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Les zones de subduction entre les plaques lithosphériques

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Introduction :

Lorsque deux plaques convergent, c’est-à-dire qu’elles se rapprochent, l’une d’entre elles peut passer sous l’autre : c’est ce que l’on appelle la subduction.

Il existe deux types de subductions : la lithosphère océanique passant sous la lithosphère continentale, ou la lithosphère océanique passant sous une autre lithosphère océanique.

Dans un premier temps, nous verrons les preuves qui démontrent la présence d’une zone de subduction, puis nous verrons pourquoi ces zones présentent une activité volcanique si particulière. Enfin, nous porterons notre attention sur les mécanismes à l’origine de cette convergence lithosphérique.

Les preuves de la subduction

Qu’elles soient de type océan-océan ou océan-continent, les subductions présentent des caractéristiques quasi identiques.

Nous allons d’abord porter notre attention sur la subduction de type océan-continent avec l’exemple de la plaque Nazca qui plonge sous la plaque sud-américaine.

Img01 : Carte de la zone de subduction pacifique-est

La topographie (étude des reliefs)

Les zones de subduction présentent deux caractéristiques topographiques typiques :

  • une fosse qui peut atteindre plusieurs kilomètres de profondeur sur plusieurs milliers de kilomètres ;
  • une chaîne de montagnes étroites, alignée le long de la fosse.

Img02 : Coupe topologique réalisée dans la zone de subduction

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Exemple

Entre la plaque Nazca et la plaque sud-américaine, on trouve la fosse d’Atacama (ou fosse Pérou-Chili), qui court tout le long de la côte ouest de l’Amérique du Sud.
La Cordillère des Andes est la chaîne de montagne alignée à la fosse.

Sismicité

Grâce aux sismomètres (machines qui permettent de mesurer les séismes), les hypocentres des séismes des zones de subduction ont été étudiés.

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Définition

Hypocentre (ou foyer sismique) :

On appelle hypocentre la zone précise, située en profondeur, d’où partent les ondes sismiques d’un tremblement de terre.

Img03 : Coupe montrant la localisation des hypocentres dans une zone de subduction

Le schéma montre que les hypocentres sont alignés selon un plan, que l’on appelle le plan de Wadati-Benioff.

  • Ce plan est la preuve que la plaque océanique (plaque Nazca) s’enfonce sous la plaque continentale (plaque sud-américaine), ce qui génère les frottements, c’est-à-dire l’activité sismique.

Les anomalies thermiques

La valeur moyenne du gradient géothermique est de 33°C33\degree\text{C} par kilomètre. En d’autres termes, à une profondeur de 50 km50\ \text{km}, on attend une température théorique de 1650°C1650\degree\text{C}.

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Définition

Gradient géothermique :

Le gradient géothermique montre l’augmentation de la température des roches en fonction de la profondeur.

Img04 : Coupe montrant le flux thermique d’une zone de subduction

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Définition

Isotherme :

Une isotherme ou ligne isotherme est une ligne qui relie les points de même température.

Dans l’ouest de la plaque Nazca, la température est de 1200°C1200\degree\text{C} à 50 km50\ \text{km} de profondeur : il y fait donc anormalement froid (température attendue : 1650°C1650\degree\text{C}). Les isothermes s’enfoncent dans les zones de subduction, coïncidant avec le plan de Wadati-Benioff. Cette anomalie de température s’explique par la subduction de la plaque océanique qui a été refroidie depuis sa formation au niveau de l’axe de dorsale.

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À retenir

Une subduction est donc un enfouissement d’une lithosphère océanique froide selon un angle particulier le long du plan de Wadati-Benioff. Ce mouvement est à l’origine d’une structure géologique particulière : la fosse.

Volcanisme des zones de subduction

La formation du magma

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Définition

Magma :

Le magma est de la péridotite (roche du manteau) dans un état partiellement fondu (liquide + solide). La production de magma va dépendre de la température et de la pression (qui elle dépend de la profondeur).

En laboratoire, de la péridotite est soumise à des températures et des pressions croissantes.

Img05 : Graphique montrant les états de la péridotite

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Rappel

Le géotherme est une courbe qui représente l’augmentation de la température et fonction de la profondeur.

Sur ce graphique, le liquidus sépare la péridotite liquide du magma (zone de fusion partielle). De même, le solidus sépare la péridotite solide du magma.

