Lernzettel: Les dynamiques des plaques lithosphériques

📋 Plan du Cours

1. Limites des plaques et nature des frontières
2. Planisphère des plaques lithosphériques
3. Dorsales, fosses et chaînes de montagnes
4. Déplacements passés par étude des fonds océaniques
5. Paléomagnétisme et inversions du champ terrestre
6. Anomalies magnétiques et symétrie des dorsales
7. Vitesse d’expansion océanique par datation
8. Volcanisme de point chaud et déplacement absolu
9. Mesures actuelles des plaques par GPS
10. Convergence et divergence aux limites de plaques

📖 1. Limites des plaques et nature des frontières

🔑 Notions clés & Définitions

• Fosse océanique : Structure sous-marine en creux profond, associée à une zone de subduction où une plaque plonge sous une autre.
• Dorsale atlantique : Relief sous-marin de divergence, où du nouveau plancher océanique se forme par remontée de matière mantellique.
• Plan de Benioff : Surface géométrique reliant les foyers sismiques dans une zone de subduction, montrant la plongée de la plaque.
• Asthénosphère : Couche du manteau plus ductile, située sous la lithosphère, qui permet la déformation et le mouvement des plaques.
• Lithosphère plongeante : Plaque lithosphérique qui s’enfonce dans le manteau lors d’une subduction, en créant une fosse et une sismicité en profondeur.

📝 Points essentiels

• Les frontières de plaques se repèrent par des structures géologiques comme dorsales et fosses, et par une sismicité localisée.
• Dans une subduction, la plaque plongeante forme une fosse océanique et une zone de foyers sismiques alignés en profondeur.
• Le plan de Benioff décrit la géométrie de la sismicité dans la plaque qui s’enfonce, du proche surface vers les profondeurs.
• À une dorsale, on observe un volcanisme et des foyers sismiques liés à la divergence et à la création de lithosphère océanique.
• La lithosphère se déplace au-dessus d’une asthénosphère plus déformable, ce qui facilite la mobilité horizontale des plaques.
• L’étude des fonds océaniques permet de relier l’âge des sédiments à la distance au rift : plus on s’éloigne, plus les sédiments sont anciens.

💡 Astuce mémo

Dorsale = naissance (âge jeune près du rift) ; Subduction = plongée (fosse + foyers en profondeur sur le plan de Benioff).

📖 2. Planisphère des plaques lithosphériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Distance au rift : La distance, en kilomètres, séparant un point du rift (dorsale) le long du profil étudié.
• Âge des sédiments : L’âge, exprimé en millions d’années (Ma), des sédiments déposés à une distance donnée du rift.
• Épaisseur des sédiments : La hauteur, en mètres, de la couche sédimentaire associée à une distance donnée du rift.
• Vitesse d’ouverture : La vitesse d’écartement de l’océan, déduite de la variation de l’âge en fonction de la distance au rift.
• Paléomagnétisme : La méthode qui utilise l’aimantation enregistrée dans les roches pour reconstituer le champ magnétique passé.

📝 Points essentiels

• Les données fournissent, pour chaque distance au rift, l’âge des sédiments (Ma) et l’épaisseur correspondante (m).
• Pour tracer l’âge en fonction de la distance, place les points (distance, âge) puis ajuste une courbe de tendance approximative.
• Pour calculer la vitesse d’ouverture, prends deux points sur la droite de tendance et calcule le delta distance et le delta temps.
• La vitesse obtenue doit être exprimée en cm/an à partir des deltas (distance en km convertie en cm, temps en Ma converti en an).
• L’âge maximal de l’Atlantique correspond à l’âge le plus ancien du plancher océanique affiché sur les données cartographiques (tectoglob3D).
• Il n’existe pas d’âge plus ancien car le plancher océanique se renouvelle au niveau des dorsales et est recyclé ailleurs (donc l’ancien est détruit).

💡 Astuce mémo

Distance ↑ → âge des sédiments ↑ : plus on s’éloigne du rift, plus le plancher est ancien.

