T1_C2_2_La dynamique de la lithosphère (suite)

 T1_C2_2_2_La dynamique des zones de divergence 

Connaissances 

La divergence des plaques de part et d’autre des dorsales océanique permet la mise en place d’une nouvelle lithosphère. 

Celle-ci se met en place par apport de magmas mantelliques à l’origine d’une nouvelle croûte océanique (gabbro + basalte) : c'est l'accrétion océanique. La fusion partielle à l'origine de ce magmatisme basaltique à l’aplomb des dorsales s’explique par la décompression adiabatique (température constante) de manteau asthénosphérique (péridotite) chaud ascendant. 

Système magmatique au niveau de l'axe de la dorsale océanique : l'asthénosphère subit la fusion partielle lors de sa décompression adiabatique, générant des magmas basaltiques qui cristallisent en profondeur en gabbros, ou en filons et en surface en basaltes : c'est l'accrétion océanique, à l'origine de la croûte océanique.

Diagramme Pression/Température des changements d'état de la péridotite : le géotherme est anormalement élevé (chaud) sous l'axe de la dorsale, ce qui permet de croiser la droite du solidus de la péridotite et la fusion partielle de celle-ci (points rouges) . La flèche bleue représente la décompression adiabatique (remontée) de la péridotite asthénosphérique vers 1300°C.

Dans certaines dorsales (dorsales lentes) l’activité magmatique est plus réduite et la divergence met directement à l’affleurement des zones du manteau (péridotite).

 

La nouvelle lithosphère formée se refroidit en s’éloignant de l’axe et s’épaissit avec l'âge. Cet épaississement induit une augmentation progressive de la densité de la lithosphère, jusqu'à la subduction avant 200 Ma, quand sa densité dépasse celle du manteau asthénosphérique.

Au cours du temps, en s'éloignant de la dorsale, le manteau asthénosphérique refroidit (< 1300°C) et devient du manteau lithosphérique. La lithosphère s'épaissit, se contracte et devient plus dense.

Autour de 160 à 200 Ma, la densité de la lithosphère océanique dépasse celle de l'asthénosphère et rentre en subduction dans celle-ci. La traction gravitaire générée se fait ressentir sur toute la lithosphère jusqu'à la dorsale océanique.

Pourcentage des frontières en subduction d'une plaque en fonction de sa vitesse d'accrétion.
On remarque que les plaques ayant un fort pourcentage de frontière en subduction, ont une vitesse d'accrétion plus rapide (en violet) par rapport aux autres plaques (en jaune). 

La croûte océanique et les niveaux superficiels du manteau sont le siège d’une circulation d’eau qui modifie les minéraux du basalte, du gabbro et de la péridotite et les transforme en serpentinite (riche en serpentine*), gabbros à hornblende*, gabbros à chlorite*... c'est l'hydrothermalisme.

* minéraux riche en eau.

Capacités

- Études de l’affleurement à la roche des basaltes/gabbros/péridotites et leurs équivalents hydratés (serpentinite, gabbros à hornblende, etc.). 

- Calcul de la densité moyenne de l’ensemble croûte – manteau lithosphérique en fonction de son épaisseur, puis de son âge en utilisant une loi empirique reliant épaisseur et âge. 

T1_C2_2_3_La dynamique des zones de convergence 

Les zones de subduction 

Connaissances 

La lithosphère océanique âgée, épaisse et dense plonge en profondeur au niveau d’une zone de subduction. Les zones de subduction sont caractérisées par un flux géothermique faible, une activité sismique anormalement profonde (plan de Wadati-Benioff), et le siège d’un magmatisme sur la plaque chevauchante.

 

Le volcanisme est de type explosif (panache plinien, nuée ardente, dôme de lave visqueuse riche en Silicium Si) : les roches mises en place montrent une diversité pétrologique (andésite/diorite ; rhyolite/granite) mais leur minéralogie (amphiboles*, micas*,..) atteste toujours de magmas riches en eau.

