Lernzettel: Mécanismes et marqueurs de la subduction

📋 Plan du Cours

1. Disparition de la lithosphère océanique en subduction
2. Marqueurs morphologiques des zones de subduction
3. Marqueurs sismiques et plan de Wadati-Benioff
4. Anomalies de flux thermique dans les zones de subduction
5. Volcanisme explosif et roches volcaniques des arcs
6. Roches plutoniques riches en silice et croissance crustale
7. Hydratation, fusion partielle et origine du magma
8. Moteur de la subduction et convection mantellique

📖 1. Disparition de la lithosphère océanique en subduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Lithosphère océanique : La lithosphère océanique est la partie rigide de la Terre qui forme la croûte océanique et plonge ensuite dans l’asthénosphère lors de la subduction.
• Asthénosphère : L’asthénosphère est la couche plus chaude et ductile située sous la lithosphère, dans laquelle la lithosphère froide peut s’enfoncer.
• Marge passive : Une marge passive est un bord de continent sans convergence active, mais elle peut devenir une marge active si la tectonique change.
• Subduction : La subduction est le processus où une plaque lithosphérique plonge obliquement sous une autre plaque, océanique ou continentale.
• Lithosphère continentale : La lithosphère continentale est la partie rigide qui porte les continents et peut chevaucher une lithosphère océanique en subduction.

📝 Points essentiels

• Les roches de la croûte océanique ne dépassent pas environ 200 millions d’années, contrairement à des roches continentales pouvant dépasser 4 milliards d’années.
• La disparition de la lithosphère océanique s’explique par sa subduction au niveau des zones de convergence.
• La lithosphère océanique peut commencer à plonger dans l’asthénosphère à partir de 20 millions d’années si des forces de convergence s’exercent.
• La subduction peut concerner une lithosphère océanique sous une lithosphère continentale (exemple : Andes/Chili).
• La subduction peut aussi se produire entre deux lithosphères océaniques (exemple : arc des Mariannes).
• Une marge passive bordant l’Atlantique n’est pas en convergence active, mais une marge passive peut devenir active.

💡 Astuce mémo

Âge CO court car LO disparaît : « océan jeune, continent vieux ».

📖 2. Marqueurs morphologiques des zones de subduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Fosse océanique : Une fosse océanique est un relief négatif profond et étroit qui marque la limite de plaques dans une zone de subduction.
• Prisme d’accrétion : Un prisme d’accrétion est un ensemble de sédiments fortement déformés et hydratés qui s’accumulent au niveau du contact des plaques.
• Sédiments d’accrétion : Les sédiments d’accrétion sont des matériaux issus de l’érosion et de la plaque plongeante qui s’accumulent car ils sont trop légers pour être subduits.
• Arc volcanique : Un arc volcanique est un alignement de reliefs volcaniques formé au-dessus d’une subduction océan/océan.
• Cordillère : Une cordillère est une chaîne de reliefs formée quand la subduction se fait sous un continent, avec déformations tectoniques intenses.

📝 Points essentiels

• La subduction produit des marqueurs morphologiques de part et d’autre de la limite des plaques.
• Les reliefs négatifs incluent une fosse océanique profonde et étroite qui suit la limite de plaques.
• La fosse des Mariannes atteint environ -10 971 m dans le cours.
• Les reliefs positifs peuvent inclure une fosse partiellement comblée par des sédiments trop légers pour être subduits.
• Les sédiments forment un prisme d’accrétion : ils sont fortement déformés et hydratés.
• En subduction océan/océan, on observe un arc volcanique (arc des Mariannes) ; en subduction sous un continent, on observe une cordillère (Andes).

💡 Astuce mémo

Fosse = creux ; prisme = « sédiments collés » ; Andes/Mariannes = type de subduction.

