Modèle de la tectonique des plaques Aujourd’hui Activité sismique Activité volcanique Modèle de la tectonique des plaques Chaînes de montagnes Fosses océaniques Dorsales

? Modèle de la tectonique des plaques Début 20ème siècle…. Activité sismique Activité volcanique Modèle de la tectonique des plaques ? Cadre de pensée théorique qui permet d’expliquer reliefs et activité de la Terre/ Il y a ce qu’on constate et ce qu’on suppose Coment ce modèle a-t-il été construit peu à peu au cours du 20ème siècle? Chaînes de montagnes Fosses océaniques Dorsales

Chapitre 3 : La tectonique des plaques : histoire d’un modèle Les années 1920 : Wegener et la dérive des continents. Cf activité 16 A. Les continents et les océans avant Wegener

Théorie fixiste - Aux États Unis, les géologues pensent que les continents ont une position fixe et immuable. Ces continents légers, formés d'un composé appelé SIAL (pour silice et aluminium), reposent sur une couche plus dense, le SIMA (pour silice et magnésium) qui affleure au niveau des océans.

La théorie de Suess Refroidissement => contraction thermique océan continent -En Europe, les géologues, comme Suess, pensent qu'en se refroidissant, la Terre se rétracte "comme une pomme qui se dessèche". Ils admettent ainsi l'existence de mouvements, du moins verticaux, des continents.  Dans la phase stellaire, la planète est constituée de roches en fusion. Dans la phase planétaire, la périphérie de la planète se solidifie (à cause du refroidissement) et forme une sorte de croûte. Par contraction thermique, cette croûte se plisse ensuite et c'est là l'origine des reliefs (les chaînes de montagnes) et des effondrements (les bassins océaniques).             Cette hypothèse implique que la composition de la croûte est unique: elle est identique au niveau des continents et des océans. On connait cette composition en domaine continental, puisqu'on a pu étudier directement les roches à portée de main mais très mal en domaine océanique puisque très peu de moyens techniques ne permettent d'accéder au fond des océans. Refroidissement => contraction thermique => plissement

Les « ponts continentaux » d’Emile Haug Les géologues avaient déjà remarqué des similitudes entre continents (par ex chaîne de montagnes. L’expliquent par la présence de ponts continentaux effondrés 6

Chapitre 3 : La tectonique des plaques : histoire d’un modèle I. Les années 1920 : Wegener et la dérive des continents. A. Les continents et les océans avant Wegener B. Les arguments utilisés par Wegener et la théorie de la dérive des continents

Des arguments géographiques => arguments géographiques (morphologiques) : complémentarité de forme entre le continent sud-américain et africain qui s’emboitent comme les pièces d’un puzzle. 8

Des arguments pétrographiques => arguments pétrographiques : si on considère les blocs continentaux âgés de plus de 2 milliards d’années (= boucliers), on peut observer qu’ils existent à la fois sur les continents américains et africains et qu’ils se complètent parfaitement d’où l’idée qu’ils furent initialement réunis en chaînes continues avant d’être séparés : bouclier angolais, bouclier Ouest africain, bouclier rhodésien, bouclier guyanais et bouclier brésilien. 9

Des arguments paléontologiques => arguments paléontologiques : On retrouve des fossiles identiques datant de plus de 200 Ma (Cynognatus reptile prédateurs de 240 Ma, Mesosaurus reptile aquatique de 260 Ma, Lystrosaurus reptile terrestre de 240 Ma et Glossopteris plante terrestre de 240 Ma) sur des continents aujourd’hui séparés par des océans. Comme une même espèce n’a pas pu apparaitre en même temps sur des continents différents, Wegener a proposé que ces continents devaient être réunis à l’époque où vivaient ces espèces.

Des arguments climatiques => arguments climatiques : il existe des traces de glaciations (dépôts glaciaires datés de 250 Ma) observées actuellement sur plusieurs continents : Inde, Afrique du Sud, Amérique du Sud, Australie et Antarctique. Or ces dépôts résultent d’une unique calotte glaciaire qui justifie le rassemblement de ces masses continentales comme Wegener l’a imaginé. Ce rassemblement donne aussi de la cohérence aux marques de courants glaciaires (déplacements morainiques) observables dans ces dépôts.

