Convergence et subduction

TP. 1 - Les marqueurs géologiques laissés par une subduction lithosphérique
- Fiche TP
- Fiche technique Excel - GPS
- Fiche technique logiciel Sismolog
- Carte des stations GPS - Carte des stations GPS avec la correction du TP pour les 11 stations

• Pour réaliser à la maison la manip. sur le déplacement des plaques lithosphériques à l'aide des données GPS et même aller plus loin, consulter la rubrique "Fiches et Documents".

A. Signatures géologiques laissées par la subduction d’une lithosphère océanique

1. Morphologie et flux thermiques de la marge active andine (Fiches A.1),
   • La plaque Sud-américaine est quasiment uniquement en contact avec la plaque de Nazca (seul le sud est en contact avec la plaque Antarctique)
   • On observe un mouvement de convergence d'une vitesse moyenne voisine de 80mm/an. L'étude du document montrant les vitesses absolues entre les 2 plaques, indique que le mouvement de la plaque de Nazca est beaucoup plus rapide que celui de la plaque Sud-américaine.
   • Le profil topographique "plaque de Nazca - Cordillère des Andes" permet d'identifier un fort relief négatif à proximité de la côte occidentale de l'Amérique du Sud (la fosse Pérou-Chili) suivi, vers l'Est, d'un fort relief positif avec des sommets dépassant 6000m disposés sur un haut plateau qui s'abaissent graduellement vers l'Est.
   • Les caractéristiques morphologiques du profil topographique coïncide avec deux anomalies du flux thermique : une anomalie négative correspond à la fosse et une anomalie positive correspond à la Cordillère.
   • Une première approche permet d'envisager que:
   • l'anomalie négative de flux thermique serait due à la plongée de la plaque de Nazca froide dans le manteau,
   • l'anomalie de flux thermique positive correspond à la présence de magma attestée par l'importance du volcanisme andin.
   • La marge andine s'oppose aux marges passives (étudiées en classe de première). Elle est qualifiée de MARGE ACTIVE.
2. Sismicité comparée de plusieurs limites de plaques de la région Pacifique
   (Fiche A.2)
   • Mise en évidence des caractères qui définissent différents type de limites de plaque présentant une subduction. Manipulation à l'aide du logiciel Sismolog.
   • Mise en relation des cartes de situation, de la sismicité (plan de Benioff) , du volcanisme, de la topographie (vues 3D) et de l'âge des fonds océaniques entrant en subduction.
   • Deux cas très bien caractérisés sont mis en évidence :
     1. La cas de la marge active andine. Subduction d'un plancher océanique jeune accompagné d'une compression et de fabrication de croûte, responsables d'un très fort épaississement de la croûte continentale. Le plan de Benioff est peu pentu (inférieur à 30°), la magnitude des séismes peut y être très élevée.
     2. Le cas de l'archipel des Mariannes. Subduction d'un plancher océanique très ancien (datant du Jurassique) accompagné de la formation d'un arc volcanique (l'archipel) avec formation d'un bassin d'arrière-arc (zone extensive). Le plan de Benioff est très pentu, quasiment vertical, la magnitude des séismes est rarement supérieure à 7 sur l'échelle de Richter.
   • Une étude du comportement de la croûte et du manteau supérieur montre que l'aspect cassant pouvant être responsable de séismes est limité en théorie à une profondeur de :
     • 70 km en domaine continental,
     • 65 km en domaine océanique
     • Au delà les déformations sont absorbées par la plasticité des matériaux.
   • Or dans les différents cas étudiés on observe des séismes dont la profondeur du foyer peut atteindre 500 km, cela confirme le fait que la lithosphère froide et cassante plonge en se réchauffant que très lentement et reste cassante. Cette propriété permet la construction du plan de Benioff qui matérialise la position de la lithosphère plongeante.
3. Fosse de Nankaï et prisme d’accrétion (Fiche A.3).
   Les Barbades un autre exemple de prisme d'accrétion
   • La formation d'un prisme d’accrétion est une des signatures de la subduction qui se caractérise par :
     • l'accumulation de sédiments
     • une importante déformation
     • un raccourcissement (failles inverses et plissements) et un épaississement, résultats de la convergence.
   • A l'aide d'un profil sismique, on en déduit qu'un prisme d'accrétion se caractérise par :
     • Des sédiments déformés et bombés affectés de failles inverses constituant les écailles sédimentaires
     • Une zone de décollement entre les sédiments de l'accrétion et les sédiments profonds compactés (réflecteur ZD) reposant sur les basaltes océaniques (réflection S).
   • Noter que :
   • Les sédiments compactés situés entre ZD et S restent solidaires des basaltes de la lithosphère océanique et seront entraînés avec elle dans la plongée.
   • Des phénomènes de turbidité peuvent contribuer à remplir le fosse. Ces courants liés à la pente, correspondent à des avalanches, des glissement massifs de sédiments en équilibre fragile, pouvant être brisé à l'occasion d'un séisme.

