Chapitre 1 : Histoire d’un modèle …

Intro : Nous allons étudier comment l’idée d’une mobilité horizontale des continents a été mise en place au début du XXème siècle dans le cadre de la théorie de dérive des continents. Puis nous montrerons comment on est passé progressivement de la théorie de dérive des continents au modèle de tectonique des plaques admis actuellement.

I / La mise en place de la théorie de dérive des continents. A/ Modèle fixiste ( Cf TP n° 9 ) Au début du XXème siècle, la majorité des scientifiques admettent l’idée que les continents sont des structures fixes à la surface de la Terre. Les océans sont perçus à l’époque comme résultant d’un effondrement localisé des blocs continentaux (du à la contraction de l’écorce terrestre lors du refroidissement) Ainsi les continents ne seraient pas ou peu mobiles horizontalement mais mobiles verticalement ( les blocs de SIAL peu denses s’enfonceraient au sein d’une couche de SIMA plus dense )

B/ Modèle mobiliste ( Cf TP n° 9 ) Au début du XXème siècle, un certain nombre de scientifiques ( dont Alfred Wegener ) émettent l’idée d’une mobilité horizontale des continents. Dans le cadre de cette théorie tous les continents (SIAL) auraient été réunis autrefois en un super-continent (Pangée) et se seraient ensuite séparés en dérivant sur une couche de SIMA profonde et plus dense. Cette dérive des continents seraient ainsi à l’origine des océans séparant actuellement différents continents.

C/ Les arguments à l’appui des différents modèles ( cf TP 9) 1/ Arguments paléontologiques

La présence de fossiles animaux terrestres appartenant à la même espèce et datés de la même époque ont été retrouvés sur des continents aujourd’hui séparés par de grandes masses océaniques. Pour les « mobilistes » cela ne peut s’expliquer que par une dérive des continents qui aurait séparé ces différents représentants de la même espèce. Pour les « fixistes » cela peut très bien s’expliquer par un effondrement central d’un grand bloc continental qui aboutit aux mêmes conséquences.

2/ Arguments géographiques

On observe un certain parallélisme des côtes continentales ( ex: Amérique du Sud et Afrique ) Pour les « mobilistes » cela ne peut s’expliquer que par une dérive des continents qui aurait séparé ces différents continents autrefois réunis en une seule masse continentale.

Pour les « fixistes » cela relève plus du hasard et constatent que l’emboitement des côtes reste imprécis.

D’autres arguments existent (paléoclimatiques, géologiques) qui sont eux aussi utilisés par les fixistes et les mobilistes pour étayer leur théorie. D’autres faits d’observation cependant ont tendance à valider préférentiellement un modèle ou un autre.

3/ Arguments topographiques

On observe sur l’ensemble du globe terrestre 2 zones d’altitudes privilégiées = répartition bimodale des altitudes altitudes entre 0 et 1000 m altitudes entre -4000 et -5000m Cela conforte le modèle mobiliste car 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 Selon le modèle fixiste en effet on aurait du avoir une distribution « gaussienne » des altitudes autour d’une seule et même altitude moyenne.

4/ Arguments physiques Au début du Xxème siècle le globe est connu pour être sous forme solide jusqu’à 2900km de profondeur ( avec une rigidité au moins comparable à l’acier ) Ceci est repris par les fixistes pour réfuter l’idée d’une dérive possible des continents solides sur une couche en profondeur elle-même solide. De plus à cette même époque on ne connait aucune force suffisante capable de déplacer de grandes masses continentales horizontalement.

BILAN La théorie de dérive des continents s’appuie sur un grand nombre d’arguments provenant de différents domaines d’observation ( géographiques, géologiques, paléontologiques… ). Cette théorie explique en particulier certains phénomènes non explicables facilement par le modèle fixiste ( chaines de montagnes, enfoncement du SIAL dans le SIMA … ). Cependant les arguments de Wegener sont dans l’ensemble balayés par les fixistes qui les reprennent à leur compte. De plus, cette théorie se heurte au constat d’un état solide de la quasi-totalité du globe terrestre et au fait que Wegener est incapable de proposer un moteur plausible à ces déplacements de continents.

