Impact humain sur les écosystèmes
Les forêts européennes sont, comme nous l'avons vu, des forêt artificielles. On distingue deux grands types de peuplement forestier :
— les futaies qui sont composées de grands arbres feuillus ou résineux
— les taillis, plus bas, qui sont constitués de rejets de grands arbres.
Une partie des forêts européennes est mixte, c'est à dire constituée de taillis et de futaies.
Une futaie
Un taillis
L'exploitation d'une forêt implique des coupes. On parle de coupe rase lorsque tous les arbres, futaie ou taillis, sont coupés. Ce type de coupe a un impacte visuel immédiat, mais aussi des impacts écologiques comme une baisse de la biodiversité et un risque d'érosion des sols.
Conséquences d'une coupe
Les forêts tropicales sont des forêts primaires. Ces forêts sont un réservoir de biodiversité immense. La plus grande menace pour ces forêts primaires est la déforestation, particulièrement à Bornéo et en Amazonie, d'autant que les pouvoirs politiques sont complices. L'élimination de la forêt entraîne la disparition d'espèces endémiques (spécifiques au lieu) dont les différents orang-outans sont l'exemple le plus célèbre. Compte tenu de la forte érosion des sols due à des pluies très abondantes (climats tropical ou équatorial), les sols dénudés s'appauvrissent très rapidement et se transforment en bad-lands ou plus aucun arbre ne peut pousser.
Evolution de la surface forestière sur le globe entre 2000 et 2015
Exemple de déforestation dans une zone tropicale
Evolution de la surface de forêts à Bornéo depuis les années 1950
Déforestation à Bornéo pour la culture du palmier à huile
L'orang-outan, une des victimes de la déforestation à Bornéo
Déforestation en Amazonie par incendies pour installer des cultures de soja.
Exploitation de gisements pétroliers en Amazonie
Effet de la déforestation sur le développement de certaines maladies
Les populations amazoniennes sont menacées par la déforestation
Caricature de Plantu
Les services écosystémiques
On appelle services écosystémiques l'ensemble des ressources gratuitement fournies par un écosystème. On les divise en trois types.
Les trois types de services écosystémiques
Les services d'approvisionnement
Ils désignent les ressources utilisées par les humains, comme le bois, la nourriture (gibiers, plantes, champignons) ou des molécules d'intérêt (pour la pharmacologie par exemple).
Les services de régulation
Un des phénomènes de régulation les plus importants provoqués par une forêt est le piégeage du CO2. En effet, une forêt consomme plus de CO2 par photosynthèse qu'elle n'en rejette par respiration. La forêt est un véritable puits de carbone.
Le rôle d'un forêt comme puits de CO2
Un autre des services de régulation est le stockage de l'eau dans les nappes et aussi la régulation des crues. La présence d'une bande forestière le long d'un cour d'eau (ripisylve) permet aussi une diminution de la pollution des nappes par les engrais les arbres jouant le rôle de pièges à engrais.
Le rôle d'un forêt dans la protection des eaux
Rôle de la forêt dans le cycle de l'eau
Rôle des arbres dans l'élimination des polluants aériens
Les services culturels
Une forêt est un lieu de détente et de jeux divers, randonnées, accrobranches, etc. Elle permet aussi de sensibiliser le public à la notion de biodiversité et surtout, à sa protection.
La gestion rationnelle des ressources exploitables
Le concept de gestion durable des forêts a été défini lors de la conférence de Rio en 1992. Elle permet de gérer rationnellement les forêts.
La sylviculture traditionnelle consiste à pratiquer des coupes permettant la régénération de la forêt. C'est le type d'exploitation qu'on observe dans la forêt des Landes créée artificiellement sous Napoléon III et constituée uniquement de pins maritimes. Il faut souligner sa grande sensibilité aux incendies du fait de l'essence choisie et du vent omniprésent.
Ce type d'exploitation est économiquement rentable mais un danger pour la biodiversité lorsqu'une coupe est effectuée.
La sylviculture écologique associe diverses essences forestières d'âges variés. Si l'exploitation en est moins facile et moins rentable, elle permet un meilleur maintient de la biodiversité et une meilleure résistance aux aléas climatiques et biologiques.
Lorsqu'un milieu naturel est affectée par une catastrophe sa résilience peut être insuffisante, et l'homme doit intervenir. On parle d'ingénierie écologique.
On peut soit réhabiliter le biotope et la biocénose d'origine en réintroduisant les espèces d'origine, soit réaffecter le lieu à un autre écosystème lorsque les dégâts ont été trop importants.
mercredi 13 mai 2020
mardi 10 mars 2020
Chapitre 3. La dynamique des zones de divergence lithosphérique (1ère Spé SVT)
Deux grands types de dorsales
Avec les calculs du chapitre précédent, nous avons vu qu'il existe deux grands types de dorsales, les dorsales lentes et les dorsales rapides. On peut considérer qu'une dorsale lente, type médio-Atlantique, correspond à une vitesse d'expansion de 4/5 cm par an. Dans le cas des dorsales rapides, type Est-Pacifique, on est plutôt à des vitesses supérieures à 10 cm par an.
