La mise en évidence de l'expansion océanique (1ère S).

Publié le par svtmarcq.over-blog.com

Topographie sous-marine

Dans les années 50, on a commencé à avoir des instruments permettant de mieux explorer les fonds océanqiues. Le perfectionnement des sous-marins et l'invention du sonar furent déterminant.

Le planisphère ci dessous est une carte contenant des indications de profondeur océanique.

carte-bathy.png

 

On peut construire, à partir de cette carte des profils de fonds océaniques, qu'on appelle des coupes bathymétriques. Elles permettent de mettre en évidence les reliefs des fonds océaniques.

coupe-bathy.gif

 

C'est par de telles méthodes qu'on obtient les coupes d'océan du document ci-dessous :

 

topo-oceanique.png

 

On peut constater que les océans n'ont pas la même structure :

— l'océan Atlantique sud ne possède pas de fosse

— l'Atlantique nord possède une fosse du côté ouest

— le Paciifique présente une fosse sur l'enemble de ses côtes.

Oo peut constater aussi que les dorsales médio-océaniques sont différente, plus étroite et mieux marquée dans l'Atlantique/

La signification de ces structures apparaît lorsqu'on observe un planisphère des zones volcaniques terrestres.

planisphere3.jpg

On peut constater que les zones volcaniques correspondent, à la fois, au ones de dorsales et au zones de fosses océaniques. Ces zones sont donc les zones de dissipation de l'énergie terrestre. On peut le voir facilement si on mesure le flux thermique dissipé au niveau du globe.

 

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flux-chaleur-ocean-180.png

 

L'étude du magnétisme terrestre

Si on soumet de la limaille de fer à l'action d'un aimant, on observe que la limaille se place de façon à faire apparaître des figures qu'on appelle des lignes de champs magnétiques.

aimant-flux-magnetique.JPG

 

Dès le XIXème siècle, on sait que la terre se comporte comme un gros aimant : c'est le phénomène de géomagnétisme. On peut schématiser le champs magnétique terrestre de la façon suivante :

Champ_magnetique_terrestre.jpg

 

A l'intérieur du noyau, à 5100 km de profondeur, il existe une dicontinuité dite discontinuité de Lehman qui sépare un noyau externe de nature liquide d'un noyau interne, ou graine, solide et riche en fer et nickel. Comme cette graine ne rtourne pas tout à fait à la même vitesse que le reste du globe, et du fait de la présence de métaux différents à l'extérieur et à l'intérieur, la terre devient alors une gigantesque dynamo auto-entretenue par la rotation terrestre.

Vers 1900, le géologue Bernard Bruhnes (1867-1910) fait une observation intéressante en étudiant des coulées de basalte dans le Massif Central.

MAGNETISME_BERNARD-BRUNHES.jpg

 

Il constate que l'aiguille de la boussole est déviée lorsqu'il la pose sur une coulée. Le basalte contient donc des cristaux de fer magnétique ou magnétite.

basalaimant1.jpg

 

basalaimant2.jpg

 

Plus étonnant, selon l'âge de la coulée, la variation de champs magnétique observée n'est pas la même. On peut mesurer l'intensiter d'un champs magnétique en utilisant un appareil appelé teslamètre. Lorsqu'on mesure l'intensité du champs magnétique sur une coulée, on peut observer des valeurs supérieures au champs actuel (zones d'anomalie positive) ou inférieures au champs actuel (zones d'anomalie négative). La seule façon d'expliquer ces anomalies c'est de considérer que le vecteur champs magnétique de la coulée, s'ajoute au vecteur champs magnétique terrestre. Dans le cas des anomalies négatives, il faut alors conclure que le vecteur champs magnétique de la coulée à une direction opposée au vecteur champs magnétique terrestre.

anomal.gif

On a mis en évidence que les cristaux de magnétite s'orientent selon le champs magnétique présent à l'époque pendant la phase de refroidissement de la roche. On appelle point de Curie, la température sous laquelle la magnétite est cristallisée et donc orientée selon le champs magnétique. On appelle ce phénomène la thermorémanence magnétique.

 

thermorem.gif

Pour expliquer les zones d'anomalies magnétiques négatives, il faut donc faire l'hypothèse qu'à certaines périodes, le champs magnétiques terrestre était inverse du champs magnétique actuel. On appelle période normale, une période où le champs magnétique est équivalent au nôtre et période inverse, une période où le champs magnétique est dirigé à l'envers du nôtre.

 

terre-chron-inversion-magnetique

 

Ces observations ont été capitale pour la mise en place du modèle d'expansion océanique que nous avons actuellement. En 1963, Vine et Matthews font des mesures de champs magnétique sur un fond océanique, sur la dorsale Juan de Fuca située au large de côte pacifique du Canada. Il obtiennent un tracé qu'on appelle "peau de zèbre".