En 1930, l’année de la mort de Wegener, en dépit de ses efforts et malgré le soutien de quelques personnalités éminentes (Argand, Staub) qui l'appuient ou proposent des conceptions voisines (Daly, Gutenberg), la théorie de la dérive est écartée par la majorité de la communauté scientifique. Les géologues et les géophysiciens n'ont pas su, ou pas voulu, comprendre la clairvoyance de Wegener. Pierre Termier écrit en 1924 : « C'est un beau rêve, le rêve d'un grand poète. Mais essaye-t-on de l'étreindre, on s'aperçoit n'avoir dans les bras que de la vapeur, de la fumée. Elle attire, elle intéresse, elle amuse l'esprit, mais la solidité lui manque » (Pierre Termier, La Dérive des continents, Monaco, 1924).

II / Vers une compréhension de la structure interne du globe grâce à l’étude des ondes sismiques A / Mode de propagation des ondes sismiques En 1ère approximation on peut considérer qu’une onde sismique se propage uniquement dans le sous-sol de façon comparable à une onde lumineuse. On définit ainsi par analogie aux rayons lumineux des raies sismiques qui représentent les trajectoires des ondes. Ces raies sismiques obéissent aux lois de réflexion/réfraction connues pour les rayons lumineux se propageant dans des milieux différents.

 en °  en km station du réseau sismologique épicentre Foyer

L’enregistrement des ondes sismiques se fait à l’aide de sismographes : on obtient ainsi des sismogrammes

On repère ainsi l’arrivée de 3 principaux types d’ondes sismiques : Ondes P ( primaires ) : vitesse importante, ondes de compression-décompression, propagation dans les solides et les fluides.

Ondes S ( secondaires ) : vitesse plus faible, ondes de cisaillement, propagation dans les solides uniquement.

Ondes de surface : grande amplitude et durée, ondes circulaires, propagation dans la partie superficielle du globe uniquement.

Lois de Descartes F i r milieu 1 milieu 2 V1 V2

r i milieu 2 milieu 1 F

Ces caractéristiques physiques de la propagation des ondes sismiques expliquent leur trajet en courbe et non en droite à l’intérieur du globe.

Ces caractéristiques physiques de la propagation des ondes sismiques expliquent aussi la présence d’une zone d’ombre ( zone non atteinte par les ondes sismiques ) de chaque coté du globe entre 105° et 142° par rapport à l’épicentre.

Travail sur la zone d’ombre avec logiciel ondes P

B/ Une organisation interne du globe dévoilée ( Cf TP n° 11 ) La vitesse des ondes P et S est inversement proportionnelle à la densité du matériel traversé et proportionnel au modules d’incompressibilité et/ou de cisaillement propres au matériel traversé. La vitesse de propagation des ondes P et S dépend donc du matériau traversé : leur étude permet donc de déduire le type de roche rencontrée en profondeur ( si on sait relier une vitesse à un type de roche en particulier )

L’analyse des diverses ondes sismiques à différents endroits du globe révèle ainsi une organisation interne du globe en couches concentriques de densités croissantes en fonction de la profondeur et séparées par des discontinuités majeures. Cf planche + doc 3 page 121 livre A connaitre en particulier : couches de la LO et LC, épaisseurs de la LO et LC, épaisseurs de la CO et CC, profondeur du Moho dans la LC et LO.

On distingue ainsi dans la partie superficielle du globe une lithosphère ( LO ou LC ) au dessus d’un manteau asthénosphèrique. La lithosphère a un comportement rigide alors que l’asthénosphère a dans l’ensemble un comportement ductile ( en particulier dans une zone de l’asthénosphère = LVZ située entre 120 et 250 km environ ) La limite basse de la lithosphère correspond à l’isotherme 1300°C ( limite thermique au-delà de laquelle la lithosphère perd sa rigidité pour devenir ductile ).

Par l’étude de la propagation des ondes S ( qui ne propagent pas dans les liquides ) on observe que seul le noyau externe est de composition fluide ( magma ), le reste étant à l’état solide dans son immense majorité.

