Cours 6 : Tectonique des plaques

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Cours de première année Géosciences 1, Université Claude Bernard Lyon 1

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  • lorsque les plaques glissent latéralement les unes contre les autres le long de failles; ce type de limites permet d'accommoder des différences de vitesses dans le déplacement des plaques les unes par rapport aux autres
  • Un mécanisme au foyer permet de déterminer quel type de faille est à l'origine du séisme, l'orientation de cette faille, ainsi que la direction de glissement des blocs sur cette faille.
    Cela permet donc de savoir la nature convergente, divergente ou coulissante du mouvement associé. On illustrera d'abord le cas théorique d'une faille décrochante telle que celle montrée sur la figure 1.1. La théorie des mécanismes au foyer utilise les informations obtenues sur le premier mouvement reçu à la station. Ainsi, la composante N-S d'un sismographe placé en A sera en dilatation alors que pour une station en B, elle sera en compression.
  • Le mouvement d’un bloc pouvait être décrit par une simple rotation entre sa position initiale et sa position finale, rotation définie par un axe passant par le centre de la Terre (axe eulérien) et une vitesse angulaire. Les failles transformantes correspondaient à des petits cercles centrés sur l’axe eulérien. Pour determiner l’axe d’Euler du mouvement d’une plaque, il suffit d’identifier un petit cerble qui suit une faille transformante. En réalisant ce travail sur plusieurs failles transformantes, il est possible de déterminer au mieux la position du pôle d’Euler précisément.
  • La même année et indépendamment, Dan Mc Kenzie et Robert Parker développèrent des idées analogues en introduisant le terme de « plaque » et l’année suivant, Xavier Le Pichon, en fit une première application. Il divisa la surface du globe en 6 plaques lithosphériques dont il détermina les frontières à partir de l’activité tectonique et calcula les pôles de rotation de leur mouvement relatif depuis 120 millions d’années. Par la suite, ces mêmes procédés permirent par simple « fermeture » des océans de reconstruire les positions successives des continents depuis 200 millions d’années.
    En 1968, Isaks, Jack Oliver et Lynn Sykes parlèrent de « nouvelle tectonique globale » en vérifiant qu’elle était conforme aux phénomènes sismiques, et Vine et Hess introduisirent l’expression « tectonique des plaques ».
  • Les vitesses de ces déplacements vont de presque rien à plusieurs centimètres par an, jusqu'à 20 cm/an dans certaines régions du Sud-Est asiatique (Papouasie-Nouvelle Guinée) et du Pacifique (Tonga-Kermadec) !
  • Snider-Pelligrini : paléontologie ; Taylor : géologie.
    Wegener a fait une synthèse d’observation pour proposer que les continents avaient été tous réunis en un seul : la Pangée. Il s’opposait aux idées de l’époque qui considéraient que les continents formaient toute la surface du globe et sétaient effondrés avec le refroidissement de la Terre. Tous les arguments de Wegener peuvent être aussi repris d’ailleurs dans ce cadre quasiment.
    Wegener proposait que la dérive des continents pouvait être réalisé grâce à des forces centrifuges qui repoussaient les continents vers l’équateur et à la précession astronomique (la variation de l’axe de rotation de la Terre) - les marées.
  • Cependant, la science à l’époque était déjà très avancée dans les domaines de la physique. Sir Harold Jeffreys, qui notamment a travaillé sur le noyau liquide, demontrait que les forces évoquées par Wegener étaient bien trop faibles pour que les roches se déforment et que les continents bougent. La théorie de Wegener comportait trop de faiblesses. Certes, l’idée de dérive des continents est la bonne, mais les forces mises en jeu et les conséquences n’étaient pas adéquates.
  • C’est l’équipe de Stanley Runcorn dans les années 1950, qui a vraiment démontré la dérive des continents avec des observations indépendantes de celles utilisées dans l’hypothèse de Wegener. Runcorn est un pionnier du paléomagnétisme, l’enregistrement du champ magnétique passé dans les roches.
  • La même année et indépendamment, Dan Mc Kenzie et Robert Parker développèrent des idées analogues en introduisant le terme de « plaque » et l’année suivant, Xavier Le Pichon, en fit une première application. Il divisa la surface du globe en 6 plaques lithosphériques dont il détermina les frontières à partir de l’activité tectonique et calcula les pôles de rotation de leur mouvement relatif depuis 120 millions d’années. Par la suite, ces mêmes procédés permirent par simple « fermeture » des océans de reconstruire les positions successives des continents depuis 200 millions d’années.
    En 1968, Isaks, Jack Oliver et Lynn Sykes parlèrent de « nouvelle tectonique globale » en vérifiant qu’elle était conforme aux phénomènes sismiques, et Vine et Hess introduisirent l’expression « tectonique des plaques ».
