Gaël MARTIN, Divin MAYEMBO

PROCESSUS NATURELS

Question: La Formation des chaînes de montagnes (LA FORMATION DES ALPES)

Question:  Comment expliquer la formation des îles ?

Mot-Clé :  Accrétion, Rift, Dorsale

I - la divergence ou accrétion:

II – Le fonctionnement du rift:

Le flux de chaleur est élevé

L’équilibre isostatique est préservé

La production de lithosphère océanique (et la vitesse d’expansion) est variable

Le rift est le  lieu d’une advection importante

III Deux types de dorsales et subsidence thermique du plancher océanique

 

I - la divergence ou accrétion:

On appelle zone de divergence le lieu d’écartement de deux plaques lithosphériques. On appelle aussi cette région zone d’accrétion car c’est aussi le lieu où de nouvelles laves issues du manteau viennent s’accréter au plancher océanique, exactement entre les 2 plaques divergentes. On distingue souvent deux types :

·         En milieu océanique, on parle de dorsale ou ride médio-océanique,

·         en milieu continental on parle de rift,

mais les deux sont parfaitement comparables, le cœur de la dorsale étant lui aussi un rift :

Sonar image of ocean floor showing rift valley            http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/01_extension/01_terrain/img/grandes/04a/03a.jpg earth_rift

Dorsale océanique tronçonnée par une faille transformante (voir Tectonique de plaques)                                 Le Rift Est Africain : de bas en haut à droite   Lac Tanganiyka ;   Lac Kivu ;   Lac Edward ;   Lac Albert

www-public.tu-bs.de:8080/.../pov/earth2.html.          http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/imgArt/schema/extension/terrain/rea.html

http://www.sciencephoto.com/subject/Photography,%20Imaging%20%26%20Microscopy%20Images/photographic%20techniques%20images/sonar

comparer le rôle des linéament (failles) en contexte continental et failles transformantes recoupant les dorsales

Ces deux cas de figure correspondent à un état plus moins avancé d’un même phénomène, l’ouverture océanique

http://blue.utb.edu/paullgj/physci1417/Lectures/Plate_Tectonics.html

Noter que le rift en le lieu d’une intense fracturation parallèle à son axe, en réponse à l’étirement que subissent les deux compartiment, droit et gauche

II – Le fonctionnement du rift:

Le flux de chaleur est élevé

Toutes les zones d’accrétion se situent au droit d’ascendants mantelliques, qui sont à l’origine du magmatisme et du volcanisme observés. La conséquence en est une augmentation locale du flux de chaleur sortant de la lithosphère (figure ci-dessous). Cette augmentation est maximum au niveau de la dorsale sauf sous le rift (voir le lessivage de la lithosphère ci-après) et il lui est symétrique.

http://farm4.static.flickr.com/3131/3183606172_67039aaa97.jpg?v=0   

Noter que le flux de chaleur (en haut) ou son excédent par rapport à la moyenne (en bas) est maximum sous les dorsales, les zones de subduction, mais aussi les zones de collision (Himalaya), marquant ainsi la majorité des limites de plaques     

http://www.dailykos.com/story/2012/08/22/1122822/-Earth-Science-Climate-and-climate-change-the-big-picture

Le flux élevé de chaleur se traduit par un gradient de température très fort (jusqu’à 120°/km). Le géotherme se trouve donc décalé vers les hautes températures. Inversement, la remontée rapide du manteau (cause de ce géotherme particulier) provoque sa décompression adiabatique et sa fusion partielle. Celle-ci peut attendre une proportion élevée (maximum 30%, figure ci-dessous flèche 1).

planeto pt mantle

De telles conditions amènent à la production de basaltes thoéiitiques. Ces liquides magmatiques seront soit stoppés et ils cristalliseront lentement en gabbros, soit émis au contact de l’eau, produisant alors des laves en coussins (pillow lavas).

