TP2 - Le mouvement des
plaques
retour cours 1èreS
TP 2.1 Retrouver les
mouvements passés des plaques par les anomalies
magnétiques
Q1. Représentez sur un globe la direction du champ
magnétique terrestre
Si vous ne savez pas répondre à cette question, il vous
faut, en vous aidant du schéma A1 p 66 (Belin), comprendre que
la terre peut être assimilée à un masse
magnétique dont le pôle sud magnétique se trouve
approximativement au pôle Nord géographique et,
inversement, dont le pôle nord magnétique se trouve
approximativement au pôle Sud géographique. L'angle
entre les pôles magnétiques et géographiques est
nommé la déclinaison. Sa valeur est
indiquée sur les cartes de navigation par exemple.
Le champ magnétique terrestre est
représenté ici par des lignes de champ,
c'est-à-dire des lignes selon lesquelles est orienté le
vecteur "champ magnétique" ou encore le vecteur qui indique la
direction (la ligne) et le sens (la flèche) du champ
magnétique terrestre. Une boussole placée sur cette
ligne s'oriente de façon à ce que son aiguille (en fer
légèrement aimantée) indique par son
extrêmité notée Nord, le nord
géographique, qui est en fait le sud magnétique
(l'aiguille de la boussole, aimantée présente elle
même un petit champ magnétique qui s'oriente
parallèlement au champ magnétique terrestre, la Nord
magnétique de l'aiguille vers le Sud magnétique de la
terre, c'est-à-dire le Nord géographique); en effet les
pôles N et S magnétiques de deux aimants s'attirent et
les pôles de même orientation magnétique se
repoussent.
La figure B3 de la page 69 (Belin) présente un
enregistrement du champ magnétique terrestre fossile
(passé) des quelques 7 derniers millions d'années
à partir de basaltes islandais. (Pour comprendre la
méthode lire le texte A3 p 66 et A1b p 68 du Belin)
Q2.1. A quoi sont dues (au niveau des roches) les variations du
champ magnétique observé ?
Les roches, soit sédimentaires, soit
plutoniques, qui possèdent des minéraux
magnétiques ou ferro-magnétiques (comme la
magnétite: Fe3O4ou l'hématite
Fe2O3 ), peuvent avoir un PETIT champ
magnétique propre. On peut dire que ce sont de petits
aimants inclus dans la roche. Les minéraux
magnétiques d'une roche en formation s'aimantent dans le champ
magnétique terrestre au moment de leur cristallisation. Du
fait de la somme des petits champs magnétiques dus à
ses minéraux magnétiques, et seulement si le vecteur
résultant de la somme de tous ces champs n'est pas de longuer
nulle, la roche présente alors un PETIT champ
magnétique qui vient s'ajouter au champ magnétique
terrestre. La roche n'est donc elle-même un PETIT aimant
que si la somme des aimantations de ses petits cristaux
aimantés n'est pas nulle. L'aimantation de la roche peut
ainsi s'ajouter au champ magnétique terrestre: en plus ou en
moins. Ce que l'on nomme des anomalies magnétiques. Elles sont
positives si l'intensité du champ magnétique
mesuré en un point est supérieur au champ
magnétique terrestre en ce point, et négatives si le
champ mesuré est inférieur au champ magnétique
terrestre.
L'orientation des paillettes de magnétite (déjà
aimantées) dans le champ d'un fort aimant: une seule ligne de
champ a été représentée et seule la
partie la plus épaisse de la ligne de champ indique un champ
suffisant pour orienter les paillettes qui doivent se déplacer
dans la boue.
(D'après
Géologie, objets et méthodes, J. Dercourt et J. Paquet,
Dunod, 1992, Fig 11.4 p 181)
Remarque: l'utilisation du
magnétisme fossile (rémanant) d'une roche est
très difficile et délicat à exploiter:
- pour une boue sédimentaire qui contient des paillettes de
minéraux magnétiques détritiques (issues de la
dégradation d'autres roches) présentant un champ
propre, même très faible, leur orientation dans le champ
magnétique terrestre fossilisée lors de la
diagénèse (transformation du sédiment en roche)
est une vraie fossilisation de la direction du champ
magnétique terrestre au moment de la compaction.