Cette différence de vitesse est le signe d'une différence de fonctionnement et donc d'une différence de morphologie.
Une dorsale lente présente un rift, c'est à dire une grande vallée centrale volcanique de plusieurs kilomètres de large bordée de falaises dues à l'activité de failles normales. le dénivelé peut atteindre 2000 mètres.Une dorsale rapide est constituée d'un dôme de quelques centaines de mètres de haut. Il n'y a pas de rift.
Fonctionnement d'une faille normale (d'extension)
Les mesures thermiques au niveau des dorsales
Nous avons vu qu'il existe deux méthodes pour enregistrer les phénomènes thermiques du globe :
— calculer le flux géothermique à partir des sondages effectués
— utiliser la tomographie sismique qui permet de connaître l'état du matériau et donc d'évaluer sa température.
Les deux méthodes donnent le même résultat : un flux de chaleur important se trouve au niveau des dorsales, l'anomalie la plus importante se situant juste en dessous de la surface.
Tomographie sismique au niveau de l'Atlantique sud
Interprétation de la zone centrale de la dorsale
Afin de comprendre ce qui se passe au niveau de l'axe de la dorsale, on a effectué des mesures de sismique réflexion (cf exercice sur la profondeur du Moho) en faisant exploser de petites charges.
On constate qu'il existe une modification de la nature et de la vitesse des ondes dans une zone située au dessus du Moho. On appelle cette zone la chambre magmatique même si le magma, au sens strict, n'occupe qu'un tout petit volume en haut de cette chambre. Le reste est occupé par du matériau plus ou moins fondu partiellement.
Profil de sismique réflexion dans la dorsale est-Pacifique
Interprétation du profil
Origine de la chambre magmatique
On a vu que les dorsales étaient des zones à fort flux géothermique. Pour simplifier, il faut imaginer que la Terre fonctionne comme une gigantesque cocotte-minute. Les dorsales servent à libérer l'énergie interne de la planète. Lorsqu'on observe les isothermes à différentes profondeurs, on constate que les dorsales sont des zones d'anomalies thermiques positives.
Cette augmentation de température entraine la fusion de la péridotite mantellique qui devient moins dense et à tendance à remonter vers la surface. C'est ainsi que se forme chambre magmatique (voir TP sur la fusion de la péridotite).
Isothermes dans la zone de dorsale
Diagramme de fusion de la péridotite
Les dorsales rapides
Elles sont caractérisées par l'existence d'une chambre magmatique importante. Le basalte éjectée refroidit très rapidement sous forme de boule. On parle de basalte en coussin ou pillow-lava.
Coupe d'une dorsale rapide
Pillow-lavas dans la zone d'Hawaï
Pillow-lavas émergés sur les côtes de Californie
Les dorsales lentes
La dorsale médio-atlantique est l'exemple-type de la dorsal lente. La différence la plus importante entre les deux types est la rareté des chambres magmatiques dans les dorsales lentes. La remontée du magma étant très peu importante, la mise en place dela croûte océanique se fait surtout par intrusion magmatique
La dorsale médio-Atlantique apparait en surface au niveau de l'Islande. C'est le seul cas connu de dorsale émergée.
Dans tous les types de dorsale le dynamisme magmatique est effusif.
Coupe d'une dorsale lente
Carte géologique simplifiée de l'Islande
Rift de Thingvellir en Islande
L'hydrothermalisme et l'hydratation de la lithosphère
En 1977, une équipe américaine découvre dans les zones de dorsales, l'existence de cheminées hydrothermales qui rejettent un fluide à haute température (jusqu'à 350 °C) chargé d'éléments provenant de la croûte.
Plus étonnant, ces cheminées hydrothermales sont le siège d'une vie intense et spécifique à ces zones. Il s'agit du seul écosystème connu ne dépendant pas de l'énergie solaire mais de bactéries chimiosynthétiques.
Ces cheminées hydrothermales sont alimentées par l'eau océanique qui s'infiltre dans les fissures de la croûte et est chauffée par le magma.
Schéma d'une cheminée hydrothermale
Cheminée hydrothermale sur une dorsale
Cheminée hydrothermale
Les "oasis" des grands fonds
Riftia pachyptila, l'animal le plus caractéristique de ces zones (environ 2,5 mètres)
L'hydratation des roches
On a vu qu'une circulation d'eau s'installe très rapidement dans la croûte et dans toute la lithosphère. Cela signifie que les roches vont être hydratées. L'hydratation provoque une modification chimique des minéraux présents. Plus la lithosphère s'éloigne de la dorsale plus cette transformation est importante.
La péridotite hydratée prend le nom de serpentinite.