Roches volcaniques (texture microlithique à gauche) et leurs équivalents plutoniques (texture grenue à droite) dans les zones de subduction : globalement, les roches sont plus claires que le basalte et le gabbro car plus riche en Si (roches intermédiaires en haut et roches acides en bas)

Lames minces obervées en LPA, de roches volcaniques (texture microlithique à gauche) et leurs équivalents plutoniques (texture grenue à droite) dans les zones de subduction : les minéraux gris mâclés et zonés d'aspect "sale" sont dominants : les Feldspaths, les minéraux "propres" blancs à gris (en bas) sont les Quartz, les minéraux marrons et verts sont des Amphiboles (Hornblendes) et des Micas (Biotites ou micas noirs) = ce sont les minéraux hydratés. A gauche, dans les roches volcaniques, la "pâte" sombre qui englobe les minéraux non jointifs (phénocristaux) est du verre volcanique à structure amorphe.

Ces magmas sont issus de la fusion partielle du coin de manteau situé sous la plaque chevauchante ; ils peuvent s'exprimer en surface (volcanisme explosif) ou peuvent cristalliser en profondeur (structure grenue), sous forme de massifs plutoniques dioritiques et granitiques.

Ces magmas hydratés et riche en silicium peuvent subir des modifications (cristallisation fractionnée, mélange de magma, contamination par l'encaissant) lors de leur ascension, ce qui explique la diversité chimique des roches.

La cristallisation fractionnée est un phénomène magmatique induit par les températures de cristallisation différentes des minéraux. A partir d'un magma initial(basaltique), les premiers cristaux à cristalliser tombent au fond de la chambre magmatique et forment une première roche. Le magma résiduel à une composition différente du magma initial, et si le phénomène se poursuit il donnera une autre roche, et ainsi de suite... Les premiers minéraux à cristalliser sont : les Felspaths plagioclases et les Pyroxènes (Basaltes), puis les Amphiboles et les micas (Andésites), et enfin les Fedspaths Orthose et le Quartz (Rhyolite), ainsi la roche la plus différenciée est riche plus riche en Si qu'en Fe et Mg.

En plus du phénomène de cristallisation fractionnée, les mélanges de magmas entre deux chambres magmatiques et/ou la contamination du magma par les roches qui l'entourent, contribuent à la différentiation des magmas et donc à la diversité des roches magmatiques dans les zones de subduction.

La fusion partielle des péridotites est favorisée par l’hydratation du coin de manteau qui abaissent sa température de fusion (déformation du solidus hydraté). 

Diagramme Pression/Température des changements d'état de la péridotite : le géotherme est anormalement bas (froid ; courbe bleue) dans les zone de subduction, ce qui ne permet pas de croiser la droite du solidus de la péridotite et la fusion partielle de celle-ci (courbe rouge) . Cependant, une hydratation du manteau par un apport d'eau permet une déformation du solidus (solidus hydraté en rose) vers de plus basses températures et de franchir le géotherme : la fusion partielle devient possible à moins de 1000°C. De plus, le magma formé sera plus riche en silice que sous les dorsales.

Les fluides hydratant le coin de manteau sont apportés par des transformations minéralogiques du métamorphisme HP-BT (Haute pression / Basse température) affectant la lithosphère en subduction, dont une partie a été hydratée au niveau des zones de dorsales par hydrothermalisme.

Schéma-Bilan : Source et transfert de l'eau à l'origine du magmatisme de subduction.

Diagramme Pression/Température , Faciès métamorphiques (domaine de stabilité des minéraux dans une roche de composition basaltique/gabbro), et réactions du métamorphisme HP/HT (On remarque la perte d'eau aux réactions 3 et 4)

La mobilité des plaques lithosphériques résulte de phénomènes de convection impliquant les plaques elles-mêmes et l’ensemble du manteau.

Autour de 160 à 200 Ma, la densité de la lithosphère océanique dépasse celle de l'asthénosphère et rentre en subduction dans celle-ci. La traction gravitaire générée se fait ressentir sur toute la lithosphère jusqu'à la dorsale océanique.

