Dynamique interne de la Terre Flashcards
Les meilleures preuves de la dérive des continents
- Fossiles
- Glaciation vers l’intérieur des continents
- parallélisme Amérique - Afrique/Europe
- Tectonique des plaques
Structure interne de la terre
- Croûte continentale/océanique solide
- Moho
- Manteau Sup solide
- Manteau Inf. solide
- Noyeau externe liquide
- Noyeau interne liquide
2 types d’ondes sismiques
- Onde de surface
2 Onde de volume
a. compression P
b. cisaillement S
Théorie des mouvement de convection dans le manteau Holmes 1945
Holmes propose que l’existence de courants de convection dans le manteau, sous un grand bloc continental (comme la Pangée, par exemple), crée dans la croûte continentale des forces de tension. Ces forces de tension vont contribuer à fracturer la croûte continentale, avec, dans les fractures ouvertes, des venues de magma provenant du manteau. La cristallisation de ce magma va créer de la croûte océanique composée de basalte. Toujours sous l’influence de la convection, la nouvelle croûte océanique va elle aussi se fracturer et être infiltrée par le magma. Il va donc se former ainsi continuellement de la nouvelle croûte océanique, un processus qui fera en sorte que les masses continentales vont s’éloigner l’une de l’autre, comme repoussées par cette formation de nouvelle croûte océanique. Pour Holmes, la surface terrestre est un espace fini, ce qui implique que s’il y a tension dans certaines zones, il doit y avoir compression ailleurs, ou encore, s’il y a formation de nouvelle croûte terrestre par endroits, il faut qu’il y ait destruction ailleurs. Cette destruction se fait dans les zones de compression où la croûte s’enfoncera dans le manteau, donnant naissance à des fosses océaniques profondes. Les chaînes de montagnes vont se construire dans ces zones de compression.
Théorie du tapis roulant sous-marin de Hess 1962
Hesse cherchait à expliquer la topographie des fonds océaniques. Il concevait que le manteau terrestre était affecté par de larges courants de convection (voir Holmes, plus haut) et que les parties ascendantes sont la cause des dorsales médio-océaniques, alors que les parties descendantes se trouvent au niveau des grandes fosses comme au pourtour du Pacifique. Le plancher océanique se forme perpétuellement au niveau des dorsales; il dérive de part et d’autre de ces dernières et vient s’engloutir dans le manteau au niveau des fosses.
La tectonique
Partie de la géologie qui étudie la nature et les causes des déformations des ensembles rocheux, plus spécifiquement dans ce cas-ci, les déformations, à grande échelle, de la lithosphère terrestre. Une plaque est un volume rigide, peu épais par rapport à sa surface. La tectonique des plaques est une théorie scientifique planétaire unificatrice qui propose que les déformations de la lithosphère sont reliées aux forces internes de la terre et que ces déformations se traduisent par le découpage de la lithosphère en un certain nombre de plaques rigides (14) qui bougent les unes par rapport aux autres en glissant sur l’asthénosphère.
3 types de tectonique
- divergente
- convergente
- tranformante (ni subduction, ni création de lithosphère)
Magmatisme
Regroupe l’ensemble des phénomènes liés à la
formation, à la cristallisation et aux déplacements des magmas.
- Un phénomène majeur de l’évolution des planètes telluriques.
- Une notion peu développée avant l’adoption d’une vision globale
de la tectonique.
- Au XVIIIe siècle, certains comme Gottlob Werner pensaient que
les granites avaient une origine neptunienne (déposés au fond
des mers!).
Classiquement, on distingue les phénomènes plutoniques qui se
déroulent à l’intérieur de la croûte ou du manteau, et les
phénomènes volcaniques (ou effusifs) qui se produisent à la
surface de la Terre.
3 types de magmatisme
- MORB
- IAB
- OIB
MORB
mid-ocean ridge basalt « basalte de dorsale médio-océanique » désigne les basaltes émis au niveau des dorsales médio-océaniques. Il s’agit de basaltes tholéitiques, typiquement pauvres en éléments incompatibles (élément dont la taille et / ou la charge ne conviennent pas aux sites cationiques des minéraux dont il fait partie.)
se mettent en place au niveau des limites divergentes
- Type de roche magmatique le plus commun.