📖 3. Dorsales, fosses et chaînes de montagnes

🔑 Notions clés & Définitions

• Paléomagnétisme : Branche des sciences de la Terre qui étudie le champ magnétique passé grâce aux signatures conservées dans les roches.
• Basalte : Roche volcanique issue du refroidissement d’une lave, contenant notamment des minéraux ferromagnétiques capables d’enregistrer le champ terrestre.
• Magnétite : Minéral ferromagnétique présent dans certains basaltes, dont l’aimantation peut se conserver si la roche ne dépasse pas sa température critique.
• Point de Curie : Température au-delà de laquelle l’aimantation des minéraux ferromagnétiques disparaît car leur organisation magnétique devient instable.
• Échelle des inversions magnétiques : Chronologie construite à partir de datations radiométriques qui ordonne les inversions successives du champ magnétique terrestre.

📝 Points essentiels

• Les basaltes enregistrent le champ magnétique au moment où les minéraux ferromagnétiques s’organisent pendant le refroidissement de la lave.
• L’aimantation est conservée tant que la roche reste sous la température critique du minéral concerné.
• Pour la magnétite, le point de Curie est à 576°C : au-dessus, l’organisation magnétique est effacée.
• Lors du refroidissement, l’ordre de cristallisation suit une logique de température : magma très chaud (fondus), cristallisation partielle vers 700°C, organisation des magnétites vers 576°C, puis cristallisation plus mar
• Brunhes (début du XXe siècle) met en évidence des inversions du champ terrestre en mesurant des basaltes du Massif central provenant de coulées successives.
• Les inversions se produisent sur une durée de quelques milliers d’années et sont datées grâce à des mesures radiométriques pour établir une échelle chronologique.

💡 Astuce mémo

Curie = « efface » : au-dessus de 576°C, la mémoire magnétique de la magnétite disparaît.

📖 4. Déplacements passés par étude des fonds océaniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Polarité normale : La polarité normale correspond à un sens du champ magnétique terrestre identique à celui observé aujourd’hui.
• Polarité inverse : La polarité inverse correspond à un sens du champ magnétique terrestre opposé à celui observé aujourd’hui.
• Époque normale Brunhes : L’époque normale Brunhes est une période où la polarité du champ magnétique est normale, utilisée comme repère dans l’échelle des inversions.
• Époque inverse Matuyama : L’époque inverse Matuyama est une période où la polarité du champ magnétique est inverse, servant de repère dans l’échelle des inversions.
• Anomalies magnétiques : Les anomalies magnétiques sont des zones où la mesure du champ magnétique de la croûte diffère de la valeur moyenne actuelle.

📝 Points essentiels

• L’échelle des inversions magnétiques couvre 4,5 millions d’années avec alternance d’époques normales et inverses.
• Brunhes correspond à une polarité normale autour de 0,5 (repère de l’échelle).
• Matuyama correspond à une polarité inverse autour de 1,0 (repère de l’échelle).
• Gauss correspond à une polarité normale autour de 2,0 (repère de l’échelle).
• Gilbert correspond à une polarité inverse autour de 3,5 (repère de l’échelle).
• Les anomalies positives sont des valeurs mesurées supérieures à l’intensité moyenne actuelle, et les anomalies négatives des valeurs inférieures.

💡 Astuce mémo

Polarité = sens du champ : normale (même que maintenant) vs inverse (opposé).

📖 5. Paléomagnétisme et inversions du champ terrestre

🔑 Notions clés & Définitions

• Inversions du champ terrestre : Phénomène où le champ magnétique terrestre change de polarité au cours du temps, ce qui laisse une trace dans les roches volcaniques refroidies.
• Paléomagnétisme : Ensemble des signatures magnétiques conservées dans les roches, utilisées pour reconstituer l’histoire des inversions et des mouvements associés.
• Anomalies magnétiques positives et négatives : Variations de l’aimantation enregistrées dans les basaltes qui correspondent aux périodes de polarité différentes lors du refroidissement.
• Échelle des inversions magnétiques : Référence temporelle reliant chaque épisode d’inversion à un intervalle de temps, permettant d’assigner un âge aux basaltes.
• Divergence au niveau des dorsales : Mécanisme d’écartement où deux plaques s’éloignent de part et d’autre d’une dorsale, visible dans la structure et l’âge des dépôts et des basaltes.