Des arguments altimétriques => arguments altimétriques : si la terre avait subi des effondrements aléatoires du fait de son refroidissement, les altitudes terrestres devraient se répartir suivant une courbe de gauss (donc unimodale). Or les altitudes continentales et les altitudes océaniques se répartissent suivant une courbe bimodale : un maximum à 300 m (moyenne continentale) et un maximum à -4800 m (moyenne océanique). Pour Wegener, cette répartition bimodale des altitudes n’est pas compatible avec l’hypothèse d’une terre qui « se dessèche  comme une pomme » et accrédite l’idée de l’existence de deux croûtes distinctes (granitique pour la croûte continentale, basaltique pour la croûte océanique). Si ^m matériaux qui s’éfondre, les alti devraient être réparties selon courbe de Gausse. Ce n’est pas le cas, répartition bimodale (2 courbes de Gausse)  2 matériaux diff, 1 courbe ac une moy à 300 m = cont et 1 ac 1 moyenne à -4800 m =oc Analogie ac note pr comprendre courbe gausse Cf ens lyon Dans le cas d'une contraction thermique engendrant des ondulations de surface, la distribution des altitudes devrait montrer une distribution unimodale centrée sur la valeur moyenne : les altitudes des bosses et des creux se répartissent de part et d'autre de l'altitude moyenne Ainsi, la distribution bimodale des altitudes, si elle ne démontre pas la mobilité horizontale des continents, est un argument en défaveur des hypothèses de contraction thermique et d'effondrements de blocs continentaux, c'est ce que Wegener met en avant pour proposer son modèle. Les deux pics d'altitude, s'expliquent aisément si on admet que les substrats continentaux et les océaniques sont de nature et de densité différentes, 12

La distinction océan/continent selon Wegener

Ecrits d’Alfred Wegener « Mais où donc est la vérité ? La terre ne peut avoir eu, à un moment, qu'une seule face. Y avait-il à l'époque des ponts, ou bien les continents étaient-ils séparés comme de nos jours par de larges océans ? Il est impossible d'écarter la nécessité de l'existence des anciennes jonctions terrestres, si nous ne voulons pas renoncer complètement à comprendre le développement de la vie sur le globe, et il est également impossible de se dérober aux arguments contraires à l'existence des continents intermédiaires émis par les partisans de la loi de la permanence. Il n'y a évidemment qu'une issue : Les hypothèses admises comme évidentes doivent être viciées par des erreurs cachées »

Ecrits d’Alfred Wegener « Si nous prenons comme base la théorie des translations, nous répondons à toutes les exigences justifiées, tant à celles de la loi des anciennes liaisons continentales qu'à celles de la permanence. Nous n'avons qu'à énoncer ces lois comme il suit : Ponts continentaux ? Oui, non pas grâce à des continents intermédiaires affaissés, mais à des socles continentaux jadis contigus. Permanence ? Oui, pas de chaque continent ou océan pris individuellement, mais permanence de la surface océanique totale et de la surface continentale totales prises en bloc » (Alfred Wegener, La genèse des continents et des océans , 1928 ; réédition, Paris, C. Bourgois, 1990, p.21)

Pangée 245 MA La « dérive des continents » de Wegener Alfred Wegener Fragmentation du « super continent » et « dérive des continents »

La fragmentation du « supercontinent » + Nait ainsi la théorie de la « dérive des continents » : Au début de l’ère secondaire (245 Ma), les continents sont tous réunis en un vaste continent unique, la Pangée. Puis au cours du temps, ce supercontinent se fragmente en masses continentales dérivant à la surface de la Terre sur un soubassement plus visqueux.

