La tectonique des plaques

CoursEcole Normale Supérieure - CACHAN

Par Mathieu RODRIGUEZrodriguez@geologie.ens.fr

Pr. Agrégé en sciences naturelles

Alfred Wegener, théoricien dela « 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’écorce terrestre »: premières approches fondatrices

Le voyage dans les Alpes de H.B. De Saussure (1779)

Horace Bénédictede Saussure

De Saussure:

Observations de plis au cours d’unemission dans les AlpesLes structures géologiques et l’idéede mouvements horizontaux de« l’écorce terrestre »

Ampleur des mouvementshorizontaux?Forces et mécanismes?

Marcel Bertrand:

Les nappes de charriage se forment à la faveur de failles inverses sub-horizontales et 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 demontagne sont compensés par

une racine crustale en profondeur(principe d’Archimède)

Racine crustale identifiée par la gravimétrie

Epaississement crustal+ mouvements verticaux

L’isostasie et l’idée de mouvements verticaux de l’écorce terrestre

Approche paléontologique :Les « liaisons continentales » d’ E. Suess et E. Haug.

Analogies de faunes et de flores fossiles entre des régions aujourd'hui séparées par des océans / Chaînes de montagnes de même âge de part et d’autre des océans

Suess définit par ailleurs des paléocontinents tels 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 gravitaires sur les flancs des reliefs créés par intumescence thermique…

Un premier cadre conceptuel

Bien qu’aujourd’hui dépassée cette théorie illustre que la question du flux de chaleur est centrale dans la formulation de la théorie de la tectonique des plaques

La théorie des géosynclinaux

Surrection de reliefpour compenser l’excès d’apports sédimentaires

Déformations gravitaires, supposées expliquer les

raccourcissements de »l’écorce terrestre »

Isostasie

Explique les variationsde pression et Température

subies par les minérauxMétamorphiques…

CETTE THEORIE REFUTE L’INTERVENTION DE TOUT MOUVEMENT HORIZONTAL

D’ECHELLE REGIONALE!!!

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 continentales » d’ E. Suess et E. Haug.

Analogies de faunes et de flores fossiles entre des régions aujourd'hui séparées par des océans / Chaînes de montagnes de même âge de part et d’autre des océans

existence de liaisons intercontinentales , les ponts continentaux les 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

• Des théories fixistes, n’intégrant pas l’idée demobilité horizontale de l’écorce terrestre, sontproposées et servent de cadre interprétatif auxobservations disponibles

• Les théories fixistes formulées avant dérive descontinents intègrent quand même le fait que lesvisages de la Terre ont changé au cours de sonhistoire, sur des temps longs, de plusieursmillions d’années (par opposition au fixismereligieux ou des mouvements créationistesactuels)

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

La correspondance entre les formes des continents:

Il ne s’agit pas uniquement de l’emboîtement géométrique des pièces d’un même puzzle car d’un continent à l’autre, ce sont également 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 dérive des continents aux chaînes de Montagne, les travaux d’E. Argand

EMILE ARGAND, en 1924

La dérive des continents

Wegener affirme que les continents,constitués de sial reposent sur unsubstratum de sima plus dense qui affleuredirectement au niveau des océans. Lescontinents, autrefois réunis en une seulemasse continentale nommée Pangée, sesont dispersés pour atteindre leur positionactuelle en fendant le sima qui les entoure.

Les idées nouvelles sont deremplacer les continentsintermédiaires affaissés de Suess parune translation continentale et defaire intervenir la théorie del'isostasie avec une perspectivenouvelle par rapport à la théorie desGéosynclinaux

Pour l’essentiel, Wegener reprend des observations déjà existantes…mais ré interprétées différemment (nouveau regard)

Mais problème des forces impliquées dans les mouvements!

_La force d’Eötvös qui est une conséquence de la théorie de l’isostasie surune Terre aplatie et qui pousse les continents vers l’équateur,_les forces de précession,_les frictions des marées qui poussent les continents vers l’ouest,_l’attraction directe entre les continents.