L’équilibre isostatique est préservé

Le flux de chaleur élevé se traduit aussi par un abaissement global de la masse volumique du manteau sous-jacent. En conséquence il augmente de volume. Ainsi, la région du Rift Est-Africain se trouve portée à une altitude de plus de 1000m environ (e.g. Lac Victoria) quand le bouclier Ouest ne dépasse guère quelques centaines de mètres. De même les rides océaniques surplombent les plaines abyssales de 1500m environ. Mais cet « excédent » de volume n’est qu’une apparence, il ne correspond pas à une excès de masse, il est une  simple réponse isostatique à la diminution de la densité du manteaun chaud sous le rift. La carte du champ de gravité établie par le satellite GRACE (ci-dessous) en rend très bien compte.

http://www.csr.utexas.edu/grace/gravity/

anomalie de gravité (en milliGal), carte établie par le satellite GRACE

noter la coïncidence entre couple d’anomalies fortes négative-positive et les couples de subduction fosse-marge (ou arc) traduisant un déséquilibre isostatique important ;

noter l’absence quasi-totale d’anomalie au droit des dorsales océanique Pacifique et Indienne, témoignant de l’équilibre isostatique de ces régions.

L’altitude du plancher océanique est donc le reflet direct de l’état thermique du manteau. Au droit des ascendants mantelliques surchauffés par la décompression, les produits de la ride sont chaud, l’altitude est maximum (hors rift dont l’effondrement est lié à l’étirement). Au niveau des plaines abyssales, loin des ascendants, le manteau est plus froid donc plus dense et les produit de la ride se sont refroidis, le plancher est à l’altitude correspondant à cet équilibre isostatique.

La production de lithosphère océanique (et la vitesse d’expansion) est variable

Au droit du rift, les magmas arrivent presque en continu jusqu'à la surface, en ligne directe du manteau sous-jacent. Ils fabriquent de la croûte océanique (coupe schématique ci-dessous). Les sédiments qui la surmontent différent selon l’environnement, continental ou océanique proche ou loin de sources terrigènes. En milieu océanique, le sommet de la croûte est constitué d’abord de basaltes en coussins (pillow lavas), puis d’une séquence de filons planaires entrecoupés (Sheeted dykes) résultant du remplissage des fractures ouvertes par la distension.

En dessous on passe du domaine volcanique au domaine plutonique. On y observe des roches de composition similaire aux laves mais largement cristallisées, qui sont un ensemble de chambres magmatique initialement situées sous la ride. Ces chambres ont lentement cristallisé en gabbros de plus en plus évolués vers leur toit (voir MC Cristallisation Fractionnée), tout en fractionnant des laves plus ou moins variées. Parmi celles-ci, on trouve des granites riches en sodium et pauvres en potassium caractéristiques des rides, appelés plagiogranites.

Enfin la base de la série est constituée de péridotites mantelliques. Les péridotites sont constituée par 4 minéraux cardinaux, cités du plus réfractaire au moins réfractaire : Olivine (Mg2 SiO4) Opx = Orthopyroxène (Mg2Si2O6) Cpx (Clinopyroxène CaMgSi2O6) et une phase alumineuse dont la nature (grenat, spinelle ou feldspath) varie en fonction de la profondeur à laquelle se situe la péridotite.  Lorsqu’une péridotite commence à fondre, les premiers minéraux qui fondent sont les moins réfractaires jusqu’à disparition du moins, puis l’on passe au suivant et ainsi de suite. De la sorte :

·         un manteau fertile (capable de donner un liquide facilement) est celui qui possède tous ses non réfractaires, on appelle la péridotite qui correspond une Lherzolite.

·         S’il fond à un taux faible, il perd un peu de ses non réfractaires, le ou les moins réfractaires, c'est-à-dire sa phase alumineuse, voir son Cpx ; on appelle la péridotite qui reste après une fusion de ce type une harzburgite.

·         S’il fond beaucoup (taux de fusion jusqu’à 30%), il perd tous ses non réfractaire et il ne lui reste que la phase la plus réfractaire, l’olivine. La péridotite s’appelle alors une dunite.