📝 Points essentiels

• Le paléomagnétisme des basaltes enregistre la polarité du champ au moment de leur refroidissement, ce qui permet de relier les signatures à l’échelle des inversions.
• L’organisation symétrique de part et d’autre d’une dorsale se traduit par des sédiments plus épais et plus âgés quand on s’éloigne de l’axe.
• Les anomalies positives et négatives observées dans les basaltes correspondent aux inversions successives du champ terrestre.
• La connaissance du calendrier des inversions et la mesure des distances à la dorsale permettent d’estimer la vitesse d’expansion océanique.
• Pour la dorsale pacifique : 200 km en 5 Ma donne 4 cm/an, et la vitesse totale à 51°S est 8 cm/an (multiplication par 2).
• Pour la dorsale atlantique : 50 km en 5 Ma donne 1 cm/an, et la vitesse totale à 60°N est 2 cm/an (multiplication par 2).

💡 Astuce mémo

Symétrie = âge + aimantation : plus loin de la dorsale → plus vieux, et les alternances +/− racontent les inversions.

📖 6. Anomalies magnétiques et symétrie des dorsales

🔑 Notions clés & Définitions

• Volcanisme de point chaud : Type de volcanisme localisé au sein des plaques, alimenté par une remontée de magma issue d’une fusion partielle du manteau inférieur.
• Point chaud : Zone du manteau supposée pratiquement immobile, alimentant en surface un volcanisme aligné au-dessus par le déplacement de la plaque.
• Volcanisme intra-plaque : Volcanisme qui se produit à l’intérieur d’une plaque lithosphérique, et non sur ses limites tectoniques.
• Théorie des points chauds de Morgan : Théorie reliant des alignements d’îles volcaniques à des points chauds quasi fixes, percés par une plaque en mouvement.
• Kilauea : Volcan hawaïen de type point chaud, connu pour son activité très importante et durable.

📝 Points essentiels

• Les points chauds produisent un volcanisme intra-plaque, contrairement au volcanisme typique des dorsales ou des zones de subduction.
• Un point chaud résulte d’une remontée de magma provenant d’une fusion partielle dans le manteau inférieur.
• La durée de vie d’un point chaud s’étend sur plusieurs millions d’années et il est considéré comme fixe à l’échelle du globe.
• Morgan (1970) explique des alignements d’îles par des points chauds quasi immobiles alimentant un volcanisme de surface.
• Dans un alignement, l’activité actuelle se trouve à l’extrémité sud-est de la chaîne, tandis que les volcans plus éloignés sont plus anciens.
• La plaque lithosphérique se déplaçant au-dessus d’un point chaud, elle est progressivement « perforée » et forme l’alignement volcanique.

💡 Astuce mémo

Point chaud = « fixe en profondeur » ; plaque = « glisse au-dessus » → âge augmente en s’éloignant du volcan actif.

📖 7. Vitesse d’expansion océanique par datation

🔑 Notions clés & Définitions

• Volcanisme de point chaud : Type de volcanisme intra-plaque où des remontées de magma alimentent des volcans au-dessus d’un point chaud du manteau.
• Volcanisme intra plaque : Volcanisme localisé au cœur des plaques, et non sur leurs limites, lié à une source mantellique.
• Point chaud : Zone du manteau inférieure supposée quasi immobile, alimentant à sa verticale un volcanisme de surface.
• Théorie des points chauds : Modèle expliquant des alignements d’îles volcaniques par le déplacement d’une plaque au-dessus de points chauds fixes.

📝 Points essentiels

• Les volcans de point chaud sont situés au milieu des plaques, contrairement au volcanisme typique des dorsales ou des zones de subduction.
• Un point chaud résulte d’une remontée de magma due à une fusion partielle dans le manteau inférieur.
• La durée de vie d’un point chaud s’étend sur plusieurs millions d’années, ce qui permet de le considérer comme fixe à l’échelle du globe.
• Pour les alignements d’îles d’Hawaï, l’activité actuelle se trouve à l’extrémité sud-est de la chaîne, tandis que les volcans éteints deviennent plus anciens en s’éloignant du volcanisme actuel.
• Morgan (1970) relie l’âge croissant des volcans à la perforation progressive de la plaque par un point chaud pratiquement immobile.
• En traçant l’âge des volcans en fonction de leur distance au Kilauea, on obtient une pente permettant d’estimer la vitesse moyenne de déplacement de la plaque Pacifique et sa direction.