B. Pourquoi la lithosphère océanique s’enfonce-t-elle dans l’asthénosphère ?
Fiche B.1.

• Les moteurs de la subduction :
  • Lors du vieillissement du plancher océanique, une élévation de la densité de la lithosphère océanique qui se refroidit, elle devient alors supérieure à celle de l’asthénosphère sous-jacente
  • Durant la subduction, la transformation minéralogique des basaltes et gabbros en schistes bleus et éclogites de densité supérieure.
• Cela ne se fait pas sans résistance :
  • Forces de tension qui maintient la lithosphère en surface
  • Dilatation de la lithosphère qui plonge
  • Résistance des milieux concernés (lithosphère et asthénosphère)
• Visualisation du comportement d'une plaque en subduction - Géomanips - CNRS
  http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/02_subduction/04_subduction_plaques/03_pedago/01a.htm

TP. 2 - Le magmatisme de subduction
- Fiche TP
- Fiche Technique logiciel de simulation "MAGMA"
- Téléchargement du logiciel "Minéralogie" dans la rubrique Complément.

C. Transformations minéralogiques de la lithosphère en subduction
Fiche C.1.

• Les minéraux des roches de la lithosphère océanique plongeante ont mémorisé les conditions de la subduction.
• Domaines de stabilité des minéraux - Diagramme Pression / Température.

D. Expliquer l’intense activité magmatique qui accompagne les régions de subduction
Fiche D.1 (Arc volcanique).

• Etude de lames minces des roches magmatiques des zones de subduction.
• Composition minéralogique des roches magmatiques
• Evolution de la température et des conditions de début de fusion des péridotites.
• Schéma de la coupe d'une plaque plongeante montrant l'évolution minéralogique de la lithosphère océanique et les isothermes.

E. Bilan

• Schémas bilan (2 schémas possibles, fonction du sujet posé).

Convergence lithosphérique et collision continentale

TP. 3 - Les signatures géologiques et morphologiques d'une chaîne de collision : les Alpes
- Fiche T.P.
- Document de présentation des Alpes dans le cadre méditerranéen et mondial
- Carte géologique (Feuille Annecy 1:250 000e) disponible au labo SVT.
- Image satellitale des Alpes occidentales interprétée géomorphologiquement (page interactive en html)
- Les Alpes occidentales - Interprétation géomorphologique (pour impression en pdf)
- Un corrigé de l'exploitation de la carte d'Annecy

TP. 4 - Les signatures métamorphiques et Histoire des Alpes

- Fiche T.P.
- Récapitulatif des marqueurs d'un océan disparu, repérés en T.P et en cours, dans le but de reconstituer l'histoire d'une chaîne de collision : les Alpes

A. Signatures géologiques et morphologiques d'une chaîne de collision : les témoins d'un raccourcissement
Fiche A et Unité 1, p. 348-349.

La compression est à l'origine d'un raccourcissement.

• Plis, failles inverses, plis faillés et nappes de charriage sont les signatures d'un raccourcissement.
  • Voir l'exemple du pli nommé "Chapeau de Gendarme" dans le Jura français.
• Plis et failles résultent d'un compromis entre la ductilité (déformation souple : pli) et la rigidité ( déformation cassante : faille) des matériaux
• Dans un pli couché, un pli faillé et une nappe de charriage, seule l'échelle change, de l'échelle métrique à l'échelle kilométrique.
• Il y a chevauchement ce qui fait passer des terrains plus anciens sur des terrains plus récents. Le chevauchement est plus récent que la strate la plus jeune recouverte par le chevauchement.

B. Mise en évidence de la structure profonde d'une chaîne de collision
Fiche B et Unité 2A, p. 350.

L'étude des profils ECORS, l'étude des cartes géologiques mettent en évidence :

• un épaississement de la croûte (la discontinuité du Moho se situe à plus de 50 km au lieu de 30),
• des structures en écailles,
• des chevauchements affectant
  • des sédiments marins,
  • des marges passives,
  • un plancher océanique,
  • deux croûtes continentales
  • le manteau.

C. Les témoins d'un ancien océan ouvert puis refermé

1. Les témoins d'un ancien plancher océanique
   Fiche C1 et Unité 3A, p. 352. Observation de lames minces.
2. Les témoins d'une sédimentation marine
   Fiche C3 et Unité 3B, p. 353.
3. Les témoins d'anciennes marges passives
   Fiche C2 et Unité 2B, p. 351.
4. Les témoins d'une subduction.
   Repérer les métamorphismes de subduction et les métamorphismes de collision
   Fiche D et Unité 4, p. 354-355. Manipulation sur logiciel des diagrammes Pression / Température (domaines de stabilité, gradients géothermiques, faciès, trajet d'une roche).

D. Bilan

Pour réviser - Signaler tout lien qui ne serait plus valide.

L'orogenèse alpine ou l'histoire de la formation des Alpes
- Voici comment réviser en résolvant une enquête comme en séance de TP ?

Les marqueurs de l'ouverture, de la fermeture d'un ancien océan puis de la collision des anciennes marges pour former une chaîne de montagnes

Diaporama sur la subduction

Les Alpes - Une belle synthèse - http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/08_alpes/00_intro.htm

E. En annexes

1. Ce que devient une chaîne de montagne après collision
   Evolution tardive de la chaîne alpine (rôle incontestable de l'érosion glaciare, sédimentation des bassins périphériques et pénéplénation
   Unité 5, p. 356-357 (important pour les élèves de spécialité).
2. Tectonique des plaques et collision
   L'historique du Jurassique à nos jours
   Unité 6, p. 358-359 (utile pour le chapitre "Couplage des évènements biologiques et géologiques").