Dans la pile des roches de la lithosphère océanique on retrouve les 3 types de péridotites. Ces péridotites peuvent être lardées de veines (appelées pods) chromifères, résultant d’une lente ségrégation du chrome.

 Fichier:PeridOlPx.jpg

Au droit de la ride on peut considérer que l'isotherme 1200°C, qui constitue grossièrement la limite entre lithosphère et asthénosphère, arrive pratiquement à l'affleurement. Il n'y a donc quasiment pas de lithosphère au niveau des dorsales. Seule la croûte est présente. La couche limite conductive est réduite ici à pratiquement rien, et une bonne part du transfert de la chaleur du manteau vers l’hydro-atmosphère se fait ici par advection, au niveau de la dorsale.

earths_crust rognée2

La symétrie du plancher océanique est parfaitement enregistrée dans les âges de ce plancher et dans le magnétisme rémanent des roches qui le constituent. Lors de leur refroidissement, les laves récemment émises franchissent de point de Curie des minéraux ferromagnétiques qu’elles contiennent (en particulier de la magnétite, point de Curie 570°C). Elles fossilisent à cet instant le champ magnétique terrestre et le conservent jusqu’à refranchissement du point de Curie en sens inverse, pas avant d’avoir atteint une subduction...

A gauche, noter la symétrie des âges par rapport à la dorsale, noter aussi qu’on ne connaît pas de plancher plus vieux que 180 Ma dans les océans majeur. Seule la Méditerranée détient un petit bout du plancher très ancien,  vieux de 280 Ma, reliquat non encore subducté de la  très ancienne Téthys.

A droite, anomalie magnétique de la ride de Juan de Fuca au Sud-Ouest de Vancouver, noter la symétrie des bandes de couleur ; la bande rouge centrale coïncide avec le volcanisme récent ; les bandes symétriques sont de même âge (de plus en plus vieux) ; les bandes colorées sont de polarité nord comme le magnétisme actuel ; entre elles, les bandes sans couleur sont de polarité inverse, sud. Figure from Vine [1966].

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:2008_age_of_oceans_plates.jpg

 

Un simple regard à la figure au dessus à gauche permet d’observer que les vitesses d’accrétion sont très différentes d’une ride à une autre. Ce fait est confirmé par la carte d’expansion des fonds pour les 10 derniers millions d’années, ci-dessous :

http://www.accessscience.com/loadBinary.aspx?aID=5402&filename=424750FG0010.gif

Les paires de lignes de part et d’autre de la ride montrent la croûte océanique générée durant les 10 derniers Ma. Mid-Oceanic Ridge system. Attention la projection Mercator implique une distorsion don’t l’échelle est donnée à droite.

http://www.accessscience.com/search.aspx?rootID=794805

La production de magma est à l’origine d’un volcanisme intense. Les séismes sont très peu profonds sous les rides océaniques,  ils ne dépassent jamais 70 Km, et la grande majorité ne dépasse pas 20 à 30 Km, témoignant de la remontée (adiabatique) importante de l'asthénosphère chaude et ductile. Les laves épanchées sous l’eau présentent généralement une morphologie typique en coussins (pillow lavas) et en tubes. Les L'empilement de ces coussins forme des surfaces inclinées, et constitue la majeure partie des coulées sous-marines. Avec un diamètre de quelques décimètres, les tubes de lave peuvent être rectilignes sur une dizaine de mètres avant de se ramifier ou de s'arrêter. Ils sont ponctués d'excroissances sphériques correspondant parfois à un changement d'orientation du tube ou à une digitation.

. Fig

Pillow lavas allongés en tubes sur le flanc nord du volcan Teahitia par 2771 m. Ici ils recouvrent une pente et représentent le front d'une coulée

http://www.ifremer.fr/drogm/Realisation/Vulgar/Volcanisme/Index.html

Mais les coulées tranquilles ne sont pas les seules présentes. Les pyroclastites sont l'évidence d'activité explosive sous-marine. Ci-dessous, Les gaz contenus dans le magma et la vaporisation de l'eau de mer piégée dans le conduit magmatique ont déclenché une éruption de type explosif responsable de la fragmentation et du transport des roches broyées formant le bord du cratère.