📖 3. Marqueurs sismiques et plan de Wadati-Benioff

🔑 Notions clés & Définitions

• Foyers des séismes : Les foyers des séismes sont les points en profondeur où se produit la rupture, et ils dessinent la géométrie de la subduction.
• Plan de Wadati-Benioff : Le plan de Wadati-Benioff est la surface inclinée qui limite le toit de la lithosphère subduite et guide la répartition des séismes.
• Tomographie sismique : La tomographie sismique est une méthode qui utilise les ondes pour repérer des anomalies thermiques et visualiser la lithosphère plongeante.
• Lithosphère froide et rigide : La lithosphère froide et rigide est la partie subduite qui se comporte de façon cassante et génère des séismes en profondeur.
• Asthénosphère chaude et ductile : L’asthénosphère chaude et ductile est le milieu plus déformable dans lequel la lithosphère froide s’enfonce.

📝 Points essentiels

• Les zones de subduction sont très sismiques et les foyers suivent la limite des plaques.
• Les foyers deviennent de plus en plus profonds en s’éloignant de la fosse océanique.
• La trace des foyers s’atténue vers 670 km de profondeur dans le cours.
• Le comportement cassant de la lithosphère océanique froide montre son plongement dans l’asthénosphère.
• Le plan de Wadati-Benioff a une morphologie variable : faiblement penté sous l’arc des Antilles et presque vertical près de la fosse des Mariannes.
• En général, plus l’âge de la lithosphère plongeante est grand, plus le pendage du plan est élevé.

💡 Astuce mémo

Sismique en « plan incliné » : plus vieux = plus raide (pendage ↑).

📖 4. Anomalies de flux thermique dans les zones de subduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Flux thermique : Le flux thermique est la quantité de chaleur qui traverse une zone de la Terre et qui peut varier selon la structure thermique locale.
• Panneau plongeant froid : Le panneau plongeant froid est la lithosphère océanique subduite, refroidie, qui modifie localement le flux de chaleur.
• Anomalie négative : Une anomalie négative de flux thermique correspond à un flux plus faible que la valeur de référence au niveau considéré.
• Anomalie positive : Une anomalie positive de flux thermique correspond à un flux plus élevé que la valeur de référence au niveau considéré.
• Arc volcanique : L’arc volcanique est la zone de surface située au-dessus de la subduction où l’on observe souvent une anomalie de flux thermique positive.

📝 Points essentiels

• Au niveau de la fosse, la lithosphère océanique froide plongeante provoque une anomalie négative du flux thermique.
• À l’aplomb de l’arc volcanique, on observe une anomalie positive du flux thermique.
• Les volcans de la cordillère sont aussi associés à une anomalie positive de flux thermique dans le cours.
• Le contraste fosse/arc traduit l’opposition entre lithosphère froide en profondeur et activité thermique liée au magmatisme.
• Les anomalies de flux thermique sont cohérentes avec la présence d’un panneau froid et d’une zone plus chaude sous l’arc.
• Le cours relie explicitement la géométrie de subduction à la signature thermique observée.

💡 Astuce mémo

Fosse = froid → flux ↓ ; Arc/cordillère = activité → flux ↑.

📖 5. Volcanisme explosif et roches volcaniques des arcs

🔑 Notions clés & Définitions

• Volcanisme explosif : Le volcanisme explosif est un type d’éruption violent lié à une forte viscosité du magma et à l’accumulation de gaz.
• Magma riche en silice : Un magma riche en silice est un magma visqueux qui favorise l’explosivité des éruptions dans les arcs de subduction.
• Magma riche en eau : Un magma riche en eau contient davantage de volatils, ce qui contribue à la formation de gaz piégés et à la violence des éruptions.
• Andésite : L’andésite est une roche volcanique formée dans les arcs de subduction, associée aux magmas visqueux riches en silice et en eau.
• Rhyolite : La rhyolite est une roche volcanique produite dans les arcs de subduction, issue de magmas très visqueux riches en silice et en eau.

📝 Points essentiels

• Les zones de subduction sont le siège d’un volcanisme souvent explosif et parfois meurtrier.
• L’explosivité s’explique par l’accumulation de gaz piégés par un magma très visqueux.
• Le magma à l’origine des éruptions est riche en silice et en eau.
• Dans les Andes ou le Japon, de gros volumes de roches volcaniques comme les andésites et les rhyolites peuvent se former.
• Les édifices volcaniques sont alignés parallèlement au contact entre les plaques et localisés sur la plaque chevauchante.
• Les laves des arcs insulaires ont une composition proche des basaltes mais enrichies en éléments légers comme Na et K.