Le gabbro est constituée de pyroxènes et de plagioclases. Si ces derniers résistent bien à l'hydratation, les pyroxènes se transforment en amphiboles.
Les phénomènes d'hydratation de la llthosphère océanique
Echantillon de serpentinite
Lame mince de serpentinite en LPA
Echantillon de gabbro à amphiboles
Lame mince de gabbro à amphiboles en LPNA. Une auréole d'amphibole entoure le pyroxène qui s'hydrate.
Avec les calculs du chapitre précédent, nous avons vu qu'il existe deux grands types de dorsales, les dorsales lentes et les dorsales rapides. On peut considérer qu'une dorsale lente, type médio-Atlantique, correspond à une vitesse d'expansion de 4/5 cm par an. Dans le cas des dorsales rapides, type Est-Pacifique, on est plutôt à des vitesses supérieures à 10 cm par an.
Cette différence de vitesse est le signe d'une différence de fonctionnement et donc d'une différence de morphologie.
Une dorsale lente présente un rift, c'est à dire une grande vallée centrale volcanique de plusieurs kilomètres de large bordée de falaises dues à l'activité de failles normales. le dénivelé peut atteindre 2000 mètres.Une dorsale rapide est constituée d'un dôme de quelques centaines de mètres de haut. Il n'y a pas de rift.
Fonctionnement d'une faille normale (d'extension)
Les mesures thermiques au niveau des dorsales
Nous avons vu qu'il existe deux méthodes pour enregistrer les phénomènes thermiques du globe :
— calculer le flux géothermique à partir des sondages effectués
— utiliser la tomographie sismique qui permet de connaître l'état du matériau et donc d'évaluer sa température.
Les deux méthodes donnent le même résultat : un flux de chaleur important se trouve au niveau des dorsales, l'anomalie la plus importante se situant juste en dessous de la surface.
Tomographie sismique au niveau de l'Atlantique sud
Interprétation de la zone centrale de la dorsale
Afin de comprendre ce qui se passe au niveau de l'axe de la dorsale, on a effectué des mesures de sismique réflexion (cf exercice sur la profondeur du Moho) en faisant exploser de petites charges.
On constate qu'il existe une modification de la nature et de la vitesse des ondes dans une zone située au dessus du Moho. On appelle cette zone la chambre magmatique même si le magma, au sens strict, n'occupe qu'un tout petit volume en haut de cette chambre. Le reste est occupé par du matériau plus ou moins fondu partiellement.
Profil de sismique réflexion dans la dorsale est-Pacifique
Interprétation du profil
Origine de la chambre magmatique
On a vu que les dorsales étaient des zones à fort flux géothermique. Pour simplifier, il faut imaginer que la Terre fonctionne comme une gigantesque cocotte-minute. Les dorsales servent à libérer l'énergie interne de la planète. Lorsqu'on observe les isothermes à différentes profondeurs, on constate que les dorsales sont des zones d'anomalies thermiques positives.
Cette augmentation de température entraine la fusion de la péridotite mantellique qui devient moins dense et à tendance à remonter vers la surface. C'est ainsi que se forme chambre magmatique (voir TP sur la fusion de la péridotite).
Isothermes dans la zone de dorsale
Diagramme de fusion de la péridotite
Elles sont caractérisées par l'existence d'une chambre magmatique importante. Le basalte éjectée refroidit très rapidement sous forme de boule. On parle de basalte en coussin ou pillow-lava.
Coupe d'une dorsale rapide
Pillow-lavas dans la zone d'Hawaï
Pillow-lavas émergés sur les côtes de Californie
Les dorsales lentes
La dorsale médio-atlantique est l'exemple-type de la dorsal lente. La différence la plus importante entre les deux types est la rareté des chambres magmatiques dans les dorsales lentes. La remontée du magma étant très peu importante, la mise en place dela croûte océanique se fait surtout par intrusion magmatique
La dorsale médio-Atlantique apparait en surface au niveau de l'Islande. C'est le seul cas connu de dorsale émergée.
Dans tous les types de dorsale le dynamisme magmatique est effusif.
Coupe d'une dorsale lente
Carte géologique simplifiée de l'Islande
Rift de Thingvellir en Islande
L'hydrothermalisme et l'hydratation de la lithosphère
En 1977, une équipe américaine découvre dans les zones de dorsales, l'existence de cheminées hydrothermales qui rejettent un fluide à haute température (jusqu'à 350 °C) chargé d'éléments provenant de la croûte.
Plus étonnant, ces cheminées hydrothermales sont le siège d'une vie intense et spécifique à ces zones. Il s'agit du seul écosystème connu ne dépendant pas de l'énergie solaire mais de bactéries chimiosynthétiques.
Ces cheminées hydrothermales sont alimentées par l'eau océanique qui s'infiltre dans les fissures de la croûte et est chauffée par le magma.