💡 Astuce mémo

Âge ↑ quand distance au Kilauea ↑ : plaque glisse sur un point chaud quasi fixe.

📖 8. Volcanisme de point chaud et déplacement absolu

🔑 Notions clés & Définitions

• Point chaud : Un point chaud est une zone de volcanisme intra-plaque alimentée par un magma provenant du manteau inférieur.
• Point fixe : Un point fixe est un repère supposé immobile par rapport aux plaques lithosphériques, utilisé pour interpréter le volcanisme.
• Déplacement absolu : Le déplacement absolu désigne le déplacement global d’une plaque par rapport à un point fixe lié au point chaud.
• Vitesse moyenne : La vitesse moyenne est la vitesse estimée sur une durée donnée à partir de la distance parcourue et de l’âge des volcans alignés sur un point chaud.

📝 Points essentiels

• Les points chauds sont associés à un magma issu du manteau inférieur et produisent du volcanisme intra-plaque en surface.
• Les points chauds sont considérés comme fixes par rapport aux plaques lithosphériques, ce qui permet de relier âge et position des volcans au mouvement de la plaque.
• En datants les volcans et en mesurant leur distance au Kilauea, on reconstitue le sens et la vitesse de déplacement de la plaque Pacifique par rapport au point chaud.
• Le tableau des Hawaii sert à construire un graphique âge (en Ma) en fonction de la distance au Kilauea pour obtenir une relation distance–temps.
• La direction de déplacement se lit sur la carte par la flèche indiquant le sens de déplacement de la plaque Pacifique.
• La vitesse moyenne sur les 5 derniers millions d’années s’estime à partir de l’évolution distance–âge sur l’intervalle correspondant (5 Ma).

💡 Astuce mémo

Point chaud = repère immobile : âge + distance → sens et vitesse de la plaque (déplacement absolu).

📖 9. Mesures actuelles des plaques par GPS

🔑 Notions clés & Définitions

• GPS : Système de géolocalisation par satellites qui fournit en temps réel la position d’un récepteur à la surface de la Terre.
• Géopositionnement par satellite : Procédé qui détermine la latitude, la longitude et l’altitude à partir des signaux reçus de satellites.
• Géodésie spatiale : Domaine qui utilise la communication avec des satellites pour observer et mesurer des phénomènes géophysiques à distance.
• Mouvement absolu : Déplacement d’une station par rapport à un repère global, obtenu en suivant une balise fixée au sol.
• Plaques lithosphériques : Grandes portions rigides de la lithosphère qui se déplacent lentement à la surface de la Terre.

📝 Points essentiels

• Le GPS repose sur 24 satellites en orbite à environ 20 000 km d’altitude, dont au moins quatre sont visibles depuis un point donné à tout instant.
• Un récepteur au sol capte des signaux codés des satellites visibles pour calculer ses coordonnées géographiques en temps réel.
• Les GPS de mesures scientifiques atteignent une précision de l’ordre du millimètre, adaptée au suivi des déplacements des plaques.
• Les données GPS permettent d’obtenir le mouvement absolu d’une station sur la sphère terrestre en suivant une balise fixée au sol.
• En géodésie spatiale, on calcule la vitesse de déplacement à partir de la trajectoire mesurée et on peut tracer des vecteurs vitesse.
• Les résultats actuels concordent avec les indices géologiques passés et servent à repérer des zones de divergence et de convergence aux limites de plaques.

💡 Astuce mémo

4 satellites visibles → 4 inconnues (position) ; précision mm → vecteurs vitesse des plaques.

📖 10. Convergence et divergence aux limites de plaques

🔑 Notions clés & Définitions

• Plaques lithosphériques : Ensemble de grandes plaques rigides de la lithosphère qui se déplacent lentement à la surface de la Terre.
• Limites de plaques : Zones où deux plaques lithosphériques interagissent, ce qui produit des structures géologiques caractéristiques.
• Convergence : Type de limite où deux plaques se rapprochent, entraînant typiquement la formation de fosses et de chaînes de montagnes.
• Divergence : Type de limite où deux plaques s’écartent, entraînant typiquement la formation de dorsales.
• Géodésie spatiale : Méthode d’observation des mouvements terrestres utilisant la communication avec des satellites pour mesurer des déplacements.

