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V - Dynamique du Manteau
1) Flux de chaleur
2) Bilan thermique
3) Géotherme
4) Convection thermique
5) Tectonique des plaques
6) Evolution thermique et dynamique
C.Grigne - UE Terre Profonde 227
V - 6 Evolution thermique
� Dans le passé :
• concentration plus forte en isotopes radioactifs
• chaleur primitive d’accrétion présente en plus grande quantité
◮ Manteau plus chaud, donc moins visqueux,avec une convection probablement plus vigoureuse
C.Grigne - UE Terre Profonde 228
V - 6 Evolution thermique
� Dans le passé :
• concentration plus forte en isotopes radioactifs
• chaleur primitive d’accrétion présente en plus grande quantité
◮ Manteau plus chaud, donc moins visqueux,avec une convection probablement plus vigoureuse
� Roches archéennes : Komatiitesformées par fusion partielle du manteau, avec un taux de fusion partielleimportant (plus fort qu’à l’actuel).
C.Grigne - UE Terre Profonde 228
V - 6 Evolution thermique
� Dans le passé :
• concentration plus forte en isotopes radioactifs
• chaleur primitive d’accrétion présente en plus grande quantité
◮ Manteau plus chaud, donc moins visqueux,avec une convection probablement plus vigoureuse
� Roches archéennes : Komatiitesformées par fusion partielle du manteau, avec un taux de fusion partielleimportant (plus fort qu’à l’actuel).
� Tectonique des plaques active il y a environ 3 Ga : nécessite des plaquessuffisamment rigides.
C.Grigne - UE Terre Profonde 228
V - 6 Evolution thermique
� Dans le passé :
• concentration plus forte en isotopes radioactifs
• chaleur primitive d’accrétion présente en plus grande quantité
◮ Manteau plus chaud, donc moins visqueux,avec une convection probablement plus vigoureuse
� Roches archéennes : Komatiitesformées par fusion partielle du manteau, avec un taux de fusion partielleimportant (plus fort qu’à l’actuel).
� Tectonique des plaques active il y a environ 3 Ga : nécessite des plaquessuffisamment rigides.
◮ Manteau plus chaud d’environ 200-300◦ à l’Archéen (fin à 2.5 Ga) par rapportau présent
◮ Taux de refroidissement de la Terre solide : ≃ 50 à 100 K/Ga.
C.Grigne - UE Terre Profonde 228
Remarque : Les temps “géologiques”
Phanérozoique
(Ga) Protérozoique
Paléozoique CénozoiqueMésozoique
Hadéen Archéen
Temps 0 0.7 2.0 4.0 4.5
Age 4.5 3.8 2.5 0.543
0.248
0.065
Précambrien
Hadéen :
• Pas une période “géologique” : pas de roches de cet âge
• Formation du système solaire, condensation et accrétion/différenciation de laTerre
• Terre d’abord fondue (océan magmatique) puis solidification
◮ Période mal connue
C.Grigne - UE Terre Profonde 229
Remarque : Les temps “géologiques”
Phanérozoique
(Ga) Protérozoique
Paléozoique CénozoiqueMésozoique
Hadéen Archéen
Temps 0 0.7 2.0 4.0 4.5
Age 4.5 3.8 2.5 0.543
0.248
0.065
Précambrien
Archéen :
• Quelques roches continentales de cet âge
• Premières traces de vie sur Terre : bactéries microfossiles (∼3.5 Ga)
• Atmosphère méthane, ammoniaque...
• Manteau partiellement fondu ?
• Début de la tectonique des plaques ?