Le « moteur » proposé par Wegener Wegener a proposé un moteur à ce déplacement : la rotation de la Terre et l’effet de marée qui induisent une force faisant dérivé les continents vers l’Ouest et une force (nommée force d’Eötvös) liée à la rotondité de la Terre qui tend à pousser les continents des pôles vers l’équateur. 18

Chapitre 3 : La tectonique des plaques : histoire d’un modèle I. Les années 1920 : Wegener et la dérive des continents. A. Les continents et les océans avant Wegener B. Les arguments utilisés par Wegener et la théorie de la dérive des continents C. Le rejet de la théorie par la communauté scientifique

Les « ponts continentaux » d’Emile Haug Il y a ceux qui campent sur leurs positions Les partisans du modèle de Suess tels que Emile Haug invoquent des « ponts continentaux » pour expliquer des migrations des espèces datées de 240 Ma, ce qui expliquerait la présence de fossiles identiques sur des continents distincts. « il est bien rationnel d’admettre que chaque unité continentale a eu sa faune propre tant qu’elle est restée isolée, que des migrations se produisent chaque fois que des communications par terre s’établissent avec une unité voisine » 20

Rejet de la théorie par Harold Jeffrey (1924) Puis Harold Jeffreys en 1924 calcule les forces proposées par Wegener et montre qu’elles sont beaucoup trop faibles pour permettre le déplacement des masses continentales.

Un partisan malgré tout : « Holmes » Ceci est le schéma original de Holmes. (A) Holmes propose que l'existence de courants de convection dans le manteau, sous un grand bloc continental (comme la Pangée, par exemple), crée dans la croûte continentale des forces de tension. Ces forces de tension vont contribuer à fracturer la croûte continentale, avec, dans les fractures ouvertes, des venues de magma provenant du manteau. (B) La cristallisation de ce magma va créer de la croûte océanique composée de basalte. Toujours sous l'influence de la convection, la nouvelle croûte océanique va elle aussi se fracturer et être infiltrée par le magma. Il va donc se former ainsi continuellement de la nouvelle croûte océanique, un processus qui fera en sorte que les masses continentales vont s'éloigner l'une de l'autre, comme repoussées par cette formation de nouvelle croûte océanique. Pour Holmes, la surface terrestre est un espace fini, ce qui implique que s'il y a tension dans certaines zones, il doit y avoir compression ailleurs, ou encore, s'il y a formation de nouvelle croûte terrestre par endroits, il faut qu'il y ait destruction ailleurs. Cette destruction se fait dans les zones de compression où la croûte s'enfoncera dans le manteau, donnant naissance à des fosses océaniques profondes. Les chaînes de montagnes vont se construire dans ces zones de compression. Ce modèle est conceptuel, car Holmes n'avait pas les données pour l'appuyer. Sa proposition se heurta à la communauté des géophysiciens, avec, en tête, Sir Harold Jeffreys, scientifique britannique omnipuissant à l'époque. "On avait démontré que l'idée de Wegener était fausse: inutile d'y revenir!"

Les ondes sismiques

Principe du sismomètre Une station sismique comporte 3 sismomètres : 1 enregistre les mvt verticaux, 1 les mvt hz n/s et 1 les mvt hz e/o 24

3 types d’ondes sismiques + Lors d’un séisme, un sismomètre (appareils enregistrant les séismes) réalise un enregistrement (= sismogramme) qui montre successivement trois types d’ondes sismiques : - deux ondes qui se propagent à l’intérieur du globe terrestre : les ondes P (ou premières) qui sont des ondes très rapides qui se propagent dans tous les milieux solides et liquides puis les ondes S (ou Secondes) qui sont un peu moins rapides (et arrivent donc avec un certain retard par rapport aux premières) et ne se propagent que dans les milieux solides (ne se propagent pas dans les liquides). - vient ensuite une onde de surface, ondes L qui ne se propagent que dans les couches superficielles du globe et qui sont des ondes de grande amplitude.

Modélisation pour comprendre le comportement des ondes sismiques à l’intérieur du globe. + Les ondes P et S qui se propagent à l’intérieur du globe fournissent des informations sur la structure et la composition interne du globe. En effet, dès qu’elles rencontrent un changement de milieu (= discontinuité), les ondes sismiques se réfléchissent et se réfractent sur la discontinuité.