 

peau-de-zebre.png

 

Ce tracé montre une alternance d'anomalies positives et négatives. Interprétons ce tracé en utilisant une autre zone océanique. Le graphe suivant représente la courbe magnétique d'un demi océan Atlantique. A droite la zone de la dorsale.

ano-magentiques-atlantique-nord.png

Les chiffres situés au dessus représentent certaines anomalies particulièrement importantes. En dessous, on a la distance de l'anomalie depuis la dorsale. Par exemple, l'anomalie 34 est située à 1300 km environ de la dorsale.

On a ensuite, daté les anomalies. Le résultat des datations est présenté sur le calendrier suivant :

calendrier

Par exemple; l'anomalie 34, date de 84 millions d'années. Plus les anomalies sont éloignées de la dorsale, plus elles sont anciennes. En rapprochant cette observation de la courbe précédente, on peut calculer la vitesse de déplacement de cette anomalie. La valeur s'exprime en cm par an. 1300 km = 130 000 000 cm.

Donc 130 000 000 : 84 000 000 = 1,5 cm par an environ.

Cette partie du fond océanique se déplace de 1,5 cm par an environ.

Une autre observation est importante. Les anomalies magnétiques sont symétriques de part et d'autre de la dorsale. On peut donc en conclure deux choses :

— il y a un phénomène d'expansion océanique au niveau des dorsales

— c'est au niveau de la dorsale que la nouvelle croûte se forme. C'est donc une zone de divergence de la croûte.

660px-Paleomagnetisme.png

Mais un nouveau problème se pose immédiatement : si on estime que la croûte océanique se forme au niveau des océan et que le volume terrestre est constant, ce la signifie que la croûte océanique doit disparaître quelque part.

Pour résoudre ce problème revenons à la topographie des océans.On a vu que le long du Pacifique, il existe des fosses océaniques et que ce sont des zones à fort volcanisme. Dans les années 40, deux géologues, Benioff et Wadati, avaient étudié la répartition des séismes dans ces zones.

Prenons le cas du Japon :

1.36a.gif

 

On constate que les séismes se répartissent en trois bandes selon leur profondeur. On peut visualiser ce type de répartition avec le logiciel sismolog. On fait une coupe du type AB (ici c'est l'Indonésie qui a été choisie)

coupe_seismes.jpg

 

La présence de ces séismes est une anomalie dans un manteau relativement souple (ductile). Si on fait des mesures de températures, on constate que cette zone de séismes (appelée plan de Benioff-Wadati) est beaucoup plus froide que le manteau.

La seule expliquation satiafaisante est que le plan de Benioff matérialise la plongée du fond océanique froid et solide dans le manteau chaud et ductile.

Subduction_ocean_continent.jpg

 

On appelle ces zones, des zones de subduction. Ce sont les zones de convergence des croûte et de disparition de la croûte océanique.

C'est dans ces même années, que le géologue américain Harry Hess (1906-1969) avait présenté son modèle de t"apis roulant des fonds océaniques" (seafloor spreading).

4_1_2_2_main.jpg

 

Ce modèle est tout à fait cohérent avec les obsevation sur le magnétisme terrestre et sur le plan de Benioff-Wadati.

seafloor spreading

 

Intéressons nous maintenant au mécanisme de déplacement des plaques. Nous savons que le manteau est trop rigide pour permettre un déplacement latéral de la croûte. Cependant, on peut faire l'observation suivante :

lvz.jpg

 

On constate que la vitesse des ondes P diminue légèrement dans une zone du manteau située entre 100 et 250 km de profondeur. On appelle cette zone, la LVZ (low velocity zone). Cette diminution de la vitesse correspond à une légère augmentation de ductilité du manteau.

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On peut voir sur le diagramme pression-température précédent que c'est dans la LVZ que la courbe de fusion des péridotites est le plus proche du géotherme (courbe de température du globe). C'est cette particularité qui explique que le manteau est légèrement plus mou dans cette zone qu'ailleurs. C'est donc à ce niveau que le déplacement latéral peut se faire. On distingue donc la lithosphère rigide formé de la croûte et du manteau supérieur et l'asthénosphère  plus ductile qui commence au niveau de la LVZ et qui est formée par le manteau inférieur. La lithosphère peut glisser sur l'asthénosphère, permettant la dérive des plaques lithosphériques.

On a pu constater que les dorsales sont striées par des failles très importantes qu'on a appelé des failles transformantes.