C.Grigne - UE Terre Profonde 229
Remarque : Les temps “géologiques”
Phanérozoique
(Ga) Protérozoique
Paléozoique CénozoiqueMésozoique
Hadéen Archéen
Temps 0 0.7 2.0 4.0 4.5
Age 4.5 3.8 2.5 0.543
0.248
0.065
Précambrien
Protérozoïque :
• Croûte continentale stable - Traces géologiques de supercontinents
• Entre 1.6 et 1.0 Ga : changement de composition de l’atmosphère
• Nombreux fossiles - Premiers eucaryotes (1.8 Ga)
C.Grigne - UE Terre Profonde 229
Remarque : Les temps “géologiques”
Phanérozoique
(Ga) Protérozoique
Paléozoique CénozoiqueMésozoique
Hadéen Archéen
Temps 0 0.7 2.0 4.0 4.5
Age 4.5 3.8 2.5 0.543
0.248
0.065
Précambrien
Paléozoïque :
• “Explosion” de la vie
• Très nombreux fossiles à coquilles - Quelques vertébrés primitifs
• Rodinia se sépare en plusieurs continents - Formation de la Pangée
• S’achève par une extinction massive
C.Grigne - UE Terre Profonde 229
Remarque : Les temps “géologiques”
Phanérozoique
(Ga) Protérozoique
Paléozoique CénozoiqueMésozoique
Hadéen Archéen
Temps 0 0.7 2.0 4.0 4.5
Age 4.5 3.8 2.5 0.543
0.248
0.065
Précambrien
Mésozoïque :
• Apparition des mammifères, dinosaures et plantes angiospermes
• Au départ, supercontinent (Pangée) : Laurasia et GondwanaLa pangée se divise en plusieurs continents
• Fin : extinction massive (dont dinosaures)
C.Grigne - UE Terre Profonde 229
Remarque : Les temps “géologiques”
Phanérozoique
(Ga) Protérozoique
Paléozoique CénozoiqueMésozoique
Hadéen Archéen
Temps 0 0.7 2.0 4.0 4.5
Age 4.5 3.8 2.5 0.543
0.248
0.065
Précambrien
Cénozoïque :
• Ere géologique actuelle
• Développement de mammifères
• Les continents continuent de dériver et gagnent leur position actuelle
C.Grigne - UE Terre Profonde 229
VI - Cinématique des plaques
1) Introduction
2) Cinématique classique
3) Géodésie spatiale
TD - Triangle des vitesses
C.Grigne - UE Terre Profonde 231
VI - 1 Introduction
Cinématique : quantification des mouvements (vitesse et direction)
Hypothèse fondamentale :
• Les plaques sont rigides
• Les déformations ont lieu uniquement le long de frontières de
plaques étroites
Deux approches :
• Cinématique “classique” : données océaniques
• Cinématique par géodésie spatiale : sur les continents
C.Grigne - UE Terre Profonde 232
VI - 1 Introduction
Les plaques peuvent être définies par la sismicité globale
C.Grigne - UE Terre Profonde 233
VI - 1 Introduction
Les plaques peuvent être définies par la sismicité globale
• Frontières étroites : dorsales
• Sismicité large pour les zones de subduction :
effet de la profondeur du plan de Wadati-Benioff
• Zones de déformations larges (ex. : Alpes - Himalaya)
C.Grigne - UE Terre Profonde 233
VI - 1 Plaques lithosphériques
Représentation avec largeur des zones de déformations
C.Grigne - UE Terre Profonde 234
VI - 2 Cinématique des plaques “classique”
Approximations faites pour le calcul des vitesses de plaques :
• La Terre est parfaitement sphérique(alors qu’il y a un aplatissement aux pôles de 1/298)
• Les plaques sont des coquilles sphériques infiniment minces(on ne considère pas les épaississements et amincissements de la lithosphère)
• Les mouvements sont concentrés sur des frontières de plaques infinimentminces
C.Grigne - UE Terre Profonde 235
VI - 2 Cinématique des plaques “classiques”
“Règles” pour le mouvement des plaques :
• La divergence aux dorsales est symétrique : il y a autant de nouveau plancherocéanique créé de part et d’autre de la ride.
C.Grigne - UE Terre Profonde 236
VI - 2 Cinématique des plaques “classiques”
“Règles” pour le mouvement des plaques :
• La divergence aux dorsales est symétrique : il y a autant de nouveau plancherocéanique créé de part et d’autre de la ride.