Fig

Affleurement de matériel pyroclastique formant le bord d'un cratère au sommet d'un cône volcanique par 1600 mètres de profondeur au niveau de la dorsale Médio-Atlantique 35°N.

http://www.ifremer.fr/drogm/Realisation/Vulgar/Volcanisme/Index.html

La construction de grands édifices volcaniques sous-marins autour d'un conduit central débute généralement pat un épisode effusif pendant lequel de grandes quantités de laves très fluides formant des coulées plates (laves drapées) à des profondeurs de 2500-4000 m sont émises. Viennent en second lieu les émissions de laves en coussins (pillow lavas) plus visqueuses, bulbeuses et tubulaires. Plus tard, ce type de coulées formera des zones de rift sur le flanc des édifices plus évolués vers 1000-2500 m de profondeur. A des profondeurs inférieures à 2000 m, un volcanisme éruptif intermittent conduit à l'éruption sporadique de laves très vésiculaires, au dynamisme plus explosif.

Le rift est le  lieu d’une advection importante

La fracturation axiale du rift permet une circulation intense de l’eau de mer. Ainsi en Afar l’eau de la mer rouge est en passe de franchir le cordon volcanique qui protège encore le rift, d’altitude inférieure au zéro des mers. Voie de conséquence directe, le refroidissement de la lithosphère au niveau du rift est dû en partie à cette fracturation. On observe en effet sur les mesures du flux de chaleur à cette échelle, que le rift est marqué par un très faible flux alors que l’on s’attendrait à y trouver, par la conduction seule, le flux calorique maximum. Les modèles prennent en compte cette fracturation et reproduisent parfaitement cette particularité du Rift.

http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/01_extension/01_terrain/img/grandes/06a/04a.jpg    

Fracture d’extension matérialisant l’expansion du fond du Pacifique

            flux chal pacific   moele flux chal vitesse 

Le flux de chaleur en fonction de la distance à l’axe de la ride (ou de son âge), a gauche, mesuré, à droite modélisé pour différentes vitesses d’expansion

L’eau de mer pénètre un milieu initialement quasi dépourvu d’eau. Les basaltes ou gabbros contiennent en effet moins de 1% d’eau, et la péridotite du manteau encore moins. Aussi, lorsque l’eau de mer les atteint, leurs assemblages minéraux se trouvent en très fort déséquilibre chimique avec leur nouvel environnement. En outre, le manteau n’étant jamais loin, la gamme des températures dans laquelle à lieu cette circulation d’eau est encore très élevée, et favorise les réactions de rééquilibrage de ces roches. L’eau apporte avec elle les OH nécessaires à la fabrication des phases hydratées de basse température comme par exemple la serpentine issue de l’hydratation de l’olivine. Mais l’eau transporte aussi une grande quantité de sels dissous, en particulier du NaCl et avec lui le chlore venu s’ajouter à l’hydrogène pour abaisser le pH et rendre cette eau encore plus agressive. Le sodium, échangeable avec le calcium des plagioclases ou des pyroxènes des basaltes, conduira à transformer les basaltes en spilites. Dans ces échanges, le fluide (evolved seawater de la figure ci dessous) se charge en métaux, Fe, Mn, Mg, Cu, Zn, Pb, mais aussi en Soufre, et en silicium, Baryum, Hélium dont la présence mérite d’être signalée en raison de sa signature isotopique que l’on utilise comme traceur des fluides hydrothermaux dans l’océan.