💡 Astuce mémo

Gaz piégés + magma visqueux (silice + eau) = explosif.

📖 6. Roches plutoniques riches en silice et croissance crustale

🔑 Notions clés & Définitions

• Magma cristallisant en profondeur : Le magma qui n’atteint pas la surface cristallise lentement en profondeur et forme des roches plutoniques entièrement cristallisées.
• Roches plutoniques : Les roches plutoniques sont des roches entièrement cristallisées formées par le refroidissement lent d’un magma en profondeur.
• Diorite : La diorite est une roche plutonique citée comme produit de cristallisation en profondeur dans les zones de subduction.
• Granite : Le granite est une roche plutonique citée comme produit de cristallisation en profondeur dans les zones de subduction.
• Croissance de la croûte continentale : La croissance de la croûte continentale correspond à l’augmentation de la croûte, favorisée par le magmatisme issu de la subduction.

📝 Points essentiels

• Le magma qui n’atteint pas la surface cristallise lentement en profondeur.
• Les roches plutoniques entièrement cristallisées formées sont notamment des diorites et des granites.
• Les massifs de roches cristallines résultent de cette cristallisation en profondeur.
• La minéralogie des roches plutoniques indique des magmas riches en eau, en silice et en éléments légers (Na, Ca).
• Le magmatisme des zones de subduction fabrique une lithosphère continentale de faible densité.
• Ce magmatisme contribue à la croissance de la croûte continentale.

💡 Astuce mémo

En profondeur = lent = plutonique (diorite/granite) ; eau + silice signent le magma.

📖 7. Hydratation, fusion partielle et origine du magma

🔑 Notions clés & Définitions

• Hydratation de la lithosphère océanique : L’hydratation de la lithosphère océanique correspond à l’incorporation d’eau lors d’un métamorphisme hydrothermal en subduction.
• Métamorphisme HP/BT : Le métamorphisme HP/BT est un métamorphisme à haute pression et basse température qui conduit à la déshydratation des roches subduites.
• Déshydratation : La déshydratation est la libération d’eau hors des minéraux lors du métamorphisme en subduction.
• Fusion partielle des péridotites : La fusion partielle des péridotites est la production de magma à partir d’une partie seulement du manteau hydraté.
• Coin du manteau : Le coin du manteau est la zone du manteau au-dessus de la plaque subduite qui reçoit l’eau libérée et peut fondre partiellement.

📝 Points essentiels

• Le caractère hydraté du magma montre que l’eau joue un rôle dans sa formation.
• Le géotherme des zones de subduction ne croise pas le solidus de la péridotite : sans hydratation, la fusion serait impossible.
• La lithosphère océanique subduite a subi un métamorphisme hydrothermal qui l’a hydratée.
• Le métamorphisme HP/BT conduit à la déshydratation des roches de la lithosphère subduite.
• Pour les roches de la croûte océanique : plagioclase + chlorite + actinote → plagioclase + glaucophane (schiste bleu) + H2O, puis plagioclase + glaucophane → grenat + jadéite (éclogite) + H2O.
• Pour le manteau lithosphérique : la péridotite se déserpentinise et perd son eau, qui passe dans l’asthénosphère de la plaque sus-jacente (hydratation du coin du manteau).

💡 Astuce mémo

Eau libérée par HP/BT → coin du manteau hydraté → solidus croisé → fusion partielle.