• La subduction est asymétrique : seule une plaque plonge.
C.Grigne - UE Terre Profonde 236
VI - 2 Cinématique des plaques “classiques”
“Règles” pour le mouvement des plaques :
• La divergence aux dorsales est symétrique : il y a autant de nouveau plancherocéanique créé de part et d’autre de la ride.
• La subduction est asymétrique : seule une plaque plonge.
• Le mouvement relatif de deux plaques le long d’une faille transformante estparallèle à cette faille.
C.Grigne - UE Terre Profonde 236
VI - 2 Cinématique des plaques : données
Trois types de mouvement le long des frontières de plaques,
avec différents types de données pour calculer les vitesses :
� Divergence :
• Anomalies magnétiques
• Ages des sédiments
• Mécanismes au foyer (en zones de rift pour avoir la direction d’extension)
C.Grigne - UE Terre Profonde 237
VI - 2 Cinématique des plaques : données
Trois types de mouvement le long des frontières de plaques,
avec différents types de données pour calculer les vitesses :
� Divergence :
• Anomalies magnétiques
• Ages des sédiments
• Mécanismes au foyer (en zones de rift pour avoir la direction d’extension)
� Coulissement
• Morphologie
• Séismes et mécanismes au foyer (pour avoir l’orientation des failles et le sens du
mouvement)
C.Grigne - UE Terre Profonde 237
VI - 2 Cinématique des plaques : données
Trois types de mouvement le long des frontières de plaques,
avec différents types de données pour calculer les vitesses :
� Divergence :
• Anomalies magnétiques
• Ages des sédiments
• Mécanismes au foyer (en zones de rift pour avoir la direction d’extension)
� Coulissement
• Morphologie
• Séismes et mécanismes au foyer (pour avoir l’orientation des failles et le sens du
mouvement)
� Convergence
• Mécanismes au foyer (direction de la convergence)
◮ Pas d’accès direct aux vitesses
C.Grigne - UE Terre Profonde 237
VI - 2 Rotation des plaques et pôles d’Euler
• Tout mouvement d’un solide à la surface d’une sphère correspond à unerotation autour d’un pôle (pôle d’Euler)
P
A
B
• Quand deux plaques divergent : lespoints les plus proches du pôled’Euler ont une vitesse de diver-gence moins élevée que les pointséloignés du pôle d’Euler
C.Grigne - UE Terre Profonde 238
VI - 2 Rotation des plaques et pôles d’Euler
• Tout mouvement d’un solide à la surface d’une sphère correspond à unerotation autour d’un pôle (pôle d’Euler)
P
A
B
• Quand deux plaques divergent : lespoints les plus proches du pôled’Euler ont une vitesse de diver-gence moins élevée que les pointséloignés du pôle d’Euler
C.Grigne - UE Terre Profonde 238
VI - 2 Rotation des plaques et pôles d’Euler
• Tout mouvement d’un solide à la surface d’une sphère correspond à unerotation autour d’un pôle (pôle d’Euler)
P
A
B
• Quand deux plaques divergent : lespoints les plus proches du pôled’Euler ont une vitesse de diver-gence moins élevée que les pointséloignés du pôle d’Euler
• La vitesse d’écartement ne varie pasde manière continue le long de laride : la ride est découpée ensegments
C.Grigne - UE Terre Profonde 238
VI - 2 Rotation des plaques et pôles d’Euler
• Tout mouvement d’un solide à la surface d’une sphère correspond à unerotation autour d’un pôle (pôle d’Euler)
P
A
B
• Quand deux plaques divergent : lespoints les plus proches du pôled’Euler ont une vitesse de diver-gence moins élevée que les pointséloignés du pôle d’Euler
• La vitesse d’écartement ne varie pasde manière continue le long de laride : la ride est découpée ensegments