- Composition minéralogique et chimique constante.
- Laves aphyriques, dont les rares phénocristaux sont des olivines
magnésiennes contenant en inclusions de petits spinelles
(magnésiochromite), des plagioclases calciques et plus
rarement des cpx.
IAB
Les IAB, Island Arc Basalts, et séries calco-alcalines associées qui se mettent en place aux frontières des plaques convergentes
OIB
En position intraplaque (océaniques ou continentales), les OIB, Ocean Island
Basalts forment des volcans boucliers issus de coulées basaltiques fluides
liées à la remontée de panaches mantelliques.
Fonctions des types de magmatisme
- Assurent une fraction importante des transferts de matière et
d’énergie de l’asthénosphère vers la lithosphère, et jusqu’en
surface (volcanisme) - Contribuent à modifier la composition de l’hydrosphère
(panaches de fluides hydrothermaux dans l’axe des dorsales). - Modifient aussi l’atmosphère par les émissions gazeuses des
volcans.
- Modifient aussi l’atmosphère par les émissions gazeuses des
- Sont à l’origine de très importants gîtes minéraux :
principalement
- (I) les accumulations cupro-aurifères des arcs volcaniques,
- (II) chrome, nickel, platinoïdes associés aux ophiolites
(paléocroûte océanique et manteau supérieur associé).
Contribution des 3 types de magmatisme à la production volcanique
- D’un point de vue quantitatif, des contributions très inégales :
Dorsales (MORB) 20 km3 par an
Arcs magmatiques (IAB) 6 km3 par an
Intraplaque (OIB) 4 km3 par an
Pour un total de 30 km3 par an de production magmatique. - Une forte variabilité aussi des volumes effusifs
- L’essentiel des volumes cristallise en profondeur, sous forme
plutonique :
- MORB 85% (complexes ophiolitiques)
- IAB 90% (grands batholites)
- Intraplaque ? (dykes, massifs plutoniques, etc.) - 30 km3
représentent une valeur typique pour une période dite
« normale » du cycle de Wilson (cycle géodynamique complet).
Cycle de Wilson
[400 Ma]
- Fragmentation d’un continent
- Ouverture d’un océan
- Fermeture par subduction
- Collision de continents (chaînes)
Magma
Liquides naturels de haute température, silicatés dans 99% des cas, contenant surtout des minéraux (phénocristaux) ayant cristallisé précocement et des gaz dissous. La température des laves émises varie de 510 à 1250°C.
- Les coulées les plus chaudes sont les plus fluides
- Magma rhyolitique froid (700°C).
- Les plus froides (510-600°C)
Plus le magma va être enrichi en silice, plus la température va
baisser et les laves vont devenir visqueuses (rôle également de
l’eau). Le volcan est alors en dôme et ne présente pas la forme
« traditionnelle » du volcan.
Echelle de viscosité
Dans des conditions données, plus un fluide est visqueux plus il se déforme lentement. Du plus visqueux au moins visqueux 1. Rhyolite 2. Dacite 3. Andésite 4. Basalte
Mode de mise en place des magmas
- Leur mode de mise en place conditionne leur structure :
- si le refroidissement est rapide, les cristaux n’ont pas le temps de
se former et la roche est principalement vitreuse
- si le refroidissement est lent, la roche est formée uniquement de
cristaux (roche holocristalline).
2 catégories de roches magmatiques
- les roches plutoniques (holocristallines) dont le type est le granite (croûte continentale)
- les roches volcaniques dont le type est le basalte (croûte océanique)
Chimisme des roches magmatiques
Il existe une grande variété de roches magmatiques en fonction du
chimisme (35 à 75% de SiO2
)
- Il sera réputé acide si SiO2 > 66 %
- Il sera réputé basique si SiO2 > 35 et ≤ 52 %
- Les roches très basiques (néphélinites) sont rares
- Un basalte courant titre 40 à 50% de SiO2
Magma non silicatée
Malgré leur rareté les magmas non silicatés sont extrêmement intéressants
Les plus célèbres sont les magmas carbonatés, formant les
carbonatites (carbonates de Ca, Na, Mg), renfermant calcite et dolomite, ainsi que de nombreux minéraux (riches en Nb, Ta, Ti, Th et U) et des lanthanides (terres rares).