  • Comme tout bouge à la surface de la Terre, il est nécessaire de dire par rapport à quoi exactement on définit un mouvement donné.
    On a constaté qu'un certain nombre de volcans (en général marins, les fameux points chauds !) ne bougeaient que très faiblement les uns par rapport aux autres : en gros, ils sont stables et les plaques "défilent" par dessus.
  • Les vitesses de ces déplacements vont de presque rien à plusieurs centimètres par an, jusqu'à 20 cm/an dans certaines région du Sud-Est asiatique (Papouasie-Nouvelle Guinée) et du Pacifique (Tonga-Kermadec) !
  • This kind of image you see it in high school. The seafloor, the continents, the tectonic plates.
    As a geologist, I’d like to start from reconstructing the evolution of the motion of continents and of the seafloor back in time.
  • Remember: a model is there to fill the holes. Can we do that with our model of convection in the mantle?
    Here are the equations: linear but coupled. We use them for a long time. But the rheology is complex and difficult to implement.
  • Cours 6 : Tectonique des plaques

    1. 1. Prochains cours 23 avril, de 10:00 à 13:00 : cours sur le climat (1 classe inversée, 1 classe traditionnelle) 7 mai de 10:00 à 11:30 : préparation à l’examen
    2. 2. Dossier scientifique : Vidéo en ligne le 6 avril QCM en ligne : semaine du 20 avril (créneau de 5h encore en discussion) Dossier scientifique : Vidéo en ligne le 6 avril QCM en ligne : semaine du 20 avril (créneau de 5h encore en discussion)
    3. 3. Continents et fonds océaniques Partie 1 : La tectonique des plaques
    4. 4. Le Quizz d’entréeLe Quizz d’entrée
    5. 5. Quelle observation a été utilisée pour démontrer la dérive des continents ? A. Les fossiles B. La concordance des côtes C. Le paléomagnétisme des roches continentales D. Les traces d’anciens glaciers
    6. 6. La dérive des continents pour Wegener est A. Une hypothèse B. Une théorie C. Un modèle D. Un postulat
    7. 7. A quelle question tentaient de répondre les géologues à l’aube des années 60 ? A. Comment les continents bougent-ils ? B. Pourquoi les roches vieilles sont en altitude ? C. Pourquoi les fonds marins sont-ils en expansion ? D. Y-a-t’il des séismes en dessous de 600km ?
    8. 8. Les anomalies magnétiques des fonds océaniques représentent A. Un champ magnétique contenu dans les roches B. Des variations latérales du champ dans le noyau C. Des inversions périodiques du champ terrestre D. Des vitesses de production de croûte océanique variables
    9. 9. Les chaînes de montagnes sont A. Des limites de plaques B. Des limites de plaques diffuses C. Ne sont pas explicables par la tectonique des plaques
    10. 10. Le pôle d’Euler est A. Le pôle de rotation de la Terre B. L’intersection de la surface terrestre avec l’axe de rotation de la Terre C. L’intersection de la surface terrestre avec l’axe de rotation de la plaque
    11. 11. On peut calculer la vitesse angulaire A. Si on connaît le pôle d’Euler B. Si on connaît la vitesse linéaire C. Si on connaît les deux D. Si on dispose de mesures GPS de la vitesse linéaire
    12. 12. L’origine des mouvements de surface se situe A. Dans le noyau B. Dans le manteau C. Dans la lithosphère D. Dans les zones de subduction
    13. 13. La viscosité du manteau dépend A. De la profondeur B. De la pression C. De la température D. Des contraintes E. De la quantité d’eau dans les roches F. De rien de tout ça
    14. 14. Faire des équipes et vous regrouper Faire des équipes et vous regrouper
    15. 15. Je réponds à vos questions Je réponds à vos questions
    16. 16. Le Big QuizzLe Big Quizz
    17. 17. Question A. Réponse 1 B. Réponse 2 C. Réponse 3 D. Réponse 4 E. Réponse 5
    18. 18. Expliquer « faille transformante » - Quizz Expliquer « faille transformante » - Quizz
    19. 19. Quizz Quel est le sens de déplacement de ces failles transformantes ? a. b. Dorsale Dorsale Dorsale Subduction
    20. 20. Quizz Quel est le sens de déplacement de ces failles transformantes ? c. d. SubductionSubduction Subduction Dorsale
    21. 21. Quizz
    22. 22. Quizz Quel est le sens de déplacement de ces failles transformantes ? a. b.
    23. 23. Quizz Quel est le sens de déplacement de ces failles transformantes ? c. d.