Ces forces sont excessivement faibles

Les forces de la dérive : exemples d’opposition‘’Cette hypothèse affirme qu'une petite force peut non seulement provoquer des mouvements indéfiniment grands, à condition qu'elle dispose d'une durée suffisante, mais encore qu'elle peut surmonter une force plusieurs fois plus importante et agissant dans le sens inverse pendant la même durée […] Pour que cette formation de montagnes se réalise toutefois, il faut un apport d'énergie pour élever les roches concernées ; la contrainte disponible doit surmonter la gravitation et doit donc dépasser la pression exercée par le poids de la montagne. Le frottement des marées et les différences entre les valeurs de la gravitation dans les parties supérieures et inférieures des continents sont généralement les forces invoquées par des théories de ce type ; elles sont capables de produire des contraintes de l'ordre de 10-5 dynes/cm2 [10-6 Pa], alors que pour élever les Rocheuses il faudrait environ 109 dynes/cm2 [108 Pa]. La supposition selon laquelle la Terre pourrait être déformée indéfiniment par de petites forces à la seule condition que celles-ci agissent longtemps, est donc une supposition très dangereuse, qui peut conduire à des erreurs graves. (Harold Jeffreys, The Earth, 1924, Cambridge, University Press, p. 261.)’

La théorie de la dérive des continents est donc rejetée dans un premier temps en raison de: l’absence d’un moteur physique convaincant,

de l’impossibilité de tester les hypothèses émises sur la structure profonde de la Terre et sur la rhéologie de ses différentes enveloppes,

mais surtout en raison d’une méconnaissance quasi-totale de la géologie des fonds sous-marins…L’identification des forces impliquées se fera à la lumière de nouvelles observations :

En géologie les observations permettent de réfuter théories et modèles physiques et sont au cœur des avancées

JEFFREYS

La formulation de la théorie de « la tectonique

des plaques »

J.Morgan, X.LePichon, D. McKenzie

Depuis la fin des années 60…sans cesse 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 lithosphériquesLes 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.La sismicité révèle les frontières océaniques, et l’activité tectonique des océans

Les premières cartes des fonds océaniques : découverte des dorsales et des fosses de subduction

Origine de la sismicité dans les océans

Marie Tharp à l’ouvrage…

Les principales plaques tectoniques

La lithosphère : définition La lithosphère thermique : la base de la lithosphère est une

couche limite qui correspond à la transition entre un régimede transport de chaleur par advection/convection et unrégime de transport de chaleur par conduction.

La lithosphère sismologique : la base de la lithosphèrecorrespond à une zone de faiblevitesse des ondes sismiques. Cette atténuation dénoterait laprésence de fluides ou de fusion partielle.

La lithosphère chimique : elle est composée de la croûte etdes péridotites du manteaulithosphérique.

La lithosphère sismogénique : dans le cas de la lithosphèreocéanique, la lithosphèrecorrespond à la zone dans laquelle se déclenchent lesséismes.

La lithosphère élastique : c’est la zone où les contraintesdéviatoriques peuvent être « tectoniquement» significatives(de quelques MPa à 1 GPa), et où leur relaxation estrelativement lente (1-10 Ma). Son épaisseur correspond àl’épaisseur élastique équivalente approche rhéologique

Différences entre lithosphère continentale et océanique :composition, densité, flux de chaleur, comportementmécanique, épaisseur, âge…

La lithosphère est l’enveloppe solide la plus

externe de la Terre

En première approximationLithosphère continentale : composée de granitoïdes+ péridotitesLithosphère océanique : basalte-gabbros-péridotites

Les limites de plaques

Convergente-divergente-décrochante/coulissanteLocalisées- diffuses

Les plans de Wadati-Béniof et 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 rifting des Afars

La dorsale de Sheba dans 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

F

][][

][

][][

]][[222 LT

M

LT

LM

En Newton/m2 ou en kg/m.s2

(homogène à une pression)

Force Déformation

Par convention : compression + ; étirement -

Relation entre contrainte et déformation : RHEOLOGIE

rheo : couler logos : étude

• Loi de comportement intrinsèque à chaque matériau• dépend également de beaucoup de paramètres (T°, temps, fluides, ect)