Il existe aussi des coulées d’oxydes de fer (magnétite Fe3O4,associée à de l’apatite) émises par le volcan plio-pléistocène El Laco (Chili), constituant des réserves de 500 M de tonnes de minerai de fer à haute teneur
Les phases du magma
- Solides (extrêmement variées).
- Gazeuses (eau, CO2
, produits soufrés), surtout en zones de convergence
(˃10%, contre 0,1% pour les MORB!). - Liquides (toujours dominants).
- Les basaltes riches en olivine (océanites) ou en olivine et clinopyroxènes (ankaramites) résultent de l’accumulation d’environ 50% de phénocristaux dans des liquides basaltiques.
- Les andésites calco-alcalines (zones de subduction) contiennent 20 à 40% de phénocristaux.
- De nombreux basaltes océaniques de type MORB sont aphyriques (moins de 5% de cristaux).
Nature et ordre d’apparition des phénocristaux
- Dépendent de la composition du liquide magmatique en
éléments majeurs, mais aussi de la pression totale, de la
quantité disponible d’eau, de CO2
, de soufre et d’oxygène. - La séquence de cristallisation, ou passage du liquidus au solidus,
correspond à une chute de température de 200 à 300°C, soit :
- 1250 à 1000°C pour un basalte
- 900 à 700°C pour une rhyolite
Fusion partielle
Dans les conditions terrestres, le liquidus n’est jamais atteint. La roche commence donc à fondre, mais uniquement en partie. C’est le début de la fusion partielle et de la création d’un liquide magmatique interstitiel. Certains cristaux vont fondre, d’autres pas. Il y a ainsi coexistence des phases solides et liquides. Les laves et roches magmatiques sont toutes issues de ce processus.
Signature géochimique des magmas
L’affinité du magma est révélée par son empreinte géochimique.
- % massiques d’éléments majeurs
- Teneurs en éléments en traces
- Composition en isotopes (isotopes radiogéniques de Sr, Nd et
Pb et les isotopes stables de l’O)
- Isotopes radiogéniques du Hf (hafnium) et de Os (Osmium)
- Isotope cosmogénique 10Be
- Les affinités pétro-géochimiques sont désignées par des sigles
qui renvoient au contexte géodynamique (OIB, IAB, MORB, etc.).
Schéma composition moyenne du magma
.
Série alcaline et calco-alcaline et signification des lignées
On distingue :
(1) une lignée alcaline, cette notion pouvant concerner des roches magmatiques acides ou basiques.
Soit Na2O + K2O > Al2O3 (roches magmatiques saturées)
Soit Na2O + K2O > SiO2 (roches magmatiques sous-saturées)
(2) une lignée calco-alcaline.
(Na, K) ≈ Ca
Signification géodynamique des lignées (1) la lignée alcaline Point chaud, extension continentale (2) la lignée calco-alcaline Subduction (arc insulaire, marge continentale) Collision continentale (décrochement)
Différenciation magmatique
- Processus par lequel un magma initial se scinde en portions
chimiquement et minéralogiquement différentes. - Chacune de ces portions peuvent évoluer indépendamment.
De tels processus conduisent à des successions de roches
magmatiques différentes les unes des autres tout en
conservant des traits communs. - Ceci illustre la notion de lignée magmatique.
- Dans les basaltes alcalins (sous-saturés en silice), les alcalins en
excès vont former des feldspathoïdes : cas des OIB ou des IAB
riches en potassium (magmas ultrapotassiques). - Dans les basaltes subalcalins, la totalité de Na et K se
combinera à Si pour former des feldspaths avec éventuellement
un peu de quartz (sursaturation). Ces basaltes sursaturés sont
aussi appelés basaltes tholéitiques : MORB, IAB et certains OIB
(basaltes des îles et plateaux océaniques), ainsi que les tholéites
continentales (trapps, rift, marges océaniques).
Eléments en traces
- Les éléments compatibles se concentrent plutôt dans les solides minéraux au cours des processus de fusion partielle et de cristallisation fractionnée.