Pourcentage des frontières en subduction d'une plaque en fonction de sa vitesse d'accrétion.
On remarque que les plaques ayant un fort pourcentage de frontière en subduction, ont une vitesse d'accrétion plus rapide (en violet) par rapport aux autres plaques (en jaune). 

 

L’augmentation de la densité de la lithosphère constitue un facteur important contrôlant la subduction et, par suite, les mouvements descendants de la convection. Ceux-ci participent à leur tour à la mise en place des mouvements ascendants.

Processus de la convection thermique, un des trois types de transfert de chaleur.

 

Modèle 1 de la Tectonique des plaques : Les mouvements de convection dans l'asthénosphère semble être le moteur interne de la Tectonique des plaques.

Modèle 2 de la Tectoniques des plaques, plus en accord avec les données géophysiques : la traction gravitaire de la plaque très dense entrant en subduction initie les mouvements descendants. Les remontées de manteau chaud profond correspondent davantage aux panaches mantelliques ascendants des points-chauds alors que les remontées mantelliques sous les dorsales semblent plus superficielles.

Capacités 

-  Analyser les résultats de différentes méthodes pour identifier le plan de Wadati-Benioff. 

-  Relier la minéralogie des roches (présence de minéraux hydroxylés) mises en place
(andésite, rhyolite, granites) et l'état d'hydratation du magma. 

-  Utiliser le diagramme de phases des péridotites pour montrer les effets de l’hydratation. 

-  Comparer la minéralogie d'échantillons illustrant la déshydratation de la lithosphère (schiste bleu ; éclogite). 

-  Discuter les relations entre vitesse d’accrétion et pourcentage de subduction aux frontières
de plaques. 

-  En considérant la densité moyenne de la lithosphère et celle de l’asthénosphère,
déterminer l’épaisseur et l’âge de la lithosphère qui induiraient un déséquilibre gravitaire. Confronter les valeurs aux situations réellement observées.

Les zones de collision

Connaissances 

Après la disparition d'un océan (subduction de toute la lithosphère océanique), l’affrontement de deux lithosphères continentales de même densité conduit à une collision continentale et à un épaississement crustal (doublement de l'épaisseur de la croûte continentale : de 30 à 60 km d'épaisseur environ).

Le profil ECORS-ALP obtenu par la méthode de sismique réflexion à travers les Alpes franco-Italienne a permis la construction d'une coupe géologique interprétative des Alpes à l'échelle de la Lithosphère.

L’épaississement de la croûte résulte d’un raccourcissement (compression) et d’un "empilement" tectonique des matériaux à différentes échelles : couches sédimentaires, croûte et lithosphère.

 

Raccourcissement et empilement sont attestés par un ensemble de structures tectoniques déformant les roches (des plis anticlinaux "n" et synclinaux "u", des pli-failles, des failles le plus souvent inverses, appelés chevauchements si de grandes échelles, et des nappes de charriage).

Structures tectoniques associées à un raccourcissement et à un empilement d'unités géologiques.

 Vidéo du modèle analogique de "raccourcissement de couches sédimentaires" par compression.

Capacités

-  Recenser, extraire et organiser des données de terrain entre autres lors d'une sortie.

-  Observer les profils ECORS (Étude de la Croûte Continentale et Océanique par Réflexion
Sismique).
-  Repérer à différentes échelles, des indices simples de modifications tectoniques, du
raccourcissement et de l'empilement (par exemple avec des données sur la chaîne himalayenne)

3.2 L’évolution comme grille de lecture du monde ET 3.3 L’évolution humaine

3.2 L’évolution comme grille de lecture du monde

Les concepts de biologie évolutive ont une large portée explicative, présentée ici à travers plusieurs exemples. Ils permettent de comprendre l’anatomie comme le résultat d’une longue histoire évolutive, faite d’adaptations (caractères retenus par sélection naturelle), de hasard ( mutations, dérive génétique ), de contingences ( impossibilité de prédire la voie évolutive à un temps donné) et de compromis (entre deux caractères qui se restreignent mutuellement).

