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Le modèle actuel de la tectonique des plaques

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Introduction :

À la fin des années 1970, le modèle de la dérive des continents proposé par Wegener est admis par la communauté scientifique. Les données recueillies les années suivantes vont dans le sens d’une expansion océanique qui a pour moteur le phénomène de convection mantellique. Les recherches permettent également de mettre en évidence le fonctionnement d’une dorsale océanique et le phénomène de subduction.

Ce cours permettra de voir comment le modèle a été développé et détaillé grâce à l’apport des nouvelles technologies. Une partie montrera en quoi consiste le modèle de la tectonique des plaques, et s’intéressera ensuite aux données GPS qui confirment le modèle. Ensuite, le cycle de la lithosphère océanique sera étudié.

Le modèle de la tectonique des plaques

Les photos réalisées grâce à l’utilisation de submersibles permettent de faire apparaître la présence de failles perpendiculaires à l’axe des dorsales. Ces failles sont appelées failles transformantes et ont la particularité de décaler l’axe de la dorsale. On les retrouve d’ailleurs au niveau de toutes les dorsales du globe et on peut alors se demander quel est le mécanisme qui entraîne l’apparition de telles failles.

Failles transformantes le long d’une dorsale

Le phénomène a pour origine la forme sphérique de la Terre. Prenons en exemple une plaque. Sa vitesse linéaire est constante. En effet, elle est corrélée à la vitesse de fabrication de la croûte océanique par les dorsales. Cependant, il faut ajouter à cette plaque une vitesse dite angulaire, car la Terre n’est pas plate. Cette vitesse angulaire va dépendre de la distance de la plaque à l’un des deux pôles eulériens de la Terre.

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Définition

Pôle eulérien terrestre :

Point à la surface de la Terre par lequel passe son axe de rotation.

Plus une plaque va être proche de ces points, plus sa vitesse angulaire va être faible. Or, la vitesse globale de la plaque dépend en même temps de sa vitesse linaire et de sa vitesse angulaire. En effet, les différentes régions de cette plaque qui n’ont pas la même distance au pôle eulérien n’auront pas la même vitesse globale de déplacement. La lithosphère océanique ne pouvant pas se déformer, il y a fracture : ce sont les failles transformantes.

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Définition

Faille transformante :

Une faille transformante est une fracture qui décale l’axe des dorsales. Un secteur de la faille est marqué par une activité sismique liée à des mouvements décrochants.

Schéma représentatif d’une faille transformante

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À retenir

Les zones de volcanisme se situent essentiellement au niveau des dorsales et des zones de subduction.

Cependant, on retrouve des alignements de volcans au milieu de plaques. Comment expliquer ces observations ? Une interprétation a été proposée par J. Morgan en 1971, qui permet d’étayer le modèle de la tectonique des plaques.

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Définition

Point chaud :
Un point chaud est une zone de remontée de magma profond. Le point chaud est fixe au cours des temps géologiques, et permet donc de servir de référent.

La présence d’anciens volcans en ligne à l’intérieur des plaques montre que la plaque s’est déplacée. En effet, comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous, au temps t1, le point chaud provoque la création d’un volcan qui est actif tant qu’il se situe au dessus de ce point chaud. Au temps t2, la plaque s’est déplacée, le premier volcan devient inactif et un nouveau volcan est créé. L’observation de la répartition des volcans sur les plaques renseigne sur la direction des mouvements de ces dernières.

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À retenir

On peut donc dire qu’un point chaud est une zone volcanique localisée à l’origine des alignements de volcans observés à l’intérieur des plaques.

Ces données permettent de calculer la vitesse de déplacement des plaques. On peut ainsi comparer les données avec celles observées grâce au paléomagnétisme.

Point chaud et déplacement des plaques

En 1968, un important programme de forage des fonds océaniques est entrepris. C’est le programme JOIDES. Il a pour but de déterminer l’âge des sédiments et de mettre en corrélation des données obtenues avec celles du paléomagnétisme. Les résultats sont cohérents : plus on s’éloigne de la dorsale, plus les sédiments sont âgés. Ils confirment alors les données déjà obtenues grâce au paléomagnétisme.

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À retenir

L’ordre de grandeur du déplacement des plaques est de quelques centimètres par an.