- Ceci se traduit par le coefficient de distribution (D) solide liquide, c’est-à-dire le rapport entre concentration de cet élément dans un (ou plusieurs) minéral et celle dans le liquide en équilibre.
Par exemple, le coefficient D du nickel dans l’olivine est de 10,
celui du cobalt de 5. Ni et Co vont donc rapidement décroître et de faibles taux permettent de supposer la cristallisation de l’olivine dans des stades précoces.
- Les éléments incompatibles présentent un coefficient de distribution (D) solide-liquide nettement inférieur à l’unité.
- Ils se concentrent donc préférentiellement dans les liquides au cours du processus de fusion partielle et de cristallisation fractionnée.
- La plupart des éléments en traces sont incompatibles, de même que K et Ti parmi les éléments majeurs.
- Leurs valeurs D varient entre 0,01 (Cs, Rb) et 0,35 (Yb).
Eléments en traces incompatibles
Les éléments lithophiles à grand rayon ionique (Large Ion Lithophile Elements, LILE) correspondent à de gros cations qui ne peuvent être incorporés au sites tétraédriques et octaédriques des silicates et des oxydes : Cs, Rb, Ba, K, Sr [soluble dans l’eau]
Les éléments à grande force de champ ionique (High Field Strength Elements, HFSE) correspondent à des petits cations qui tendent à s’entourer d’anions oxygène en raison de leur forte charge (4+ et 5+) : Ta, Nb, Zr, Hf et Ti [insoluble dans l’eau]
- Thorium (Th) et Uranium (U) présentent à la fois un grand rayon ionique et de fortes charges. Ils sont très incompatibles.
- Les lanthanides ou terres rares offrent une incompatibilité qui
diminue progressivement avec le numéro atomique.
Ce sont de bons marqueurs géochimiques. - On distingue quinze éléments du n°57 au n°71, répartis en deux
groupes. - De nombreux éléments incompatibles sont facilement solubles
dans l’eau, et donc remobilisés lors de l’altération superficielle
ou hydrothermale, ainsi que lors du métamorphisme. - L’interprétation magmatologique de roches altérées ne pourra
donc se faire que sur les éléments réputés insolubles (HFSE et
terres rares, ainsi que sur l’yttrium, Y, qui a un comportement
très semblable aux terres rares).
Les isotopes radiogéniques (Sr, Nd, Pb)
- L’absence de fractionnement isotopique des éléments lourds
au cours de la fusion partielle et de la cristallisation fait que les
rapports isotopiques de ces éléments (Sr, Nd, Pb, Hf, Os, etc.)
dans les magmas actuels sont identiques à ceux de leurs
sources. - Possibilité de traçage des sources.
- ## Exemples classiques : 87Sr/86Sr et 143Nd/144Nd.87Sr (isotope radiogénique) dérive de la transformation de
l’isotope radioactif 87Rb (avec émission b), période 50 Ga!
-
143Nd (isotope radiogénique) dérive de la transformation de
l’isotope radioactif 147Sm (avec émission a), période 106 Ga!!
-
86Sr et 144Nd sont des isotopes stables.
3 types de roches mantelliques
- En enclaves (nodules de péridotites et de pyroxénites) dans les basaltes alcalins, basanites et néphélinites issus des panaches.
Ce sont principalement des péridotites riches en cpx. - Dans les massifs péridotitiques provenant du manteau supérieur, tels ceux de Lherz dans les Pyrénées françaises (ou Ronda en Espagne).
- Ce sont des lherzolites, avec intercalations de pyroxénites. - A la base des complexes ophiolitiques et à l’axe des dorsales lentes.
- Ce sont principalement des harzburgites, dunites et des lherzolites pauvres en cpx
3 catégories de point chaud
- (1) points-chauds fonctionnant depuis longtemps, ayant formé
un long alignement de volcans ou de trapps, associés à des
panaches remontant de la limite noyau-manteau. - (2) points-chauds regroupés en grand nombre dans une même
zone géographique, à flux thermique élevé. - (3) points-chauds isolés, souvent situés en zone continentale,
traduits en surface par des volcans (mais ni trapps ni
alignements volcaniques).