0l

l

Déformation : rapport de longueur

Comportements rhéologiques

ESSAIS DE PRESSE EN LABORATOIRE

0l

l

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 basaltes, gabbros etc…

Comportements rhéologiques

COMPORTEMENT ELASTIQUE

CONTRAINTEEFFECTIVE

Ezz / Compression uniaxiale selon z

z

xx

z

x

Coefficient de Poisson :

)(1

yzxxE

)(1

xzxyE

COMPORTEMENT VISQUEUX

Comportements rhéologiques

CONTRAINTEEFFECTIVE

dt

d

2

• Réponse prolongée à la contrainte• Effet irréversible. • Vitesse de déformation

proportionnelle à la contrainte

PISTON

Comportements rhéologiques

COMPORTEMENT PLASTIQUE IDEAL

CONTRAINTEEFFECTIVE

PATIN

• Dépassement d’une contrainte seuil• Au delà, fluage à contrainte constante• Irréversible

t1

t2

t1 t2 temps

Déformation résiduellepermanente

D’autres comportement mixtes (elasto plastiques existent…)

Comportements rhéologiques

COMPORTEMENT FRAGILE (CASSANT)

CONTRAINTEEFFECTIVE

Rupture du matériaux• Contrainte seuil au delà

de laquelle le matériaux rompt

• Localisation de la déformation le long de « plans » de fracture

• Irréversible

• Modifie radicalement la rhéologiede l’ensemble

Comportements rhéologiques

DIVERSES DEPENDENCES…

?

Perpendiculaireà la foliation

Parallèleà la foliation

Température Vitesse de déformation

Contrainte différentielle

31 diff

Déviateur de contraintes

=

Ellipsoïde des contraintesMoyennes

(contrainte lithostatique + pression de pores)

Déviateur

+

LA LITHOSPHERE

Enveloppe rhéologique conditionne le mode de déformation de la lithosphère

La structure des enveloppes n’est pas la même selon le type de contrainte appliquée

…et selon l’âge de la 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

Notion d’anomalieen géophysique :différence entre lavaleur mesurée etsa valeur théorique

Estimer la cinématique des plaques à l’échelle du million d’années

L’interprétation des anomalies magnétiques du plancher océanique

au début des années1960 Hess découvrel’expansion des fondsocéaniques et considèreque les dorsales sont lamanifestation en surfacedes branches ascendantesde cellules de convectionet que les fossesocéaniques sont lestémoins des branchesdescendantes

Idée d’un couplage mécanique Manteau/lithosphèreA vérifier!!!

Hess

L’expansion des fonds océaniques vue par les anomalies magnétiques

Flux de chaleur au niveau des dorsales océaniques : mesures incohérentes avec le flux préditpar la conduction de la lithosphère océanique… Le paradoxe vient des fumeurs au niveau des dorsales !

Un obstacle à la proposition

de Vine & Matthews : le flux de chaleur

Photo de fumeur noir

Cartes des âges du plancher océanique(d’après anomalies magnétiques)

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

Ex. ouverture Atlantique sud

Difficile d’utiliser anomalies magnétiques du plancher océanique au-delà de 180 Ma pour 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

(DeMets et al., 2010)

Nombreuses microplaques + zones de déformation diffuse

Comment reconstruire la cinématique des plaques à l’échelle globale?

Considéré instantané àl’échelle des temps géologiques

Compléments : voir Larroque & Virieux : « Physique de la Terre solide »voir Lallemand et al. « convergence lithosphérique »

Application : cinématique Amérique du Nord/ Juan de Fuca

Points chaud peut être pas si fixes que ça…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?