• Les failles transformantes accom-modent les différences de vitesseentre les points proches et éloignésdu pôle d’Euler
C.Grigne - UE Terre Profonde 238
VI - 2 Failles transformantes
• Les failles transformantes sont le long de petits cercles sur la sphère
• Le long d’une ride, les failles transformantes sont “concentriques”
• Les perpendiculaires à ces petits cercles se croisent au pôle de rotation desplaques
◮ Les failles transformantes donnent la direction de la divergence
C.Grigne - UE Terre Profonde 239
VI - 2 Failles transformantes
• Les failles transformantes sont le long de petits cercles sur la sphère
• Le long d’une ride, les failles transformantes sont “concentriques”
• Les perpendiculaires à ces petits cercles se croisent au pôle de rotation desplaques
◮ Les failles transformantes donnent la direction de la divergence
C.Grigne - UE Terre Profonde 239
VI - 2 Failles transformantes
• Les failles transformantes sont le long de petits cercles sur la sphère
• Le long d’une ride, les failles transformantes sont “concentriques”
• Les perpendiculaires à ces petits cercles se croisent au pôle de rotation desplaques
◮ Les failles transformantes donnent la direction de la divergence
C.Grigne - UE Terre Profonde 239
VI - 2 Cinématique classique
� La vitesse apparente des plaques peut être mesurée perpendiculairement auxrides
� Les mesures de vitesse d’écartement sont moyennées sur 3 Ma :
• Les vitesses sont calculées à partir des anomalies magnétiques
• Pour des dorsales lentes, la première anomalie visible est à 3 Ma
C.Grigne - UE Terre Profonde 240
VI - 2 Cinématique classique
� La vitesse apparente des plaques peut être mesurée perpendiculairement auxrides
� Les mesures de vitesse d’écartement sont moyennées sur 3 Ma :
• Les vitesses sont calculées à partir des anomalies magnétiques
• Pour des dorsales lentes, la première anomalie visible est à 3 Ma
C.Grigne - UE Terre Profonde 240
VI - 2 Pôle de rotation
� La vitesse d’ouverture varie en fonction de la distance au pôle de rotation
P
A
B
C.Grigne - UE Terre Profonde 241
VI - 2 Pôle de rotation
� La vitesse d’ouverture varie en fonction de la distance au pôle de rotation
A
B
C.Grigne - UE Terre Profonde 241
VI - 2 Pôle de rotation
� La vitesse d’ouverture varie en fonction de la distance au pôle de rotation
C.Grigne - UE Terre Profonde 241
VI - 2 Pôle de rotation
� La vitesse d’ouverture varie en fonction de la distance au pôle de rotation
� Le mouvement d’une plaque est définie par
• la position du pôle de rotation
• la vitesse angulaire ω de la plaque par rapport à ce pôle
C.Grigne - UE Terre Profonde 241
VI - 2 Pôle de rotation
� La vitesse d’ouverture varie en fonction de la distance au pôle de rotation
� Le mouvement d’une plaque est définie par
• la position du pôle de rotation
• la vitesse angulaire ω de la plaque par rapport à ce pôle
� La vitesse apparente est V = RT ω sin∆
∆ : distance angulaire du point considéré au pôle de rotation
C.Grigne - UE Terre Profonde 241
VI - 2 Mouvement des plaques
� A partir des vitesses apparentes le long des dorsales, on peut calculer laposition du pôle de rotation et la vitesse angulaire des plaquesExemple : NUVEL-1 (R. Gordon)Mouvement avec la Plaque Pacifique fixée
PlaquePôle de rotation Vitesse angulaire
Latitude Longitude (deg/Ma)
Eurasie 61.1 N 85.8 W 0.8985
Afrique 59.2 N 72.2 W 0.9695
Inde 60.5 N 30.4 W 1.1539
Amérique du Nord 48.7 N 78.2 W 0.7829
Amérique du Sud 55.0 N 85.8 W 0.6657
Cocos 36.8 N 108.6 W 2.0890
Australie 60.1 N 1.7 E 1.1236
C.Grigne - UE Terre Profonde 242