    24. 24. Quizz
    25. 25. Sens du mouvement A. Dextre B. Sénestre
    26. 26. Quizz
    27. 27. Wilson (1965) Transformantes témoins de l’expansion Non transformantes Rides = marqueurs du déplacement SenestreDextre Faille Rides océaniques Faille Failles Les failles transformantes
    28. 28. Les failles transformantes Mécanismes au foyerMécanismes au foyer Détermine le type de faille à l’origine du séisme - orientation - nature convergente, divergente ou coulissante Quadrants compressifs (représentés par convention en noir) Quadrants extensifs (en blanc) Cas d’une faille décrochante Foyer du séisme Cercle Cf. TD !
    29. 29. Trouvez le pôle de rotation Trouvez le pôle de rotation
    30. 30. Plaques Théorème d’Euler géométrie Vitesses en tout point Géométrie des frontières Évolution Des frontières HypothèseHypothèse Les principes de la tectonique des plaques Le modèle géométriqueLe modèle géométrique : Le théorème d’Euler: Le théorème d’Euler PrédictionsPrédictions
    31. 31. Théorème d’Euler : Failles transformantes = Petits cercles dont le centre est sur l’axe du pôle d’Euler Université de Liège http://www.ulg.ac.be/geolsed/geol_gen/geol_gen.htm Les principes de la tectonique des plaques Comment trouver ces pôles ?Comment trouver ces pôles ?  Utiliser les failles transformantes pour déterminer la position des pôles d’Euler FailleFaille transformantetransformante pôlepôle dd’Euler’Euler
    32. 32. UtiliserUtiliser (i) les anomalies magnétiques(i) les anomalies magnétiques (ii) la position du pôle d’Euler(ii) la position du pôle d’Euler  on détermine la vitesse angulaireon détermine la vitesse angulaire VV == ωω.d.d ωω dd VV Les principes de la tectonique des plaques Comment déterminer la vitesse angulaire ?Comment déterminer la vitesse angulaire ?
    33. 33. pôle d’Eulerpôle d’Euler
    34. 34. • Chaque groupe utilise l’application « expérimentale « : Geosciences3d.univ-lyon1.fr -> La dernière ressource • Installer la petit player Unity si vous ne l’avez pas déjà fait • Déterminer le pôle d’Euler du déplacement Amérique du Sud/Afrique • Déterminer la vitesse angulaire
    35. 35. Commenter la vidéo 3D en direct live Commenter la vidéo 3D en direct live
    36. 36. Ce qu’il faut retenirCe qu’il faut retenir •La surface de la Terre bouge à ~3cm/an (= vitesse de croissance des ongles…) •On peut diviser la surface en un puzzle lithosphérique = les plaques •Les mouvements doivent respecter des règles élémentaires de géométrie •La théorie prédit la vitesse en tout point du globe ! •La tectonique des plaques est une THEORIE. Elle est donc simplificatrice et n’explique pas tout par essence
    37. 37. La dérive des continentsLa dérive des continents
    38. 38. http://geosciences3d.univ-lyon1.fr/resources.php#DER_CONT
    39. 39. LadérivedescontinentsLadérivedescontinents Symmétrie des côtesSymmétrie des côtes
    40. 40. LadérivedescontinentsLadérivedescontinents Distribution des espècesDistribution des espèces Les observations
    41. 41. LadérivedescontinentsLadérivedescontinents Relations pétrologiques et structuralesRelations pétrologiques et structurales
    42. 42. LadérivedescontinentsLadérivedescontinents Climat passéClimat passé
    43. 43. LadérivedescontinentsLadérivedescontinents Mouvements latérauxMouvements latéraux
    44. 44. • Isostasie : les roches océaniques sont différentes des roches continentales • Les continents (sial) dérivent sur le manteau (sima) • Forces motrices : isostasie sur un ellipsoïde et marées LadérivedescontinentsLadérivedescontinents Les mécanismes Le modèle de Wegener (1920)Le modèle de Wegener (1920)
    45. 45. LadérivedescontinentsLadérivedescontinents La convection de Holmes (1930)La convection de Holmes (1930)
    46. 46. APW : hypothèse du dipôle terrestre tg (Incl) = 2 cotg (colat) LadérivedescontinentsLadérivedescontinents Les “preuves” Principes du paléomagnétismePrincipes du paléomagnétisme
    47. 47. LadérivedescontinentsLadérivedescontinents Dérive des pôles (1955)Dérive des pôles (1955)
    48. 48. L’expansion des fonds océaniquesL’expansion des fonds océaniques
    49. 49. L’expansiondesfondsocéaniquesL’expansiondesfondsocéaniques Topographie et âge Distribution hypsométriqueDistribution hypsométrique
    50. 50. L’expansiondesfondsocéaniquesL’expansiondesfondsocéaniques Distribution des âgesDistribution des âges
    51. 51. L’expansiondesfondsocéaniquesL’expansiondesfondsocéaniques Distribution des seïsmes : des zones localiséesDistribution des seïsmes : des zones localisées