La zone d’ombre de Beno Gutenberg + En 1912 Beno Gutenberg montre qu’il existe bien à l’intérieur du globe une zone fluide mais celle-ci se trouve à 2900 Km de profondeur  ce milieu fluide est beaucoup trop profond pour expliquer la mobilité des masses continentales. De plus, la vitesse des ondes P augmente avec la profondeur (jusqu’à 2900 Km) or plus la vitesse des ondes augmente, plus les roches sont rigides l’hypothèse du SIAL qui flotterait sur des roches plus visqueuses est incompatible avec les données sismiques de l’époque. En effet, mobilisme et fixisme deviennent alors deux modèles également incomplets, le mobilisme peinant à trouver un moteur aux mouvements même si la physique statique explique les observations, alors que le fixisme propose un moteur simple mais qui n'explique pas les observations topographiques et gravimétriques. 27

Le rejet de la théorie de Wegener « Un continent en mouvement est aussi étrange pour nous que l'était une Terre en mouvement pour nos ancêtres, et nous pouvons être aussi fourvoyés qu'eux » (Lake, Wegener's Hypothesis of the Continental Drift , Geographical Journal, 61, 179-194, 1923). « Si nous croyons l'hypothèse de Wegener, nous devons oublier tout ce que nous avons appris dans les soixante-dix dernières années et retourner sur les bancs de l'école » (R. T. Chamberlin, Some of the objection to Wegener's Theory , in W. A. van Waterschoot van Der Gracht, Theory of continental drift : a symposium , Tulsa, American Asociation of the Petroleum Geologists, 1928, p.87). Plus que tout, c'est sans doute la vision de la Terre proposée par Wegener qui ne peut pas être acceptée. L'idée d'une dérive continentale sur des milliers de kilomètres amène un renouveau dans l'interprétation des faits trop brusque pour pouvoir être reconnue, et ce malgré sa très grande fécondité.

Confrontation de la théorie de Wegener aux connaissances actuelles A l oral + Les connaissances actuelles montrent qu’il existe 2 croûtes distinctes : une croûte continentale granitique et une croûte océanique constituée de gabbros (comme le supposait Wegener) et non une seule (comme le supposait Suess) + Certes la croûte continentale est bien la plus légère de toute (densité = 2,7) et est bien constituée essentiellement de Si et Al (SIAL). La croûte océanique a une densité plus élevée (2,9 à 3,0) mais ne peut être appelée SIMA, le magnésium n’étant pas l’élément le plus abondant (il faudrait plutôt l’appeler SiFe). Par contre le soubassement de ces deux croûtes, le manteau, correspond bien au SIMA de par sa composition (car constitué majoritairement de Silicium et de Magnésium) et sa densité (3,2). + Chez Wegener, il y a donc confusion entre deux matériaux : croûte océanique et manteau. La coûte océanique repose (tout comme la croûte continentale) sur les roches mantelliques plus denses. 29

Confrontation de la théorie de Wegener aux connaissances actuelles Dérive des continents versus tectoniques des plaques

Confrontation de la théorie de Wegener aux connaissances actuelles « Pour dévoiler les états antérieurs du globe, toutes les sciences s'occupant des problèmes de la terre doivent être mises à contribution et ce n'est que par la réunion de tous les indices fournis par elles que l'on peut obtenir la vérité ; mais cette idée ne paraît toujours pas être suffisamment répandue parmi les chercheurs. […] Ce n'est qu'en réunissant les données de toutes les sciences qui se rapportent à l'étude du globe que nous pourrons espérer obtenir la « vérité », c'est-à-dire l'image qui systématise de la meilleure façon la totalité des faits connus et qui peut, par conséquent, prétendre être la plus probable. Et, même dans ce cas, nous devons nous attendre à ce qu'elle soit modifiée, à tout moment, par toute nouvelle découverte, quelle que soit la science qui l'ait permise » (Alfred Wegener, La genèse des continents et des océans, Préface , 1928 ; réédition, Paris, C. Bourgois, 1990, p.XIII-XIV). Mais une approche très éclairée