Schéma d'une cheminée hydrothermale
Cheminée hydrothermale sur une dorsale
Cheminée hydrothermale
Les "oasis" des grands fonds
Riftia pachyptila, l'animal le plus caractéristique de ces zones (environ 2,5 mètres)
L'hydratation des roches
On a vu qu'une circulation d'eau s'installe très rapidement dans la croûte et dans toute la lithosphère. Cela signifie que les roches vont être hydratées. L'hydratation provoque une modification chimique des minéraux présents. Plus la lithosphère s'éloigne de la dorsale plus cette transformation est importante.
La péridotite hydratée prend le nom de serpentinite.
Le gabbro est constituée de pyroxènes et de plagioclases. Si ces derniers résistent bien à l'hydratation, les pyroxènes se transforment en amphiboles.
Les phénomènes d'hydratation de la llthosphère océanique
Echantillon de serpentinite
Lame mince de serpentinite en LPA
Echantillon de gabbro à amphiboles
Lame mince de gabbro à amphiboles en LPNA. Une auréole d'amphibole entoure le pyroxène qui s'hydrate.
VIdéo (chapitre 2). Mouvement des plaques lithosphériques (1ère Spé SVT)
Normalement pour le collège, mais de très bon niveau et très utile.
Exercice (chapitre 1). Reconnaître une roche (1ère Spé SVT)
A partir des différentes informations qui vous sont données, proposez un nom pour cette roche et indiquez son origine et son mode de formation.
Chapitre 4. La dynamique des zones de convergence lithosphérique (1ère Spé SVT)
Convergence et divergence lithosphérique
Le volume de la Terre étant à peu près constant, s'il y a création de lithosphère au niveau des dorsales, dans les zones de divergence lithosphérique, il y a disparition de lithosphère dans les zones de convergence. On distingue deux grands types de zone de convergence :
— les subductions, si au moins une des deux plaques est constituée de lithosphère océanique
— les collisions, si les deux plaques sont constituées de lithosphère continentale
Convergence et divergence lithosphérique
Carte du Japon
Le volcan Sakurajima au Japon
Carte des Petites Antilles
Le volcan de la Soufrière de Montserrat, à 80 km de la Guadeloupe, en activité quasi-continue depuis 1995.
Carte de l'Amérique du sud. La chaîne des Andes longeant le Pacifique, présente de nombreux volcans particulièrement dangereux. C'est une chaîne de subduction
Le volcan Tungurahua depuis Ambato en Equateur à plus de 5000 mètres. En activité continue depuis 1999 avec des accalmies et des reprises.
Le Cotopaxi en Equateur à près de 6000 mètres d'altitude. Considéré comme très dangereux,sa dernière éruption date de 2016.
Carte des Alpes. Chaîne de collision
Paysage des Alpes Autrichiennes
Les marqueurs des zones de subduction
Les zones de subduction sont caractérisées par la présence d'une forte activité magmatique (volcanisme) et d'une forte activité sismique comme le montre la carte suivante.
Nous allons travailler sur deux zones :
— la subduction des îles Tonga et Kermadec
— la subduction du Pérou
Une coupe sismique avec un logiciel (Sismolog ou Tectoglob) peut s'interpréter de la façon suivante :
On constate une répartition très particulière des séismes qu'on appelle le plan de Benioff-Wadati. C'est en effet le géologue américain Benioff qui a remarqué en 1949 la répartition très surprenante des séismes dans certaines zones du globe. En 1949, on ne connaissait pas la tectonique des plaques et on pensait que les continents avaient toujours occupé la même place. Il a fallu attendre les années 1970 pour interpréter ce plan de Benioff comme la matérialisation d'une subduction.
Coupe sismique au niveau des Tonga-Kermadec
Coupe sismique au niveau du Pérou
On peut utiliser aussi la méthode de tomographie sismique pour étudier les mêmes zones
Tomographie sismique au niveau du Pérou
Tomographie sismique au niveau des Tonga-Kermadec
Sur les tomographies sismiques, on remarque nettement qu'un matériau froid plonge dans le manteau plus chaud. Si on estime l'épaisseur de cette zone froide, on constate qu'elle fait environ 100 km. Sachant que la croûte océanique ne mesure que 10 km d'épaisseur environ, cela oblige a admettre qu'une plaque est lithosphérique et qu'elle est constituée de matériaux crustaux et mantelliques.
Ces zones de subduction sont caractéristiques des océans à marge active, caractérisés par une fosse océanique et une activité magmatique et sismique intense.
Coupe en 3D de la subduction andine au niveau du Chili qui montre les éléments caractéristiques
L'activité magmatique des zones de subduction
Les séismes les plus importants ont lieu dans les zones de subduction (Chili 1960, magnitude 9,5 ; Sumatra 2004, magnitude 9,3 ; Japon 2011, magnitude 9,1).
Les volcans les plus dangereux sont aussi dans les zones de subduction. Les volcanologues les appellent les volcans gris du fait de la couleur claire de la roche. Actuellement les volcans les plus menaçants se situent en Indonésie.