Les concepts de variation et de sélection naturelle éclairent des pratiques humaines (médicales et agricoles) et certaines de leurs conséquences.

Savoirs 

Les structures anatomiques présentent des particularités surprenantes d’un point de vue fonctionnel, pouvant paraître sans fonction avérée ou bien d’une étonnante complexité. Elles témoignent de l’évolution des espèces, dont la nôtre.

Les caractères anatomiques peuvent être le résultat de la sélection naturelle mais certains sont mieux expliqués par l’héritage de l’histoire évolutive que par leur fonction.

Le membre chiridien montre différentes configurations de fonction à partir d'une même configuration de structure, héritée d'un ancêtre commun des Vertébrés Tétrapodes.

L’évolution permet de comprendre des phénomènes biologiques ayant une importance médicale (difficultés obstétriques lors de l'accouchement).

L’évolution rapide des organismes microbiens nécessite d’adapter les stratégies prophylactiques, les vaccins et les antibiotiques.

Depuis la révolution agricole, la pratique intensive de la monoculture, la domestication et l’utilisation de produits phytosanitaires ont un impact sur la biodiversité et son évolution.

Savoir-faire

- Expliquer l’origine d’une structure anatomique en mobilisant les concepts de hasard, de variation, de sélection naturelle et d’adaptation (exemple de l’œil).

Anatomie comparée de l'oeil humain et de la pieuvre : la structure est similaire (convergence évolutive) mais la rétine est directe chez la pieuvre (plus efficace du point de vue de l'optique) et inverse chez l'Homme.

L'anatomie complexe d'un organe est contrôlée par plusieurs gènes eux-même sous l'influence d'un gène du développement appelé aussi "gène architecte"

Lors de l'évolution de l'oeil, plusieurs structures dans différents taxon, utilisant des protéines similaires ont eu un succès évolutif : on parle de "bricolage évolutif".

- Interpréter des caractéristiques anatomiques humaines en relation avec des contraintes historiques (comme le trajet de la crosse aortique), des contraintes de construction (comme le téton masculin), des compromis sélectifs (comme les difficultés obstétriques) ou des régressions en cours (comme les dents de sagesse).

L'évolution de la capacités crânienne et de la bipédie (modification de l'os du bassin) ont généré des compromis sélectifs et des difficultés obstétriques. 

Mobiliser des concepts évolutionnistes pour expliquer comment des populations microbiennes pourront à longue échéance ne plus être sensibles à un vaccin (ou un antibiotique) ou comment l’utilisation de produits phytosanitaires favorise le développement de ravageurs des cultures qui y sont résistants.

3.3 L’évolution humaine

La paléoanthropologie construit un récit scientifique de nos origines à partir des archives fossiles. La phylogénie permet d’étudier les relations de parenté entre les espèces actuelles et fossiles d’Hominidés.

Savoirs

L’espèce humaine actuelle (Homo sapiens) fait partie du groupe des primates (ongles et pouce opposable) et est plus particulièrement apparentée aux grands singes (coccyx = absence de queue) avec lesquels elle partage des caractères morpho-anatomiques et des similitudes génétiques (98% de gènes en commun avec le Chimpanzé).

C’est avec le chimpanzé qu’elle partage le plus récent ancêtre commun.

Des arguments scientifiques issus de l’analyse morpho-anatomique (A1 : Crâniométrie) comparée de fossiles permettent de reconstituer l’histoire de nos origines. L’étude de fossiles datés de 3 à 7 millions d’années montre des innovations évolutives caractéristiques de la lignée humaine (bipédie prolongée, forme de la mandibule).

Le genre Homo regroupe l’espèce humaine actuelle et des espèces fossiles qui se caractérisent notamment par le développement de la capacité crânienne. Plusieurs espèces humaines ont cohabité sur Terre (H. sapiens, H. neanderthalensis, H. de denisova).

Arbre phylogénétique du genre Homo et autres Grands Singes actuels ou fossiles

Certains caractères sont transmis de manière non génétique : microbiote, comportements appris dont la langue, les habitudes alimentaires, l’utilisation d’outils (industries lithiques,...)