    52. 52. L’expansiondesfondsocéaniquesL’expansiondesfondsocéaniques Séismes profonds :Séismes profonds : ““plansplans”” dede Wadati-BénioffWadati-Bénioff
    53. 53. Failles transformantes Concept de Wilson (1965)Concept de Wilson (1965) L’expansiondesfondsocéaniquesL’expansiondesfondsocéaniques
    54. 54. Les différents types de failles transformantesLes différents types de failles transformantes L’expansiondesfondsocéaniquesL’expansiondesfondsocéaniques
    55. 55. L’expansiondesfondsocéaniquesL’expansiondesfondsocéaniques Les mécanismes au foyerLes mécanismes au foyer
    56. 56. L’expansiondesfondsocéaniquesL’expansiondesfondsocéaniques
    57. 57. L’expansiondesfondsocéaniquesL’expansiondesfondsocéaniques
    58. 58. L’expansiondesfondsocéaniquesL’expansiondesfondsocéaniques Magnétisme des fonds océaniques Des anomalies mesurablesDes anomalies mesurables
    59. 59. L’expansiondesfondsocéaniquesL’expansiondesfondsocéaniques Un modèle pour leur origineUn modèle pour leur origine
    60. 60. La théorieLa théorie
    61. 61. • Bloc crustal indéformable (élastique) = lithosphère • Se déforme uniquement à ses frontières • Changement de forme : rides et subduction • Conservative : failles transformantes LathéorieLathéorie Plaques et frontières de plaques Concept de plaque (Morgan, 1968)Concept de plaque (Morgan, 1968)
    62. 62. Plaques Théorème d’Euler géométrie Vitesses en tout point Géométrie des frontières Évolution Des frontières HypothèseHypothèse Règles géométriques Le modèle géométriqueLe modèle géométrique : Le théorème d: Le théorème d’’EulerEuler PrédictionsPrédictions LathéorieLathéorie
    63. 63. LathéorieLathéorie http://geosciences3d.univ-lyon1.fr/resources.php#MVT_RIGIDE_SURFACE
    64. 64. LathéorieLathéorie http://geosciences3d.univ-lyon1.fr/resources.php#TTQ_PLAQUE
    65. 65. UtiliserUtiliser (i) les anomalies magnétiques(i) les anomalies magnétiques (ii) la position du pôle d(ii) la position du pôle d’’EulerEuler  on détermine la vitesse angulaireon détermine la vitesse angulaire VV == ωω.d.d ωω dd VV Comment déterminer la vitesse angulaire ?Comment déterminer la vitesse angulaire ? LathéorieLathéorie
    66. 66. http://lab3d.univ-lyon1.fr/Geology/app6/
    67. 67. Chaîne de lChaîne de l’’Empereur (Hawaii)Empereur (Hawaii) Mesurer des vitessesMesurer des vitesses Points chauds = panaches profondsPoints chauds = panaches profonds Les points chauds LathéorieLathéorie
    68. 68. Identifier les points chaudsIdentifier les points chauds  un reférentiel absoluun reférentiel absolu LathéorieLathéorie
    69. 69. Quelles prédictions permet la théorie ? Les vitesses en tout point (modèle NUVEL-1)Les vitesses en tout point (modèle NUVEL-1) pôle dpôle d’’Euler AntarctiqueEuler Antarctique LathéorieLathéorie
    70. 70. Les vitesses en tout pointLes vitesses en tout point LathéorieLathéorie
    71. 71. Evolution dEvolution d’’une jonction tripleune jonction triple LathéorieLathéorie
    72. 72. Stabilité des jonctions triples LathéorieLathéorie
    73. 73. 55
    74. 74. 33
    75. 75. 22
    76. 76. Claire L. Evans
    77. 77. Limites de la théorieLimites de la théorie
    78. 78. LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie
    79. 79. LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie GPS : PrincipesGPS : Principes Confrontations aux mesures instantannées
    80. 80. Application à lApplication à l’’Amérique du SudAmérique du Sud LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie
    81. 81. LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie
    82. 82. Dynamique LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie
    83. 83. LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie
    84. 84. LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie
    85. 85. LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie
    86. 86. LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie
    87. 87. LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie
    88. 88. LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie
    89. 89. Depuis quand « existe » la tectonique desDepuis quand « existe » la tectonique des plaques?plaques? LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie
    90. 90. Et sur les autres planètes?Et sur les autres planètes? LimitesdelathéorieLimitesdelathéorie

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