Les roches éruptives formées dans les zones de subduction
Cette couleur claire s'explique par la forte présence de silice (SiO2) dans les laves émises par ce type de volcans. Plus une lave est riche en silice et plus elle est de couleur claire et visqueuse. C'est cette viscosité élevée qui explique le dynamisme explosif des éruptions.
Caractéristiques des différentes laves
Tableau de la composition chimique des laves
Echantillon d'andésite
Lame mince d'andésite en LPA
Echantillon de rhyolite
Lame mince de rhyolite en LPA
Les roches plutoniques formées dans les zones de subduction
Nous avons vu que les roches magmatiques se divisent en roches éruptives ou volcaniques qui refroidissent rapidement à la surface et les roches plutoniques qui refroidissent lentement en profondeur et ont le temps de lentement cristalliser.
Lors de la remontée du magma, une grande partie de ce magma n'arrive pas à la surface et refroidit en profondeur. Il donne donc naissance à une roche plutonique dont la composition minéralogique est la même que la roche éruptive rapidement refroidie en surface.
On peut docn construire un tableau des séries magmatiques comme ci-dessous :
Ces roches plutoniques forment souvent des masses importantes de roches refroidies en profondeur appelées plutons. Ces plutons apparaissent en surface par érosion des roches encaissantes (qui l'entourent) plus tendres. Un des sites les plus impressionnants est le Half Dome du parc de Yosemite dans la Sierra Nevada aux USA, qui est un énorme pluton de granodiorite. La granodiorite est une roche qui fait partie du groupe des granitoïdes, assez proche du granite.
Vue du Half Dome
Vue du Half Dome
Echantillon de granodiorite
Lame mince de granodiorite en LPA
Pourquoi y a t-il du magmatisme dans les zones de subduction ?
Nous avons vu que la lithosphère s'hydrate de plus en plus au cours de son déplacement depuis la dorsale vers la subduction lorsque aa densité est suffisante (voir TP).
Au cours de ce transit, les minéraux des roches s'hydratent de plus en plus mais lorsque la lithosphère va s'enfoncer au niveau de la subduction, la pression et la température vont augmenter et par conséquence les minéraux vont, alors, se déshydrater.
Nous allons nous intéresser au gabbro. Cette roche est donc transformée et on parle alors de métamorphisme. La roche est donc un métagabbro.
On définit, en général, trois faciès (trois aspects) à ce métagabbro :
— le faciès schiste vert correspond au trajet océanique, c'est donc la face d'hydratation
— le faciès schiste bleu
— le faciès éclogitique (le métagabbro s'appelle alors l'éclogite), ces deux faciès correspondent à l'arrivée au niveau de la subduction et donc à la phase de déshydratation.
Tableau résumant le métamorphisme de subduction
Echantillon de métagabbro de faciès schiste vert
Echantillon de métagabbro de faciès schiste bleu
Lame montrant une auréole de glaucophane autour d'un pyroxène en LPNA
Echantillon d'éclogite. Les cristaux de grenat sont de couleur rouge
Lame mince d'éclogite en LPA
On peut résumer le trajet d'un métagabbro depuis la dorsale jusqu'à la subduction sur le diagramme PT suivant. la légende précise l'association des minéraux dans chaque zone.
L'étude des isothermes du globe dans une zone de subduction, montre deux anomalies thermiques :
— une anomalie négative au niveau de la fosse
— une anomalie positive à l'aplomb de la chaîne volcanique
C'est cette dernière qui explique en partie l'apparition du magma dans cette zone, mais seule, l'anomalie thermique serait insuffisante
Les isothermes au niveau d'une zone de subduction
La fusion partielle de la péridotite
Le document suivant présente le comportement de la péridotite en fonction de la pression et de la température selon qu'elle est ou non hydratée.
On constate qu'une péridotite sèche (anhydre) ne peut pas fondre dans des conditions de subduction alors qu'une péridotite hydratée le peut.
Le tableau suivant confirme cette hypothèse puisqu'on constate qu'une péridotite de zone de subduction présente plus de minéraux hydratés qu'une péridotite de dorsale.
la question qui se pose alors est la suivante : d'où provient l'eau qui hydrate la péridotite ?
Nous avons vu que lors de l'enfoncement de la plaque subduite sous la plaque chevauchante, elle se déshydratait. C'est l'eau perdue par la plaque qui va hydrater la péridotite, lui permettant de fondre partiellement et de former un magma.
Les différents types de magma
Nous avons vu qu'il existe deux grands types de subductions,les subductions océan/océan et les subductions océan/continent. La différence de ces subduction entrainent une différence dans le matériau magmatique formé.
En outre, un second phénomène explique le richesse du magma en silice dans certains cas : lorsque le magma à près de 1000 °C traverse la croûte continentale, il en fait fondre une partie qui se mélange à lui et se charge en minéraux, appelés xénocristaux (étymologiquement, cristaux étrangers). On appelle ce phénomène, la contamination crustale.