Savoir-faire

- Analyser des matrices de comparaison de caractères morpho-anatomiques résultant d’innovations évolutives afin d’établir des liens de parenté et de construire un arbre phylogénétique.

- Mettre en relation la ressemblance génétique entre les espèces de primates et leur degré de parenté.

- Positionner quelques espèces fossiles dans un arbre phylogénétique, à partir de l'étude de caractères.

- Analyser des arguments scientifiques qui ont permis de préciser la parenté de Homo sapiens avec les autres Homo, et notamment la parenté éventuelle avec les Néandertaliens ou les Dénisoviens.

T1_C2_2_1_La caractérisation de la mobilité horizontale

 T1_C2_2_La dynamique de la lithosphère 

T1_C2_2_1_La caractérisation de la mobilité horizontale 

Connaissances 

La lithosphère terrestre est découpée en une douzaine de plaques animées de mouvements.

Le mouvement des plaques, dans le passé et actuellement, peut être quantifié par différentes méthodes géologiques :

(1) études des anomalies d'origine paléomagnétique,

(2) mesures géodésiques (données GPS, vecteur déplacement)

(3) détermination de l’âge des roches par rapport à la dorsale (âges des roches sédimentaires au toit des pillow-lava de la croûte océanique),

(4) alignements volcaniques intraplaques liés aux points chauds (panache mantellique).

Les vitesses calculées sont comprises en 2 et 15 cm/an selon les plaques.

La mesure des anomalies magnétiques le long de transects perpendiculaires aux dorsales océaniques montrent une répartition symétrique de ces anomalies, anomalies d'autant plus vieilles que l'on s'éloigne de la dorsale.

Les données GPS (à droite) permettent d'alimenter des modèles numériques (à gauche) et ainsi de reconstituer la position des plaques dans le passé ou de prédire leurs positions futures.

l'âge des sédiments les plus anciens déposés sur le plancher océanique, ainsi que l'épaisseur totale des sédiments, augmentent avec la distance à la dorsale.

 

La distinction de l’ensemble des indices géologiques et les mesures actuelles permettent d’identifier : 

(A) des zones de divergence (dorsales océaniques) et 

(B) des zones de convergence (fosse océanique et chaîne de montagnes continentales).

(C) des zones de coulissage.

Ces différentes limites de plaques lithosphériques ont des caractéristiques géologiques différentes :

- les reliefs (dorsale, fosse, chaîne...)

Les différents reliefs de la Terre aux limites des plaques.

- marqueurs sismologiques (plan wadati-Benioff,...)

- thermiques (mesures de flux thermique (docs ci-dessous), et anomalies en tomographique sismique positive donc froide, ou négative donc chaude)

Le flux géothermique correspond à la quantité d'énergie émise par la Terre (1 Watt = 1 Joules / seconde) par unité de surface (m^2).

Le flux géothermique est très important au niveau des dorsales océaniques, et très faible au niveau des fosses océaniques et des cratons (vieilles croûtes continentales).

- pétrologique (volcanisme basique (basalte sous-marin (pillow-lava); volcanisme acide et intermédiaire (rhyolite et andésite)).

Toit d'une coulée de pillow-lavas, coulée de lave fluide basaltique mise en place sous l'eau, au niveau d'une ancienne dorsale océanique. (Sultanat d'Oman)

SCHEMA-BILAN

Capacités 

A5 et A6- Identifier en utilisant des données sismiques et volcaniques les plaques lithosphériques.

A5 et A6 - Analyser des bases de données de vitesse de déplacement (mesure laser, mesures GPS). 

- Analyser et mettre en relation le flux géothermique surfacique et le contexte
géodynamique à partir de cartes des flux géothermiques surfaciques.
A7 et A8 - Étudier des données magnétiques ou sédimentaires permettant d’établir la divergence de part et d’autre de la dorsale.
A8 - Étude de données sur les dorsales (bathymétrie, forages, etc.).