📖 8. Moteur de la subduction et convection mantellique

🔑 Notions clés & Définitions

• Déséquilibre gravitaire : Le déséquilibre gravitaire est la différence de densité entre la lithosphère vieillissante et l’asthénosphère qui peut déclencher la subduction.
• Vieillissement de la lithosphère océanique : Le vieillissement correspond à l’augmentation de l’âge de la lithosphère, associée à un état qui la rend moins en équilibre avec l’asthénosphère.
• Accident tectonique : Un accident tectonique est une zone de faiblesse/rupture de grande ampleur pouvant favoriser l’amorce de la subduction.
• Convection mantellique descendante : La convection mantellique descendante est le mouvement vers le bas lié à l’enfoncement de la lithosphère froide.
• Convection mantellique ascendante : La convection mantellique ascendante est le mouvement vers le haut, mis en place indirectement par les mouvements descendants.

📝 Points essentiels

• Lors du vieillissement, la plaque plongeante n’est plus en équilibre avec l’asthénosphère et peut entrer en subduction.
• La croûte a une épaisseur de l’ordre de 10 km, donc c’est le manteau lithosphérique qui s’épaissit.
• À partir de 40 Ma, la lithosphère peut en théorie entrer en subduction.
• La subduction s’amorce dans des zones de faiblesse de la lithosphère.
• Quand le plongement s’amorce, la plaque se déshydrate et sa densité augmente.
• La traction exercée par la plaque plongeante met en place un mouvement convectif descendant, participant à des mouvements convectifs ascendants ; la tomographie suit le panneau jusqu’à la limite manteau-noyau.

💡 Astuce mémo

Densité ↑ (vieillissement + déshydratation) → ça “tombe” : convection descendante puis remontées.

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Types de subduction et marqueurs en surface

Signature thermique : fosse vs arc

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre la fosse (relief négatif) avec le prisme d’accrétion (accumulation de sédiments déformés et hydratés).
2. Croire que les séismes s’arrêtent à la fosse : ils deviennent plus profonds en s’éloignant et la trace est perdue vers 670 km.
3. Penser que le magma se forme sans eau : le cours insiste que le géotherme ne croise pas le solidus des péridotites tant que l’hydratation n’a pas lieu.
4. Mélanger plan de Wadati-Benioff et tomographie : le plan décrit la géométrie des séismes, la tomographie visualise des anomalies thermiques.
5. Inverser le sens du flux thermique : fosse = flux plus faible (anomalie négative) et arc = flux plus fort (anomalie positive).

✅ Checklist Examen

1. Expliquer pourquoi la croûte océanique est jeune (≤ ~200 millions d’années) et relier cela à la disparition de la lithosphère océanique en subduction.
2. Identifier les marqueurs morphologiques : fosse océanique profonde et étroite, prisme d’accrétion, et reliefs positifs (arc volcanique ou cordillère) selon le type de subduction.
3. Décrire la répartition des foyers sismiques en profondeur et relier la géométrie au plan de Wadati-Benioff (pendage variable, exemples Antilles/Mariannes).
4. Interpréter une anomalie de flux thermique : anomalie négative au niveau de la fosse et anomalie positive à l’aplomb de l’arc volcanique ou des volcans de la cordillère.
5. Relier l’explosivité du volcanisme à la viscosité du magma (silice + eau) et citer les roches volcaniques typiques (andésites, rhyolites) et la composition des laves d’arcs insulaires (proche basaltes enrichies en Na etK
6. Expliquer comment la cristallisation en profondeur produit des roches plutoniques (diorites, granites) et comment la minéralogie indique un magma riche en eau et en silice.
7. Montrer le rôle de l’eau : hydratation de la LO par métamorphisme hydrothermal, déshydratation HP/BT, hydratation du coin du manteau, puis fusion partielle des péridotites.
8. Utiliser le diagramme de phases des péridotites pour relier hydratation et fusion partielle, et comparer schiste bleu vs éclogite comme marqueurs de déshydratation.
9. Relier le moteur de la subduction au déséquilibre gravitaire : vieillissement, augmentation de densité par déshydratation, amorce dans des zones de faiblesse, et rôle de la convection mantellique descendante puis ascend­
10. Analyser des données (tomographie sismique, profils sismiques ECORS) pour identifier le plan de Wadati-Benioff et suivre la lithosphère plongeante au-delà de 670 km jusqu’à la limite manteau-noyau.