Historiquement l’une des premières propositions a étéla convection mantellique, comme possible moteur

• « Beaucoup de géologues ont hésité à accepter cette lecture franche et logique des roches, parcequ'aucune force gravitationnelle ne semblait capable de déplacer les morceaux continentaux dansla bonne direction de l'Afrique vers le Pacifique. […] Il reste à considérer la suggestion heureuse quenous devons à A. J. Bull, à savoir que les courants de convection peuvent s'établir dans la strateinférieure en raison du chauffage différentiel par la radioactivité. Au lieu du magma basaltiquemobile de Joly, on imaginerait une pyrosphère hautement visqueuse, chauffée inégalement jusqu'àde très grandes profondeurs. Un courant orienté vers le haut et semblable à un rideau sedévelopperait sous la zone de la plus forte sortie de chaleur. En se retournant à la base du sial ou àcôté de cette dernière, il exercerait une traînée puissante sur la surface inférieure dans deux sensopposé, conduisant ainsi à la formation d'un géosynclinal. Le courant de retour vers le bas seraitnaturellement à rechercher juste au-delà des bords continentaux. Une masse continentale serait enmesure d'avancer en butant sur le plancher océanique dense situé en avant d'elle. Au fur et àmesure du processus, la formation des montagnes serait engagée et à la fin la direction descourants serait inversée. » (Arthur Holmes, « Radioactivity and Continental drift », GeologicalMagazine, 65, 1928, p. 237-238.)

Arthur Holmes

Si cette hypothèse est vérifiée, l’évacuation de la chaleur interneserait in fine le moteur principal de la tectonique

Rappels sur la notion de convection dans le manteau

Le moteur de la convection thermique est la poussée d'Archimède,due à la différence de masse volumique Δρ entre deux zones d'unmême système. Le Δρ d'un système dépend de l'écart detempérature ΔT et du coefficient de dilatation thermique α. Lapoussée d'Archimède dépend de l'accélération de la pesanteur g etde Δρ ; elle dépend en fait du produit ΔT.α.g. Deux paramètresphysiques vont s'opposer à la convection thermique : la viscositécinématique ν qui s'oppose aux mouvements, et la diffusivitéthermique κ qui limite les écarts de température. Plus un corps estvisqueux, moins il se déformera. Et plus un corps a une diffusivitéthermique élevée, moins il pourra s'établir de gradients detempérature et de masse volumique importants car la diffusion dechaleur par conduction limitera les écarts de température. On peutaussi montrer que la hauteur h d'un système favorise la convection :plus un système est mince, mieux la chaleur s'évacue parconduction ; plus il est épais, plus les mouvements de convection «ont de la place » pour s'établir

Lord Rayleigh

Ra=α.ΔT.g.h3 /κ.ν

http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/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

(Preliminary Reference Earth Model)

Péridotites: Variations P/T : changements des minéraux =>

Fournit des Points d’ancrage pour connaître le géotherme … …Et

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<Ra<30 000 convection stationnaire

• 30 000<Ra<70 000 bouffées occasionnelles de

panaches ascendants

• Ra>70 000 convection chaotique…Le cas de la Terre!

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 noyauIl n’y a pas sous les dorsales d’anomalies thermiques s’enracinant à plus de 400 km de fond,Il n’y a pas de remontée de manteau chaud en provenance de la base du manteau

Les forces agissant sur la lithosphère

Les forces aux limites : Les déplacements de l’asthénosphère(convection liée à Archimède) à la base de la lithosphère et lesforces appliquées aux limites de plaques mettent encontrainte l’intérieur des plaques lithosphériques

Les forces de volume : Les différences latérales d’épaisseur etde densité de la lithosphère sont responsables de gradientsde l’énergie potentielle de gravitation. Ceux-ci peuvent êtreinterprétés comme des gradients de contrainte horizontale

In fine la force de la pesanteur est à l’origine de la tectonique des plaques

CONCLUSIONS

• Vitesse des mouvements, âge desplaques et quantité de chaleur évacuée

• La subduction est le moteur essentiel dela tectonique des plaques

• De façon générale ce sont les forcesgravitationnelles qui entraînent lemouvement des plaques : la vitessemoyenne du mouvement estinversement proportionnelle à l'âgemoyen des plaques. Cette vitesse s'ajusteen fait à la quantité de chaleur qui doitêtre évacuée. Plus cette quantité dechaleur est grande, plus la vitesse estrapide et l'âge moyen faible.