III / La composition chimique des enveloppes terrestres A / Les enveloppes superficielles ( lithosphère et manteau supérieur ) Pour connaître la composition chimique de ces enveloppes on peut chercher à connaître la nature des roches qui composent ces enveloppes ( car roches = assemblage de minéraux = assemblages d’éléments chimiques ) 1/ Etude de la lithosphère continentale ( Cf TP n°9 ) Elle est composée essentiellement de roches magmatiques et métamorphiques ( mis à part une mince pellicule de roches sédimentaires à la surface )

Composition de la crôute continentale : Partie supérieure : GRANITE

C’est une roche magmatique à texture grenue ce qui implique un refroidissement lent en profondeur du magma qui lui a donné naissance. C’est une roche composée essentiellement de Quartz, de Feldspaths ( orthose le plus souvent), et de micas ( biotite ou muscovite ). C’est une roche globalement riche en Silice et en éléments alcalins ( K, Na ) et pauvre en éléments ferro-magnésiens

Composition de la crôute continentale : Partie inférieure : GNEISS

C’est une roche métamorphique provenant de la transformation d’un granite sous l’effet de l’augmentation de la Pression et de la Température. Cette roche a donc une composition minéralogique et chimique proche de celle du granite ( les différences sont dues à l’apparition de nouveaux minéraux et de la perte de certains éléments chimiques au cours du métamorphisme ).

Composition du manteau lithosphérique : PERIDOTITES

C’est une roche magmatique à texture grenue ce qui implique un refroidissement lent en profondeur du magma qui lui a donné naissance. C’est une roche composée essentiellement d’Olivines et de pyroxènes. C’est une roche globalement pauvre en Silice et en éléments alcalins ( K, Na ) et riche en éléments ferro-magnésiens

2/ Etude de la lithosphère océanique ( Cf TP n° 9 suite ) Elle est composée essentiellement de roches magmatiques ( mis à part une mince pellicule de roches sédimentaires à la surface )

Composition de la crôute océanique : Partie supérieure : BASALTE

C’est une roche magmatique à texture microlithique ce qui implique un refroidissement rapide en surface du magma qui lui a donné naissance. C’est une roche composée de : Phénocristaux : pyroxènes, plagioclase Microlites : plagioclases essentiellement Verre ( ou pâte ) : partie non cristallisée. C’est une roche globalement pauvre en Silice et en éléments alcalins ( K, Na ) et riche en éléments ferro-magnésiens

Composition de la crôute océanique : Partie inférieure : GABBRO

C’est une roche magmatique à texture grenue ce qui implique un refroidissement lent en profondeur du magma qui lui a donné naissance. C’est une roche composée essentiellement de plagioclases et de pyroxènes ( composition minéralogique donc chimique très proche du basalte ) On peut donc supposer à ce stade que c’est le même magma qui est à l’origine des basaltes et du gabbro mais que ce magma a subi des conditions de refroidissement différentes.

Composition du manteau lithosphérique : PERIDOTITES ( idem litho continentale )

Conclusion : Les roches composant la lithosphère sont essentiellement d’origine magmatique. Ce qui différencie donc le plus la lithosphère continentale et océanique est donc la composition chimique du magma qui est à l’origine des roches de la croûte.

B / Les enveloppes profondes ( manteau supérieur et noyau ) La composition chimique du manteau supérieur est sensiblement égale à celle des péridotites ramenées en surface au cours des activités volcaniques. Cette composition est attestée par les données sismiques. La composition du noyau peut être déduite de la comparaison de la composition chimique globale de la Terre ( = composition chondrites ) et de celle du manteau ( déduite des péridotites )  cf Travail en AP Il apparaît ainsi que le noyau est composé principalement de fer ( 90%) ainsi que de nickel et d’oxygène en plus faibles proportions.

Conclusion finale: La Terre est donc structurée en couches concentriques de densités croissantes avec la profondeur et séparées par des discontinuités majeures. Le globe est solide dans sa grande majorité mis à part le noyau externe qui est liquide ( magma ). Les différentes enveloppes de la Terre ne présentent pas la même composition chimique. En particulier on constate qu’il existe 2 grands types de lithosphères ( continentale et océanique ) qui ne possèdent pas les mêmes compositions chimiques au niveau de leur croutes. Ceci tend à infirmer la théorie fixiste au profit de la théorie de dérive des continents de Wegener.