Les chaînes de collision
Contrairement à ce qui se passe dans une zone subduction, lorsque deux lithosphères continentales s'affrontent, elles ont une densité équivalente. C'est ce qui explique l'apparition de reliefs positifs parfois très importants comme dans la chaîne de la Himalaya où 14 sommets dépassent 8000 mètres.
Une vue du massif de l'Anapurna depuis le Népal
Quelques indices de l'épaississement et du raccourcissement de la croûte continentale dans les chaînes de collision
Ces affrontements crustaux se traduisent par un certain nombre d'accidents tectoniques, marqueurs d'une compression, dont nous retiendrons trois types qui peuvent avoir des ampleurs variées.
— les plis dans des roches assez plastiques (déformables) comme les roches sédimentaires,
Un pli dans les Préalpes calcaires
Une série de plis dans le Jura
— les failles inverses qui apparaissent dans des roches moins plastiques comme les roches cristallines (magmatiques)
Une faille inverse dans le massif des Corbières
Interprétation de la même faille
— les nappes de charriages qui entrainent le déplacement et la superposition anormale d'ensembles de roches de volume très important.
La nappe de charriage de Glaris (Alpes suisses) mesurent plusieurs dizaines de kilomètres
Interprétation de la nappe de charriage de Glaris
Schémas des indices de compression
Une coupe sismique dans une chaîne de collision : le programme ECORS dans les Alpes
Afin de préciser la structure de la chaîne des Alpes, un programme appelé ECORS (Etude Continentale et Océanique par réflexion et réfraction sismiques) a pu établir des coupes sismiques à travers la chaîne.
On peut constater que deux lithosphères s'affrontent, celle de la Plaque Européenne et celle de la Plaque Adriatique (en fait, une partie de la Plaque Africaine). Le Mont Cervin en Suisse est en fait une partie de la Plaque Africaine.
Le profil sismique des Alpes et son interprétation
Le Mont Cervin en Suisse, fragment de la Plaque Africaine
On peut constater sur la coupe que le Moho s'enfonce profondément dans le manteau lithosphérique.
Dans le cas de l'Himalaya, la Plaque Indienne s'enfonce tellement qu'il se crée une véritable "subduction continentale", même si le terme n'a rien à voir avec les phénomènes de subduction océanique que nous avons vu précédemment.
La "subduction continentale" sous l'Himalaya observée par tomographie sismique
Les ophiolites, fragments de lithosphère océanique transportés en milieu continental
Une chaîne de collision comme les Alpes est née de la fermeture d'un océan préexistant qu'on appelle "Océan Alpin". A la fin de la fermeture, la lithosphère océanique de ce paléo-océan s'est retrouvée prise en sandwich entre la Plaque Européenne et la Plaque Adriatique. C'est ce qui explique qu'on trouve, par exemple au col du Chenaillet, à 2600 mètres d'altitude, la succession de roches d'une lithosphère océanique, pillow-lavas, gabbros, péridotites hydratées (serpentinites). On appelle de telles structures des ophiolites.
La série ophiolitique du Chenaillet à côté de Briançon
Les pillow-lavas du Chenaillet
Comparaison entre une ophiolite et une lithosphère océanique
Le volume de la Terre étant à peu près constant, s'il y a création de lithosphère au niveau des dorsales, dans les zones de divergence lithosphérique, il y a disparition de lithosphère dans les zones de convergence. On distingue deux grands types de zone de convergence :
— les subductions, si au moins une des deux plaques est constituée de lithosphère océanique
— les collisions, si les deux plaques sont constituées de lithosphère continentale
Convergence et divergence lithosphérique
Carte du Japon
Le volcan Sakurajima au Japon
Carte des Petites Antilles
Le volcan de la Soufrière de Montserrat, à 80 km de la Guadeloupe, en activité quasi-continue depuis 1995.
Carte de l'Amérique du sud. La chaîne des Andes longeant le Pacifique, présente de nombreux volcans particulièrement dangereux. C'est une chaîne de subduction
Le volcan Tungurahua depuis Ambato en Equateur à plus de 5000 mètres. En activité continue depuis 1999 avec des accalmies et des reprises.
Le Cotopaxi en Equateur à près de 6000 mètres d'altitude. Considéré comme très dangereux,sa dernière éruption date de 2016.
Carte des Alpes. Chaîne de collision
Paysage des Alpes Autrichiennes
Les marqueurs des zones de subduction
Les zones de subduction sont caractérisées par la présence d'une forte activité magmatique (volcanisme) et d'une forte activité sismique comme le montre la carte suivante.