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Les failles transformantes apparaissent dès la naissance d'une dorsale et font partie de sa structure. On peut les schématiser de la manière suivante :

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Les failles transformantes sont le résultat du déplacement d'une calotte rigide (une plaque) sur la un solide qui est un ellipsoïde de révolution (la Terre). SI la vitesse angulaire des plaques est la même en tout point, leur vitesse de déplacement latéral varie en fonction de la position sur la planète. C'est ce qui explique l'existence des failles transformantes.

mecanique-eulerienne.png

Certaines failles transformantes peuvent avoir un trajet intra-continental. C'est le cas de la faille de San Andrea dont les mouvements sont responsables de la forte sismicité de la Californie.

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Sur les photos suivantes, on peut voir le résultat des mouvements de la faille de San Andrea.

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Dans les années 70, on a construit un modèle appelé Tectonique des plaques rigides. Dans ce modèle, seule les limites de plaque (dorsales et zones de subduction) sont actives.

A la même période, Des géologues commencent à s'intéresser à d'autres volcans très particuliers qu'on peut observer au milieu des plaques, aussi bien en milieu océanique qu'en milieu continental. On appelle volcanisme de point chaud, ce volcanisme intraplaquale.

points_chauds.png

 

Un des exemples les plus caractéristiques est l'archipel des îles Hawaï. L'observation de la carte nous montre que les îles sont alignées et que l'âge des roches augmentent avec l'éloignement du volcan actif (l'ensemble Kilauea-Monakea) sur la Grande île).

Volcans-Machine2.jpg

 

On explique cette structure par le fait que le volcanisme de point chaud nait à très grande profondeur (limite manteau/noyau) et peut être considéré comme fixe par rapport à la plaque qui se déplace  au dessus.

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Le vocanisme de point chaud est caractérisée par une lave basaltique hyper-effusive qui donnne naissance à des volcans dit boucliers à faible pente. La lave produit des coulées très longues et des fontaines particulièrement impressionnantes comme dans le Kilauea.

 

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Si on considère que le point chaud esr un point fixe, on peut facilement calculer la vitesse de déplacement de la plaque qui est située au dessus. On prend comme exemple les îles de la Société.

societe.png

Le calcul donne une valeur de déplacement de 15 cm par an environ pour une direction ouest nord ouest.

 

Photos de l'île de Méhétia, zone actuelle de l'activité du point chaud.

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mehetia.jpg


On peut comparer ce résultat à ceux obtenus avec les balises GPS (global positionning system). On mesure la vitesse grâce à des bornes GPS positionnées sur l'ensemble du globe.

carte_globale.gif

 

Une balise GPS se présente de la façon suivante :

borne-GPS.png

 

Le système GPS fonctionne avec 3 satellites et la borne GPS. Ce système de quadrangulation permet au système de travailler sur 3 paramètres, la vitesse longitudinale (nord-sud), la vitesse latitudinale (est-ouest) et la vitesse altitudinale de la plaque.

gps-cours1.jpg

 

Nous allons travailler uniquement sur les vitesse longitudinales et latitudinales.

Le déplacement d'une borne GPS se présente de la façon suivante :

tectoglob14

 

A partir des valeurs du tableau, on construit facilement le vecteur résultant sur un systèle d'axe de ce type :

echelle-vitesse.png

Le tableau permet d'orienter aussi le vecteur vitesse. On obtient aisni, le type de construction suivante pour un vecteur de la plaque Pacifique comme la borne de Tahiti :

vitesse-plaque-construction.png

Sur le planisphère suivant, on a porté les vitesses de déplacement des plaques :

carte-vitesse-plaque.png

On constate qu'on obtient des vitesses de déplacement de l'ordre de 7 cm par an, ce qui correspond à la moitié de la valeur obtenue en utilisant le déplacement par rapport au point chaud. On peut expliquer cette différence par le fait que la vitesse de déplacement n'est pas constante au cours du temps, mais aussi que la remontée du panache de magma depuis 2900 km de profonfdeur ne se fait pas obligatoirement à la verticale.

Remarquons aussi que si la vitesse de déplacement d'une plaque Atlantique est de l'ordre de 1 à 2 cm alors que celle du Pacifique est de 7 cm. Il existe donc, des dorsales lentes et des dorsales rapides.

Pour estimer l'âge des fonds océaniques, on peut utiliser aussi les dépots sédimentaires. On fait des sondages afin d'arriver au niveau du sédiment déposer directement sur la lithosphère océanique.

1.16

 

On obtient le résultta suivant sur l'Atlantique.

SEDIMENTS-ATLANTIQUE-SUD.gif

 

Un planisphère des âges des sédiments donne ce type de représentation :

age-fond-ocean-0.png


On constate que les plus vieux fonds date de 180 millions d'années ( le cas de la Méditerranée est à mettre à part). C'est un nouvel argument pour l'idée du renouvellement du fond océanique.