Chapitre 3 : La tectonique des plaques : histoire d’un modèle I. Début 20ème siècle, Wegener et la dérive des continents. II. Les années 60 : l’élaboration du modèle à partir de faits réels A) L’élaboration du modèle de Hess

La seconde guerre mondiale

Relevés topographiques des fonds océaniques - Dès les années 1960, la découverte du fond des océans s’est réalisée grâce aux sonars des navires océanographiques qui émettent des faisceaux d’ultrasons en direction des fonds, ces ultrasons, après réflexion reviennent aux navires et son enregistrés par des appareils. 34

Découverte des reliefs des fonds océaniques  60 000 Km de long  2 000 à 3 000 Km de large Dorsale océanique  2 000 m de haut + On a ainsi pu mettre en évidence dans les océans 2 types de relief remarquables : - d’immenses chaînes de montagnes, les dorsales (60 000 Km de long pour le total des océans, 2000 à 3000 Km de large et 2 000 m de haut) qui se dressent au-dessus des plaines abyssales (- 5000 m) que l’on trouve dans tous les océans.

Découverte des reliefs des fonds océaniques fosse océanique -7000 à -11000 m - des fosses océaniques situées en bordure de certains océans (autour de l’océan pacifique, au nord est de l’océan Indien. Les profondeurs de ces fosses varient de -7000 m à -11040 m.

1960 : L’hypothèse de Hess Hess affirme que le manteau terrestre est affecté de larges mouvements de convection et que les dorsales mettent en évidence les courants ascendants et les fosses océaniques les courants descendants. La croûte océanique est continuellement créée au niveau des dorsales. Elle est ensuite entraînée à la surface des cellules de convection, s'éloigne de part et d'autre des dorsales et finit par atteindre les fosses où elle disparaît dans le manteau. En 1960 Hess propose la théorie suivante : il affirme que le manteau terrestre est affecté de larges mouvements de convection et que les dorsales mettent en évidence les courants ascendants et les fosses océaniques les courants descendants. La croûte océanique est continuellement créée au niveau des dorsales. Elle est ensuite entraînée à la surface des cellules de convection, s'éloigne de part et d'autre des dorsales et finit par atteindre les fosses où elle disparaît dans le manteau. La croûte océanique est donc continuellement recyclée et c'est ce qui explique son jeune âge et la faible épaisseur des sédiments qu'elle porte. ATTENTION LE MOTEUR ACTUEL N EST PLUS CELUI-CI Hess pour proposer cette théorie s’appuie sur 2 arguments majeurs. En 1961, Robert Dietz reprend les visions de Hess et introduit l'expression « sea floor spreading » (expansion des fonds océaniques).

Un modèle confirmé par les données de forage

La découverte des failles transformantes Si on zoom sur une dorsale, on constate des décalages horizontaux de plusieurs centaines de kilomètres au niveau de l'axe des dorsales. On nomme « failles transformantes » ces décalages. Ce sont des zones sans création, ni disparition de matière. Au niveau de ces failles transformantes, on relève une activité sismique particulièrement importante. Ces séismes sont la conséquence d’un mouvement de coulissage des bandes découpées à la fois par la dorsale et les failles transformantes 39

Chapitre 3 : La tectonique des plaques : histoire d’un modèle I. Début 20ème siècle, Wegener et la dérive des continents. II. Les années 60 : l’élaboration du modèle à partir de faits réels A) L’élaboration du modèle de Hess B) L’élaboration du modèle de la tectonique des plaques

Le modèle de Morgan En 1967, Jason Morgan synthétise ces différentes approches en développant la première hypothèse « plaquiste ». Il suppose que la lithosphère est découpée en une série de « blocs » parfaitement rigides, se déplaçant les uns par rapport aux autres sur l'asthénosphère. Comme ces mouvements de « blocs » se font sur une sphère (la Terre), le mouvement de chaque bloc peut être décrit par une simple rotation entre sa position initiale et sa position finale, rotation définie par un axe passant par le centre de la Terre (axe eulérien de rotation) et une vitesse angulaire. Une propriété essentielle est que les failles transformantes correspondent à des petits cercles centrés sur l'axe eulérien, permettant d'en déterminer la position.