Nous allons travailler sur deux zones :
— la subduction des îles Tonga et Kermadec
— la subduction du Pérou
Une coupe sismique avec un logiciel (Sismolog ou Tectoglob) peut s'interpréter de la façon suivante :
On constate une répartition très particulière des séismes qu'on appelle le plan de Benioff-Wadati. C'est en effet le géologue américain Benioff qui a remarqué en 1949 la répartition très surprenante des séismes dans certaines zones du globe. En 1949, on ne connaissait pas la tectonique des plaques et on pensait que les continents avaient toujours occupé la même place. Il a fallu attendre les années 1970 pour interpréter ce plan de Benioff comme la matérialisation d'une subduction.
Coupe sismique au niveau des Tonga-Kermadec
Coupe sismique au niveau du Pérou
On peut utiliser aussi la méthode de tomographie sismique pour étudier les mêmes zones
Tomographie sismique au niveau du Pérou
Tomographie sismique au niveau des Tonga-Kermadec
Sur les tomographies sismiques, on remarque nettement qu'un matériau froid plonge dans le manteau plus chaud. Si on estime l'épaisseur de cette zone froide, on constate qu'elle fait environ 100 km. Sachant que la croûte océanique ne mesure que 10 km d'épaisseur environ, cela oblige a admettre qu'une plaque est lithosphérique et qu'elle est constituée de matériaux crustaux et mantelliques.
Ces zones de subduction sont caractéristiques des océans à marge active, caractérisés par une fosse océanique et une activité magmatique et sismique intense.
Coupe en 3D de la subduction andine au niveau du Chili qui montre les éléments caractéristiques
L'activité magmatique des zones de subduction
Les séismes les plus importants ont lieu dans les zones de subduction (Chili 1960, magnitude 9,5 ; Sumatra 2004, magnitude 9,3 ; Japon 2011, magnitude 9,1).
Les volcans les plus dangereux sont aussi dans les zones de subduction. Les volcanologues les appellent les volcans gris du fait de la couleur claire de la roche. Actuellement les volcans les plus menaçants se situent en Indonésie.
Les roches éruptives formées dans les zones de subduction
Cette couleur claire s'explique par la forte présence de silice (SiO2) dans les laves émises par ce type de volcans. Plus une lave est riche en silice et plus elle est de couleur claire et visqueuse. C'est cette viscosité élevée qui explique le dynamisme explosif des éruptions.
Caractéristiques des différentes laves
Tableau de la composition chimique des laves
Echantillon d'andésite
Lame mince d'andésite en LPA
Echantillon de rhyolite
Lame mince de rhyolite en LPA
Les roches plutoniques formées dans les zones de subduction
Nous avons vu que les roches magmatiques se divisent en roches éruptives ou volcaniques qui refroidissent rapidement à la surface et les roches plutoniques qui refroidissent lentement en profondeur et ont le temps de lentement cristalliser.
Lors de la remontée du magma, une grande partie de ce magma n'arrive pas à la surface et refroidit en profondeur. Il donne donc naissance à une roche plutonique dont la composition minéralogique est la même que la roche éruptive rapidement refroidie en surface.
On peut docn construire un tableau des séries magmatiques comme ci-dessous :
Ces roches plutoniques forment souvent des masses importantes de roches refroidies en profondeur appelées plutons. Ces plutons apparaissent en surface par érosion des roches encaissantes (qui l'entourent) plus tendres. Un des sites les plus impressionnants est le Half Dome du parc de Yosemite dans la Sierra Nevada aux USA, qui est un énorme pluton de granodiorite. La granodiorite est une roche qui fait partie du groupe des granitoïdes, assez proche du granite.
Vue du Half Dome
Vue du Half Dome
Echantillon de granodiorite
Lame mince de granodiorite en LPA
Pourquoi y a t-il du magmatisme dans les zones de subduction ?
Nous avons vu que la lithosphère s'hydrate de plus en plus au cours de son déplacement depuis la dorsale vers la subduction lorsque aa densité est suffisante (voir TP).
Au cours de ce transit, les minéraux des roches s'hydratent de plus en plus mais lorsque la lithosphère va s'enfoncer au niveau de la subduction, la pression et la température vont augmenter et par conséquence les minéraux vont, alors, se déshydrater.
Nous allons nous intéresser au gabbro. Cette roche est donc transformée et on parle alors de métamorphisme. La roche est donc un métagabbro.
On définit, en général, trois faciès (trois aspects) à ce métagabbro :
— le faciès schiste vert correspond au trajet océanique, c'est donc la face d'hydratation
— le faciès schiste bleu
— le faciès éclogitique (le métagabbro s'appelle alors l'éclogite), ces deux faciès correspondent à l'arrivée au niveau de la subduction et donc à la phase de déshydratation.
Tableau résumant le métamorphisme de subduction
Echantillon de métagabbro de faciès schiste vert
Lame montrant une auréole de glaucophane autour d'un pyroxène en LPNA
Echantillon d'éclogite. Les cristaux de grenat sont de couleur rouge
On peut résumer le trajet d'un métagabbro depuis la dorsale jusqu'à la subduction sur le diagramme PT suivant. la légende précise l'association des minéraux dans chaque zone.