On sait que la dorsale est traversée en son centre par un rift qui est la zone active. Comment le renouvellement du fond se fait-il dans cette zone ?

Un des rares points du globe où l'on puisse voir la manifestation de l'activité riftale est l'Islande qui est une île entièrement volcanique.

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La photo suivante montre la fissure Laki où se produisit en 1783 une des éruptions les plus importantes des temps historiques. 12 km3 de laves furent éjectées.

43-Lakagigar-Islande

 

Une autre zone correspondant à l'activité du rift est la grande fissure de Krafla qui est la manifestation de la tectonique extensive à l'œuvre en Islande.

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Comment ce système fonctionne t-il ? On peut faire une expérience analogique grâce un montage simple :

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On peut constater sur cette modélisation simple, que la mise en place d'un rift et son activité, se fait avec l'apparition de grandes fractures parallèles à l'axe, appelées failles.

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Une zone de divergence, comme un rift, est caractérisée par la présence de failles normales :

FailleNorm.png

Une zone de convergence, au contraire, comme une zone de subduction, est caractérisée par des failles inverses :

FaillInv.png

 

Cest donc dans les zones de dorsale que se situent les zones de remontée magamatiques permettant la mise en place de la nouvelle lithosphère océanique.

On peut faire une petite expérience analogique en utilisant deux huiles à des températures différentes.

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On observe une bulle de liquide qui monte au niveau du chauffage. Petit à petit le milieu s'homogénéise. c'est le chauffage par convection caractéristique des liquides.

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Si on considère que le manteau est un miieu de nature liquide, on peut donc estimer que de phénomènes de convection peuvent s'y développer.

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C'est au niveau de la branche ascendante des cellules de convection que se situe la dorsale et le rift.

Si on mesure la vitesse des ondes sismiques dans la zone de dorsale (tomographie sismique), on observe la répartition suivante :

tomographie.png

On peut constater que dans la zone de dorsale, la vitesse des ondes diminue. Cela signifie que le milieu  est plus ductile (plus mou). On a un magma qui s'installe. On peut observer sur le document ci dessous, la présence de la chambre magmatique, notamment grâce à l'enregistrement des ondes sismiques.

chambre magmatique

On peut supposer que la baisse de pression subit par le matériel mantellique au sommet de la cellule de convection entraîne une fusin de ce matériau. L'étude d'un diagramme pression/température va nous aider à comprendre ce qui se passe au niveau de la dorsale.

 

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On constate que le géotherme de la dorsale coupe entre 20 et 80 km de profondeur la zone de passage d'une péridotite solide à une péridotite partiellement fondue. Cela signifie que dans c'est dans cette zone du graphe que se situe la chambre magmatique, c'est à dire à faible profondeur.

Certains minéraux ont des températures de fusions plus basse que d'autres. L'olivine (constituant principal de la péridotite) a une température de fusion plus haute que le pyroxène et le plagioclase. Cela signifie que ces deux minéraux fondent plus vite et se retrouve dans la partie liquide du magma. C'est de cette fusion partielle de la péridotite que nait le basalte et le gabbro.

La tableau suivant, correspondant à des résultats obtenus lors d'une fusion en autoclave, permet de constater que le basalte formé correspond environ à une fusion de 15 à 20% de la péridotite d'origine.

fusion_partielle.gif

 

Lorsque le basalte apparaît à la surface, il est encontacte avec une eau très froide. La couche externe se solidifie rapidement sous forme de boudin, alors que le centre continue a être en fusion. On parle de pillow-lava ou lave en coussin.

newlava_600.jpg

 

Sur le schéma est résumé l'essentiel du fonctionnement de la tectonique des plaques.

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jerome 16/05/2015 12:33

La théorie de darwin. Est a revoir !
L'Amérique n'a pas 300ans.
Crâne long, génération spontané, Passter.
Soleil canon a proton, évolution humaine, chemtrail....
Il nous control depuis les romains.
Edelweiss, gui

elisa 22/02/2013 21:21

Le manteau n'est pas liquide!! Les mouvements de convection se font à l'état solide!

Anouk 12/04/2012 13:04

Bonjour,
Je suis actuellement en prépa BCPST et notre programme de géologie porte en grande partie sur le(s) sujet(s) traités dans votre article. Un grand merci pour ce dernier, bien traité et avec des
illustrations particulièrement intéressantes !

ribet josyane 29/02/2012 15:27

bravo pour ces mines d'informations! .....les documents choisis sont très pertinents..certains m'ont donné des idées pour préparer mon cours....