Chapitre 2. Dynamique de la lithosphère. Caractérisation de la mobilité horizontale (1ère Spé SVT)

Le modèle de la tectonique des plaques suppose que la lithosphère terrestre est découpée en plaques indéformables sauf à leurs limites.
Plusieurs méthodes ont été utilisées pour comprendre la dynamique du système.

Le magnétisme terrestre, témoin du déplacement des plaques

Lorsqu'on se promène à la campagne, le meilleur moyen de ne pas se perdre, est d'utiliser une boussole dont l'aiguille indique le nord magnétique. On met ainsi en évidence le géomagnétisme. La Terre se comporte comme un gros aimant.

Nous avons vu qu'au centre du globe, il existe une zone appelée le noyau qui est riche en nickel et fer (Nifé selon la terminologie de Suess). En première approximation, on avait estimé que ce noyau était liquide. En réalité, dans les année 30, on a découvert qu'à l'intérieur du noyau, il existait une zone solide appelée noyau interne ou graine, délimité par la discontinuité de Lehman (profondeur -5100 km).

De ce fait, le noyau tourne à une vitesse différente du manteau. On est dans le cas d'un dynamo dans laquelle un aimant tourne dans une bobine, puisque le noyau est constitué de fer et le manteau contient d'autres métaux. La Terre est donc une dynamo auto-entretenue.

Certaines roches présente un magnétisme naturel. C'est le cas du basalte.

C'est la présence de cristaux d'oxyde de fer magnétique (magnétite) qui explique cette caractéristique.

Mise en évidence des phénomènes magnétiques des fonds océaniques (expérimentation analogique ExAO)

On a des courbes de ce type :

La zone axiale correspond à la zone de dorsale qu'on observe dans les océans. Au niveau du profil magnétique, on défini comme anomalie magnétique positive toute valeur supérieur à la valeur du champ magnétique terrestre qui règne au moment de la mesure (la ligne horizontale sur le profil magnétique), et comme anomalie magnétique négative toute valeur inférieure à la valeur du champ magnétique terrestre.

On peut voir qu'au niveau de la dorsale, on a une forte anomalie positive. De part et d'autre, disposées de manière symétrique, on a une succession d'anomalies positives et négatives.

Comment expliquer l'existence de ces anomalies ?

Au début du XXème siècle, le géologue français Bruhnes, remarqua que dans certaines zones volcaniques, au niveau de coulées basaltiques, la valeur du champ magnétique enregistré différait de la valeur du champ magnétique terrestre enregistré dans une zone neutre. Il en conclut que le magnétisme du basalte (du à la présence de cristaux de magnétite) s'ajoutait à la valeur du champ magnétique terrestre.

Cependant, dans certains cas, on obtenait des valeurs de champs enregistrées, inférieures au champ magnétique terrestre. Cela ne pouvait être expliqué qu'en supposant que le magnétisme du basalte était dirigé dans le sens inverse du magnétisme actuel.

L'enregistrement du champ magnétique par le basalte se fait par le phénomène appelé thermorémanence magnétique. Lorsque le magma apparaît à la surface, lors d'une éruption volcanique, sa température est d'environ 1100 °C. Certains cristaux sont fondus et d'autres pas. Chaque minéral à une température de fusion particulière.

Lorsque la température de refroidissement de la lave atteint le point de Curie, les cristaux de magnétite s'oriente selon le champ magnétique qui règne sur Terre à l'époque. Puis la magnétite conserve cette orientation.

 

L'existence d'anomalies magnétiques négatives ne peut s'expliquer alors que par l'inversion du champ magnétique terrestre à certaines périodes au cours des temps géologiques.

Lorsque la coulée de lave a enregistré un champ magnétique disposé dans le même sens que le champ actuel, on a une anomalie positive. Si le champ enregistré par le basalte correspond à une période magnétique inverse, alors l'anomalie est négative.

C'est ce que Vine et Matthews ont appelé la "peau de zèbre magnétique" lorsqu'ils ont enregistré les valeurs de magnétisme du basalte des fonds océaniques de la dorsale Juan de Fuca dans le Pacifique nord en 1963.

L'existence d'une symétrie de ces anomalies magnétiques ne peut alors s'expliquer que par l'installation en même temps du basalte de part et d'autre de la zone de dorsale. Il faut donc admettre que c'est au niveau de la dorsale que le basalte des fonds océaniques se met en place. L'hypothèse du "tapis roulant des fonds océaniques" est donc validée.

Les dernières grandes périodes d'inversion du champ magnétique portent le nom de personnages qui se sont illustrés dans le domaine du magnétisme comme Bruhnes ou Matuyama.

Chronologies des anomalies magnétiques durant le Quaternaire

C'est grâce aux anomalies magnétiques que les géologues ont pu estimer pour la première fois la vitesse de déplacement des fonds océaniques.

Cas de l'Atlantique nord

Sur la courbe des anomalies magnétiques, prenons l'anomalie n° 20. On peut constater qu'elle est située à 600 km de la dorsale.

Sur le calendrier magnétique situé en dessous, on constate que l'anomalie n° 20 est datée 45 millions d'années. Si on suppose que le fond océanique se déplace depuis la dorsale, cela signifie qu'il a fallu 45 millions d'années pour que l'anomalie n° 20 se déplace de 600 km.

Le calcul de la vitesse est donc simple : 60 000 000 cm /45 000 000 années = 1,3 cm/an.

Cette valeur correspond au déplacement d'un des deux côtés du tapis roulant. Pour calculer la vitesse d'ouverture de l'océan Atlantique il faut donc multiplier par 2, soit 2,6 cm/an.

Cas du Pacifique sud

Le même type de calcul donne une valeur de 5 cm/an pour une demi dorsale, donc 10 cm/an de vitesse d'ouverture pour le Pacifique sud.

Si on compare avec les vitesses mesurées par GPS, on constate que le valeurs calculées sont très cohérentes.

Le déplacement des fonds océaniques ne se fait pas à vitesse constante. Une zone de dorsale peut rester inerte plusieurs années puis bouger de plusieurs mètres durant des phases actives.

Mise en évidence du déplacement de la plaque Pacifique avec le point chaud de Hawaï 

Un point chaud est une zone de magmatisme intraplaque. On en connait un certain nombre, particulièrement au niveau de l'Océan Pacifique (Îles de la Société, Hawaï). Ces archipels sont constitués de guirlande d'îles disposées selon un âge croissant depuis l'île active. En ce qui concerne Hawaï, la Grande Île, marquée par l'activité incessante du Kilauea, a été formée très récemment alors que Kauaï, au nord-ouest, est datée, environ 5 millions d'années.
On considère qu'un point chaud est une anomalie thermique fixe d'origine profonde. La plaque lithosphérique se déplace au dessus.
Si on considère que le point chaud est fixe, en mesurant la distance de la Grande Île à Kauaï et en tenant compte des âges, on peut estimer facilement la vitesse de déplacement de la plaque.