L'étude des isothermes du globe dans une zone de subduction, montre deux anomalies thermiques :
— une anomalie négative au niveau de la fosse
— une anomalie positive à l'aplomb de la chaîne volcanique
C'est cette dernière qui explique en partie l'apparition du magma dans cette zone, mais seule, l'anomalie thermique serait insuffisante
Les isothermes au niveau d'une zone de subduction
La fusion partielle de la péridotite
Le document suivant présente le comportement de la péridotite en fonction de la pression et de la température selon qu'elle est ou non hydratée.
On constate qu'une péridotite sèche (anhydre) ne peut pas fondre dans des conditions de subduction alors qu'une péridotite hydratée le peut.
Le tableau suivant confirme cette hypothèse puisqu'on constate qu'une péridotite de zone de subduction présente plus de minéraux hydratés qu'une péridotite de dorsale.
la question qui se pose alors est la suivante : d'où provient l'eau qui hydrate la péridotite ?
Nous avons vu que lors de l'enfoncement de la plaque subduite sous la plaque chevauchante, elle se déshydratait. C'est l'eau perdue par la plaque qui va hydrater la péridotite, lui permettant de fondre partiellement et de former un magma.
Les différents types de magma
Nous avons vu qu'il existe deux grands types de subductions,les subductions océan/océan et les subductions océan/continent. La différence de ces subduction entrainent une différence dans le matériau magmatique formé.
En outre, un second phénomène explique le richesse du magma en silice dans certains cas : lorsque le magma à près de 1000 °C traverse la croûte continentale, il en fait fondre une partie qui se mélange à lui et se charge en minéraux, appelés xénocristaux (étymologiquement, cristaux étrangers). On appelle ce phénomène, la contamination crustale.
Les chaînes de collision
Contrairement à ce qui se passe dans une zone subduction, lorsque deux lithosphères continentales s'affrontent, elles ont une densité équivalente. C'est ce qui explique l'apparition de reliefs positifs parfois très importants comme dans la chaîne de la Himalaya où 14 sommets dépassent 8000 mètres.
Une vue du massif de l'Anapurna depuis le Népal
Quelques indices de l'épaississement et du raccourcissement de la croûte continentale dans les chaînes de collision
Ces affrontements crustaux se traduisent par un certain nombre d'accidents tectoniques, marqueurs d'une compression, dont nous retiendrons trois types qui peuvent avoir des ampleurs variées.
— les plis dans des roches assez plastiques (déformables) comme les roches sédimentaires,
Un pli dans les Préalpes calcaires
Une série de plis dans le Jura
— les failles inverses qui apparaissent dans des roches moins plastiques comme les roches cristallines (magmatiques)
Une faille inverse dans le massif des Corbières
Interprétation de la même faille
— les nappes de charriages qui entrainent le déplacement et la superposition anormale d'ensembles de roches de volume très important.
La nappe de charriage de Glaris (Alpes suisses) mesurent plusieurs dizaines de kilomètres
Interprétation de la nappe de charriage de Glaris
Schémas des indices de compression
Une coupe sismique dans une chaîne de collision : le programme ECORS dans les Alpes
Afin de préciser la structure de la chaîne des Alpes, un programme appelé ECORS (Etude Continentale et Océanique par réflexion et réfraction sismiques) a pu établir des coupes sismiques à travers la chaîne.
On peut constater que deux lithosphères s'affrontent, celle de la Plaque Européenne et celle de la Plaque Adriatique (en fait, une partie de la Plaque Africaine). Le Mont Cervin en Suisse est en fait une partie de la Plaque Africaine.
Le profil sismique des Alpes et son interprétation
On peut constater sur la coupe que le Moho s'enfonce profondément dans le manteau lithosphérique.
Dans le cas de l'Himalaya, la Plaque Indienne s'enfonce tellement qu'il se crée une véritable "subduction continentale", même si le terme n'a rien à voir avec les phénomènes de subduction océanique que nous avons vu précédemment.
La "subduction continentale" sous l'Himalaya observée par tomographie sismique
Les ophiolites, fragments de lithosphère océanique transportés en milieu continental
Une chaîne de collision comme les Alpes est née de la fermeture d'un océan préexistant qu'on appelle "Océan Alpin". A la fin de la fermeture, la lithosphère océanique de ce paléo-océan s'est retrouvée prise en sandwich entre la Plaque Européenne et la Plaque Adriatique. C'est ce qui explique qu'on trouve, par exemple au col du Chenaillet, à 2600 mètres d'altitude, la succession de roches d'une lithosphère océanique, pillow-lavas, gabbros, péridotites hydratées (serpentinites). On appelle de telles structures des ophiolites.
La série ophiolitique du Chenaillet à côté de Briançon
Les pillow-lavas du Chenaillet
Comparaison entre une ophiolite et une lithosphère océanique
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