosse. Les points triples R-R-R sont utilisés pour tester la fermeture des circuits des plaques. Si un circuit ne se ferme pas au -R-R, alors cela signifie que le circuit de plaque est mal définit. Par ne se fait que si on présence de déformation intraplaque.

Stabilité des points triples Ride-Ride-Ride

b) Les modèles cinématiques : du premier modèle proposé en 1968 (LePichon) à

MORVEL (DeMets et al., 2010).

cartographier les transformantes pour avoir les pôles de rotation) ; des mécanismes au même poids dans les modèles. Tests de fermeture permettent de les valider.

3) Les moteurs de la tectonique des plaques

¾ Objectifs

horizontale des plaques, et déterminer quelle force domine : couplage mécanique des plaques lithosphériques avec la convection mantellique, ou traction exercée par le plongement du slab au niveau des zones de subduction ? -Différents moteurs ont été proposés au cours du 20° siècle : -Holmes, en 1928, propose que le manteau soit animé de mouvements de convection, avec des mouvements ascendants et descendants, et que ces mouvements entraîneraient le mouvement des plaques lithosphériques -Modèle du tapis roulant, formation des océans par Hess au début des années 60.
-Découverte des plans de Wadati-Benioff dans les années 50 : rôle de la subduction dans les mouvements des plaques ? -Dans les hypothèses fixistes, telle que celle du geosynclinal, il y a la notion de mouvements gravitaires ? -Relations entre vitesse des plaques et la nature de leur frontière : la diversité des forces mises en jeu : -Forte corrélation entre la vitesse des plaques (déterminées par les méthodes et modèles ci-dessus) et le pourcentage de frontière en subduction : la subduction est donc le moteur principal de la tectonique des plaques ! Vitesses les plus rapides au niveau du Pacifique, entièrement bordé de subductions ; vitesses les plus lentes en Atlantique ou au niveau de la SW Indienne, absence de subduction majeure. -Plus la surface des continents sur une plaque est grande, plus sa vitesse est faible : une explication serait que les continents auraient une plus grande résistance au mouvement p/r aux océans. -Difficile de quantifier le degré de couplage mécanique entre lithosphère et manteau Relations entre vitesse des plaques et pourcentage de frontières en subduction

volumes. Il existe une topographie élevée au niveau des dorsales, et la profondeur des océans

gmentation de densité, Les moteurs de la tectonique des plaques sont donc :

Les forces aux limites :

à la base de la lithosphère et les forces appliquées aux limites de plaques mettent en contrainte

Les forces de volume : L

interprétés comme des gradients de contrainte horizontale.

In fine la force de la pesanteur

Conclusions :

-Quantification du mouvement résolue au premier ordre, mais nécessité de nombreuses

données variées pour préciser les modèles. De façon générale les modèles marchent bien,

mais il y a de nombreux problèmes en de nombreux endroits. Les zones les plus compliquées zones clefs qui ne sont pas parfaitement expliquées par les modèles. -Même remarque à grande échelle de temps : certaines périodes sont moins bien comprises -Les moteurs aussi sont bien identifiés, mais il y a encore des problèmes pour quantifier les hénosphère/lithosphère. -origine des différences entre GPS et MORVEL pas bien expliquées : problème de mesure ou différence réelle ? -Est-ce que les changements climatiques ont un rôle sur la cinématique ?

Bibliographie

-Convergence lithosphérique, Lallemand et al. Vuibert eds., la leçon est traitée entièrement

dans le chapitre de P. Huchon, mais il y a 2-3 coquilles dans les équations -Physique de la Terre solide, Larroque et Virieux, GIB eds (les équations sont justes, mais il faut bien lire le chapitre première lecture)

-Géosciences, de Robert et Bousquet ; Belin eds ; pour les docs en couleur, les cartes

cinématiques à jour, etc. -Rooke

Bon courage !

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