  • Ainsi la production de magma dans les zones de subduction semble impossible car le géotherme ne croise pas le solidus.

Mais lorsque l’on analyse la péridotite des zones de subduction, on constate que sa composition chimique est particulière : elle est riche en eau.

Ainsi, de la péridotite hydratée est soumise en laboratoire à des températures et des pressions croissantes.

Img06 : Graphique montrant les états de la péridotite hydratée

  • Dans le cas de la péridotite hydratée, le géotherme croise le solidus, ce qui permet la production du magma en conditions réelles de subduction.

Importance du métamorphisme

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Définition

Métamorphisme :

Le métamorphisme est un ensemble de transformations subies par une roche sous l’effet d’une variation de pression et/ou de température.

Nous savons que le gabbro (riche en minéraux de type plagioclase et en pyroxène) est métamorphisé en métagabbro (riche en amphiboles). Ce métamorphisme est accompagné d’une hydratation.

Lors de la subduction, le métagabbro continue d’être métamorphisé, car son enfouissement provoque une augmentation de pression. Ce phénomène provoque le remplacement des amphiboles par la jadéite, typique d’une nouvelle roche : l’éclogite. La formation de l’éclogite s’accompagne d’une déshydratation.

Img07 : Schéma montrant l’importance de l'eau lors du métamorphisme

L’eau libérée lors de ce métamorphisme est récupérée par la péridotite, ce qui lui permet d’entrer plus facilement en fusion partielle.

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À retenir

Les zones de subduction étant anormalement froides, la production du magma n’est possible que parce que la péridotite est hydratée. Cette eau est le résultat du métamorphisme.

La libération de la lave

L’activité volcanique des zones de subduction est de type explosif. Ce type de volcan libère sa lave de manière violente lors de phases éruptives majeures. Ainsi, on retrouve dans la Cordillère des Andes, de nombreux volcans à la dangerosité particulière.

La roche typique des zones de subduction est l’andésite. Cette roche est partiellement cristallisée car son refroidissement a été très rapide (libération explosive).

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Définition

Viscosité :

La viscosité désigne la capacité qu’a un fluide à s’opposer à son écoulement.

L’andésite est issue d’un magma tellement visqueux que sa remontée en surface est difficile. Comme ce magma remonte très lentement, les gaz s’accumulent. Lorsque la pression est trop grande, les roches partiellement fondues se retrouvent en surface très rapidement.

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À retenir

Le volcanisme explosif, typique des zones de subduction, est lié la viscosité du magma.

Les moteurs de la subduction

Quelles sont les forces qui entretiennent le phénomène de subduction ?

La densité

Au fur et à mesure que l’on s’éloigne de l’axe de la dorsale, la lithosphère océanique voit sa densité augmenter, par son refroidissement et l’accumulation de sédiments. Dans les zones de subduction, la densité de la lithosphère océanique devient supérieure à celle de l’asthénosphère, ce qui provoque son plongement.

  • Ce plongement exerce une force de traction sur toute la plaque : cette force est le principal moteur de la subduction.

La convection mantellique

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Définition

Convection :

La convection désigne un transfert de chaleur par mouvements d’enveloppes.
Par exemple, lorsqu’on un allume un radiateur, l’air chaud va entrer en convection, c’est-à-dire qu’il va remonter et en contrepartie, l’air frais va redescendre.

Lorsque la lithosphère océanique s’enfonce dans l’asthénosphère, elle provoque une force descendante qui est à l’origine d’une force ascendante : le manteau étant formé de roches en fusion, celles-ci vont se déplacer par convection.

Ces mouvements mantelliques ascendant et descendant entretiennent la tectonique des plaques et, donc, la subduction.

Img09 : Schéma montrant les moteurs de la subduction

Conclusion :

La subduction est à l’origine du recyclage de la lithosphère océanique : lorsqu’elle devient plus âgée, sa densité augmente, ce qui provoque son enfoncement dans l’asthénosphère. L’enfouissement de cette lithosphère provoque une convection mantellique qui participe à cette dynamique.

Le volcanisme des zones de subduction est particulier, car la formation du magma est directement liée au mouvement de subduction. Ainsi, le magma produit étant visqueux, il provoque un volcanisme explosif.