On connaît alors trois types de déplacements différents des plaques :

  • Au niveau des dorsales, la croûte océanique se forme et s’éloigne des dorsales par un mouvement divergent. Ce déplacement est de l’ordre de 2 à 10 centimètres par an ;
  • Au niveau des fosses océaniques, la lithosphère océanique plonge dans l’asthénosphère et disparaît en un mouvement convergent ;
  • Au niveau des failles transformantes, les plaques coulissent entre elles en un mouvement décrochant.
  • C’est le modèle de la tectonique des plaques.

Les structures géologiques observées au niveau des dorsales et des fosses océaniques permettent de corroborer le modèle de la tectonique des plaques. En effet, les dorsales présentent des failles normales qui attestent d’un mouvement divergent. Alors qu’au niveau des fosses océaniques, on retrouve des failles inverses qui attestent d’un mouvement convergent.

En 1968, Xavier Le Pichon est le premier à proposer un modèle précis des plaques à la surface du globe. Il propose alors un modèle à six plaques. Les modèles vont se complexifier avec le temps jusqu’à aboutir au modèle actuel élaboré en 1990. Il est appelé NUVEL-1 et comporte douze plaques de tailles variables :

NUVEL-1 : Modèle des plaques à travers le monde

La confirmation du modèle par les données GPS

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Définition

GPS :

Il s’agit de l’abréviation pour Global Positioning System. C’est une technique fondée sur l’utilisation de satellites qui permettent de positionner au millimètre près un point à la surface de la Terre.

Le GPS va mesurer la distance $d$ entre un satellite qui a une position connue et un GPS situé sur la Terre. Cette station se trouve quelque part sur la sphère qui a pour centre le satellite et pour rayon la distance $d$. Si on utilise 4 satellites, les 4 sphères respectives des 4 satellites vont se recouper en un point unique qui identifie la position de l’antenne GPS en question. On parle de triangulation.

Avec cette technologie, la vitesse de déplacement des plaques ainsi que leurs directions sont directement observables et quantifiables. On peut en tirer des cartes des déplacements des stations géodésiques réparties à la surface de la Terre.

Déplacements des stations géodésiques réparties à la surface de la terre.

Ces données confirment celles proposées grâce au paléomagnétisme, aux points chauds et aux données sédimentaires.

Le cycle de la lithosphère océanique

Il est maintenant admis que la lithosphère océanique connaît un cycle qui commence au niveau des dorsales et se termine au niveau des fosses océaniques.

Le schéma ci-dessous illustre le fonctionnement détaillé d’une dorsale. Pour rappel, une dorsale est comme une « montagne » sous-marine. Si on conserve cette image, on peut dire que c’est à son sommet que le plancher océanique est créé. Pour cela, il y a une remontée de l’asthénosphère. Avec cette remontée, et comme l’isotherme 1300 °C est proche de la surface à cet endroit précis, les péridotites du manteau vont entrer en fusion partielle. Cela entraîne la formation d’un magma à l’origine de la création du plancher océanique. Une partie du magma va refroidir en profondeur et former des gabbros. L’autre partie va refroidir rapidement au contact de l’eau de l’océan et former du basalte. Ainsi, la croûte océanique est formée en permanence au niveau des dorsales océaniques.

Fonctionnement détaillé d’une dorsale

Le plancher océanique ainsi formé va se déplacer en direction des fosses océaniques. Les données océanographiques montrent que plus on s’éloigne des dorsales et on se rapproche des fosses océaniques, plus la croûte océanique est âgée. De plus, on ne trouve pas de croûte océanique âgée de plus de 200 millions d’années alors que les plus vieilles roches de la croûte continentale connues sont âgées de 4 milliards d’années.

Aujourd’hui, la tomographie sismique, qui repose sur la vitesse de propagation des ondes, montre clairement qu’une plaque de matériaux froids plonge dans l’asthénosphère océanique au niveau des fosses océaniques.

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À retenir

Il y a bien recyclage de la lithosphère océanique dans les zones dites de subduction.

Recyclage de la lithosphère océanique dans les zones de subduction

Conclusion :

L’étude des failles transformantes a permis de confirmer la théorie de l’expansion des océans et les données montrent que la lithosphère océanique est de nature solide. De plus, l’étude des points chauds permet de définir le déplacement des plaques en fonction d’un référentiel fixe.
Les techniques utilisant des satellites GPS permettent de confirmer et d’affiner le modèle en suivant en temps réel le déplacement des plaques.
Il est maintenant admis que la lithosphère océanique connaît un cycle qui commence au niveau des dorsales et qui se termine au niveau des fosses océaniques où se situent des zones de subduction.