vents2.gif (105330 bytes)

http://www.indiana.edu/~g105lab/images/gaia_chapter_13/vent_communities.htm

La ride océanique est donc un lieu d’échanges chimiques intenses entre la croûte océanique nouvelle et l’océan. Les fluides hydrothermaux retourne à l’océan travers des sources qui sont déjà de véritables fontaines, dépassant souvent le mètre de largeur et présentant des vitesses de flux pouvant atteindre plusieurs m/s (e.g. ci dessous). La distribution et l’intensité des « plumes » hydrothermaux sont variables dans l’espace et dans le temps. En 1986, la découverte d’un « mégaplume » a permis de saisir pleinement l’impact de ce phénomène de lessivage de la croûte sur la composition chimique de l’océan. La signature géochimique de tels panaches dans l’océan est mesurable sur des centaines de km (voir plus de 1000 km). La température des sources chaudes varie depuis quelques dizaines de degrés jusqu’à près de 400°C, la pression de quelques centaines de bars (1 bar = 10m d’eau) qui règne au fond étant suffisante pour que l’eau soit encore liquide à cette température. Au contact de l’eau de mer, le changement de milieu (pH, température) et de composition est  tel que les éléments transportés précipitent massivement avant même de quitter la croûte, construisant des cheminées dont la nature varie avec la température de la source. A haute températures, les précipitations sont principalement des sulfures (de fer en particulier mais aussi de Pb, Cu, Zn), minéraux de couleur sombre qui constituent la charge solide des fumeurs noirs.

Events de rift, appelés fumeurs noirs, leur taille va communément du cm à 1 ou 2m de diameter.

http://www.ocean.udel.edu/extreme2002/dailydiscoveries/Neatstuff/oct29/20.jpg

http://books.nap.edu/books/0309092124/html/43.html

Ces sources ne furent découvertes qu’en 1977, et sont restées célèbres d’une part en raison de la biodiversité (environ 300 espèces recensées) et de la beauté  des oasis de vie auxquels elles donnent naissance (e.g. Riftia de la figure 53) mais surtout en raison même de la base de cette chaîne trophique particulière, qui est fondée sur l’oxydation de l’hydrogène et du méthane par des bactéries thermophiles, principalement des archéobactéries, vivant jusqu’à plus de 110°C dans ces fumeurs ou encore en symbiose avec d’autres organismes comme dans le cas de Riftia. Une telle biochimie apparaît archaïque par bien des aspects et relance donc nécessairement la question de l’origine de la vie sur Terre.

tubewormclose

Vestimentaires, Riftia, ou Tube-worm

http://www.cascadia.ctc.edu/facultyweb/instructors/jvanleer/astro%20sum01/Hyrothremal%20Vent%20Final/hydrothermal_vents.htm

http://www.unbsj.ca/sase/biology/huntlab/tubewormclose.JPG

En dessous de 300°C et jusque vers 30°C, les évents deviennent des fontaines blanches « white smokers », dans lesquels ne précipitent plus des sulfures mais principalement des sulfates, comme le sulfate de baryum, et des carbonates. Sous la barre des 30°C, l’eau contient encore des espèces en solution mais est limpide, sans précipitas. On considérait jusqu’alors les fumeurs comme strictement liés à la ride, mais la découverte récente d’un champ de cheminées blanches, situé à environ 15 km de la ride sur le flanc d’un mont sous-marin vers 800m de profondeur,  relance la question de l’hydrothermalisme sous-marin. Dénommé poétiquement « Lost City », ses cheminées sont construites essentiellement en carbonate et constituent un paysage ruiniforme sur 3 à 4 hectares. Comme chez les fumeurs des sites de volcanisme actif, les cheminées sont construites de l’intérieur par l’eau en provenance du sous-sol lessivé par hydrothermalisme qui réagit avec l’eau de mer et précipite ses carbonates. La réaction produit aussi de l’hydrogène et du méthane, là encore à la base d’une chaîne trophique microbiotique.

À gauche), une structure carbonate de 60m de haut, nourrie par des sources chaudes sur le fond de l’Atlantique.Des colonie de bactérie fiamenteuses tirent leur substance du méthane et de l’hydrogène de l’eau.