📝 Points essentiels

• La géodésie spatiale permet d’observer les mouvements actuels des plaques en temps réel, avec une précision au millimètre près.
• Le suivi se fait en suivant le déplacement de balises fixées au sol, ce qui correspond à un mouvement absolu.
• À partir des séries temporelles de position, on calcule la vitesse de déplacement des plaques.
• Les indices géologiques passés et les mesures actuelles concordent pour localiser des zones de divergence et de convergence.
• Sur la carte mondiale, le bleu correspond aux zones de convergence (fosses et montagnes) et le vert aux zones de divergence (dorsales).
• Des séries temporelles (latitude et longitude) donnent des taux de déplacement avec une incertitude et une répétabilité (ex. repeatability 2,2 mm).

💡 Astuce mémo

Bleu = Convergence (fosses + montagnes) ; Vert = Divergence (dorsales).

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Frontières : divergence vs convergence

Polarités magnétiques et repères

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre dorsale et fosse : la dorsale correspond à la divergence (naissance du plancher), la fosse à la subduction (plongée).
2. Croire que l’âge maximal de l’océan peut être plus ancien : le plancher océanique se renouvelle aux dorsales et est recyclé ailleurs.
3. Penser que l’aimantation disparaît à n’importe quelle température : elle est effacée au-delà du point de Curie (576°C pour la magnétite).
4. Inverser le sens des anomalies : anomalies positives sont supérieures à l’intensité moyenne actuelle, négatives inférieures.
5. Oublier la symétrie : de part et d’autre d’une dorsale, l’âge et l’enregistrement magnétique deviennent plus anciens/alternés en s’éloignant de l’axe.
6. Confondre volcanisme de dorsale et point chaud : le point chaud est intra-plaque, alimenté par une remontée liée au manteau inférieur.
7. Se tromper sur la vitesse : l’expansion se calcule avec des deltas distance–temps et la vitesse totale est obtenue en multipliant par 2 (deux côtés de la dorsale).

✅ Checklist Examen

1. Identifier les limites de plaques à partir d’indices géologiques (dorsales/fosses) et de la sismicité localisée.
2. Décrire une subduction : fosse océanique + alignement de foyers sismiques en profondeur (plan de Benioff).
3. Expliquer pourquoi la lithosphère se déplace au-dessus d’une asthénosphère plus déformable.
4. À partir de données de fonds océaniques, tracer l’âge des sédiments en fonction de la distance au rift et interpréter la tendance.
5. Calculer une vitesse d’ouverture en prenant deux points sur la droite de tendance et en convertissant correctement distance (km→cm) et temps (Ma→an).
6. Donner l’âge maximal de l’Atlantique à partir des données cartographiques et justifier l’absence d’âge plus ancien (renouvellement/recyclage).
7. Expliquer le paléomagnétisme des basaltes : aimantation enregistrée pendant le refroidissement et conservée tant que la roche reste sous la température critique.
8. Relier le point de Curie (576°C) à l’effacement de la mémoire magnétique et ordonner les étapes de refroidissement (fondus → cristallisation partielle → organisation des magnétites → cristallisation).
9. Interpréter l’échelle des inversions : associer âges (0,5 ; 1,0 ; 2,0 ; 3,5 Ma) et polarités (Brunhes normale, Matuyama inverse, Gauss normale, Gilbert inverse).
10. Décrire comment les anomalies magnétiques (positives/négatives) et leur alternance permettent de valider une organisation symétrique de part et d’autre d’une dorsale.
11. Calculer la vitesse d’expansion océanique pour l’Atlantique et le Pacifique sur les 5 derniers millions d’années à partir des distances et âges donnés, puis appliquer le facteur 2.
12. Expliquer le volcanisme de point chaud : volcanisme intra-plaque, origine (fusion partielle du manteau inférieur), durée de vie (plusieurs millions d’années) et caractère fixe à l’échelle du globe.
13. Utiliser Morgan : activité actuelle à l’extrémité sud-est de la chaîne, volcans plus anciens en s’éloignant, et perforation progressive de la plaque par un point chaud immobile.
14. À partir du tableau Hawaii, construire le graphique âge vs distance au Kilauea et en déduire la direction et la vitesse moyenne de déplacement de la plaque Pacifique sur 5 Ma (relation distance–temps).