Le modèle de Morgan Quand déplacement plaque sur un globe En un temps t plus de chemin a l’aquateur donc plus rapide Incompatible avec plaques rigides ou il y aurait la meme vitesse en tout point Les ft permettent de « compenser » le décclage

Répartition mondiale des séismes La théorie de la tectonique des plaques naît du mariage d'une hypothèse, celle de l'expansion des fonds océanique, et d'une observation, la localisation de l'activité sismo-tectonique du globe. Dès la fin du XIXème siècle, on avait remarqué que les chaînes de montagnes et les volcans se répartissaient suivant des bandes relativement étroites. Ainsi deux systèmes montagneux dominent : l'un autour de l'océan Pacifique avec les Cordillères américaines et les guirlandes d'îles asiatiques, et l'autre qui va des Alpes à l'Himalaya en passant par le Caucase et les montagnes de l'Iran. La carte précise et exhaustive de la répartition des séismes établie par Beno Gutenberg (1889-1960) et Charles Francis Richter (1900-1985) en 1954 renforce cette idée en montrant que les séismes sont confinés dans des régions précises qui correspondent aux dorsales, aux failles transformantes, aux fosses et aux chaînes montagneuses.

Plan de Wadati Benioff Plaque plongeante froide, dense et rigide Interprétation du plan de Wdati Benioff Plan de Wadati Benioff Plaque plongeante froide, dense et rigide Remarqué pour a 1ère fois en 35, redecouvert et 55, compris en 67

Un modèle en 6 plaques 6 plaque sde le pichon

Un modèle global à la fin des années 60

Fin des années 60 : un modèle de la tectonique des plaques Trois frontières les délimitent : => des frontières de divergence : ce sont les dorsales où se forment et s’étendent les plaques tectoniques, => des frontières de convergence : ce sont les zones de subductions au niveau des fosses océaniques où les parties océaniques des plaques disparaissent et les zones de collisions matérialisées par les chaînes de montagnes intra-continentales où les plaques entrent en collision par leur partie continentale. => des frontières de coulissages : frontières marquées par des mouvements horizontaux de plaques. Attention fin des années 60

Chapitre 3 : La tectonique des plaques : histoire d’un modèle I. Début 20ème siècle, Wegener et la dérive des continents. II. Les années 60 : l’élaboration du modèle à partir de faits réels III. Des années 60 à aujourd’hui: un modèle validé et précisé par des données actuelles

Etude du volcanisme intra plaque

Etude du volcanisme intra plaque 3344 Km en 44 Ma => 7,6 cm.an-1 1596 Km en 21 Ma => 7,6 cm.an-1 50

Principe du GPS.

Modèle DORIS et modèle NUVEL 1

Le moteur du mouvement des plaques

Le moteur du mouvement des plaques Moteur subduction = traction de la plaque plongeante

Un modèle actuel de convection Il n’existe pas de grdes cellules de convection

Problème de l’ouverture Atlantique??? 15/01/2013 PB ATLANTIQUE COMMENT SOUVRE T6IL, Dorsales Fosses océaniques Chaînes de montagne

Des plaques déformables??? n 1968, les plaques étaient, par définition, indéformables, sauf sur d'étroites bandes situées à leurs frontières. On s'est aperçu, depuis, que les zones de déformations et de tremblements de terre pouvaient être très larges et déborder largement la simple notion de « frontière de plaque », en particulier au voisinage des zones de collision. La Chine, le pays qui a eu au cours de l'histoire le plus grand nombre de morts à cause de séismes (plus que le Japon) est le plus spectaculaire exemple montrant que les déformations ne se cantonnent pas, parfois, aux seules limites de plaques.