À droite) le sommet d’une structure carbonate de 30m de haut. Les pores et enfractuosités sont l’habitat de petits animaux.

http://whyfiles.org/shorties/172ocean_floor/

La distance à la ride est trop importante pour que le moteur de l’hydrothermalisme soit le volcanisme. Le fluide ne peut donc plus être hérité de la transformation des roches volcaniques, trop froides à cette distance et déjà largement transformées. La source doit donc être plus profonde, et le bon candidat à une hydratation à cette distance de la ride paraît être la péridotite du manteau. Avec l’enfoncement rapide des isothermes, avec le rejet des failles transformantes qui peuvent atteindre et dépasser le millier de mètres, le manteau devient accessible à l’eau de l’océan. Or, on sait par ailleurs que l’hydratation de l’olivine SiO4Mg2 en serpentine (sorte d’olivine hydratée à structure fibreuse ou feuilletée proche des chlorites et argiles) s’accompagne volontiers d’une précipitation de carbonate de magnésium (magnésite MgCO3) pour peu que la pression partielle de CO2 soit suffisante. Une grande part du transfert de matière entre le plancher océanique et l’océan reste encore à découvrir, son influence sur la composition de l’atmosphère et l’évolution du climat, et en particulier la capacité à stocker du CO2 dans le processus de serpentinisation.

III Deux types de dorsales et subsidence thermique du plancher océanique

On distingue donc des dorsales « rapides » comme la ride Pacifique Est, et des dorsales « lentes »comme la ride médio-Atlantique. Leur fonctionnement est différent et il se traduit dans leur morphologie, mais elles gardent plusieurs points communs :

·         La température du manteau ascendant et de la lithosphère chaude au niveau de la dorsale

·         Le refroidissement par conduction à travers la lithosphère

·         La température du manteau et de la lithosphère refroidie loin de la dorsale :

A gauche une ride « rapide » type Est-Pacifique                                                                             A droite une ride « lente » type Atlantique.

                              

http://www.accessscience.com/search.aspx?rootID=794805

       

http://www.intellego.fr/soutien-scolaire--/aide-scolaire-svt/schemas-des-dorsales-atlantique-et-pacifique/16843

L’intumescence thermique est très large et la ride présente des flancs larges                                    L’intumescence thermique est étroite et la ride présente des flancs étroits

La vitesse d’expansion est grande                              La vitesse d’expansion est faible

    La zone froide est atteinte loin de la ride                          La zone froide est atteinte près de la ride

        La production de lithosphère est forte, avec doublement local de la ride                      La production de lithosphère est faible,  pas de doublement local de la ride

http://volcano.oregonstate.edu/oldroot/education/submarine/plates/diverg/topomap.gifF/col 3D map of part of East Pacific Rise

http://www.sciencephoto.com/subject/Photography,%20Imaging%20%26%20Microscopy%20Images/photographic%20techniques%20images/sonar

La remontée de manteau se ferait sur une largeur plus importante sous les dorsales "rapides" que sous les rides lentes. Il en résulterait par contraste un refroidissement plus brutal et donc une pente plus forte des flancs des dorsales lentes. Parce que le refroidissement (et la contraction) sur l'axe d'une ride lente dure plus longtemps et avec un gradient de température horizontal plus accusé, il pourrait se produire une fracturation distensive de la partie supérieure de la lithosphère plus marquée, et donc un rift plus profond.

Les forces d'extension qui règnent aux limites de plaques divergentes à vitesse rapide (> 5 cm/an) sont plus forte. Elles ouvrent de larges fissures dans la croûte océanique et permettent l'éruption de laves basaltiques très abondantes, à faible viscosité, caractérisant un volcanisme tranquille et fluide s’épanchant en long pillow lavas et en tubes. Inversement, l'axe des dorsales lentes (<2 cm/an) montre un le magmatisme plus focalisé par des conduits volcaniques étroits, et une grande diversité de laves (de composition et de viscosité variées) pouvant donner un volcanisme sous-marin explosif.

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