- dans de nombreuses autres roches sédimentaires, les cristaux
de minéraux ferromagnétiques sont
néoformés (croissent progressivement) au cours de la
sédimentation, ou pire, au cours de la
diagénèse, et les aimantations sont alors trop
faibles pour être utilisables.
- dans les roches volcaniques riches en oxydes
ferromagnétiques il peut aussi y avoir un véritable
enregistrement du champ magnétique fossile si les cristaux
de magnétite cristallisent rapidement et acquièrent une
aimantation rémanente (qui reste après
refroidissement en dessous de la température du point de
Curie soit 578°C) suffisante, puis une orientation nette,
et enfin si la roche peut être datée
précisément. Cette aimantation peut aussi être
altérée par des épisodes postérieurs de
métamorphisme, car si les basaltes ne fondent pas au-dessous
de 1000°C enciron, ils peuvent tout de même perdre leur
aimantation dès que le point de Curie est atteint. Une
nouvelle aimantation est acquise dès que le point de Curie est
atteint lors d'un nouveau refroidissement.
Q2.2bis. Quelles sont les principales variations du champ
magnétique observées ?
D'une part des inversions brusques du signe
des anomalies et d'autre part des variations faibles de même
signe pendant des périodes assez longues (de l'odre de 200.000
à 500.000 ans).
Q2.3. A quoi sont dues (au niveau du champ magnétique
terrestre) ces variations ?
Les inversions brusques du signe des
anomalies sont dues aux inversions du champ magnétique
terrestre qui, de façon erratique, change de sens: le
pôle nord magnétique devient le pôle sud et
inversement. On connaît des modèles physiques simples de
noyau terrestre (mettant notammment en jeu le noyau interne, solide,
en rotation au sein du noyau externe, liquide) qui rendent compte de
ces inversions.
Les variations plus faibles dans des périodes de même
signe du champ magnétique terrestre peuvent être dues
à des conditions locales d'enregistrement du champ
magnétique fossile: des épaisseurs variables de roches
magnétiques par exemple...
Q2.3. A quoi peuvent-elles nous servir ?
Les inversions du champ magnétique
terrestre étant globales et fossilisées dans certaines
roches, elles peuvent nous servir d'échelle
chronologique si l'on arrive à unifier les données
magnétiques fossiles.
(voir par exemple
l'échelle paléomagnétique des 160
derniers millions d'années dans Géologie, objets et
méthodes, J. Dercourt et J. Paquet, Dunod, 1992, Fig 11.16 p
187)
Les petites variations locales du champ magnétique peuvent
être utilisées pour détecter à distance
des structures géologiques cachées présentant un
certain magnétisme.
Q2.4. Que peut-on en déduire sur la formation des
basaltes océaniques à l'axe de la dorsale lorsque l'on
obtient une carte d'anomalies du type de celle
présentée dans le document A2 p 68 du Belin ?
A l'axe de la dorsale les basaltes
océaniques qui contiennent des minéraux
ferromagnétiques en quantité suffisante pour
enregistrer un magnétisme rémanent qui s'ajoute au
champ magnétique terrestre actuel, forment donc des bandes
parallèles à l'axe de la dorsale océanique.
Chaque bande, disposée symétriquement de part et
d'autre de l'axe de la dorsale, a enregistré un
magnétisme rémanent qui s'ajoute au magnétisme
actuel et qui se traduit par une anomalie positive si le champ
magnétique fossile était de même signe que le
champ actuel (bande sombre) et une anomalie négative si le
champ magnétique fossile était dans la direction
opposée (bande claire). La bande centrale, située sur
l'axe de la dorsale est donc bien toujours sombre car le
magnétisme rémanent, a la même direction que le
champ magnétique terrestre actuel et l'anomalie ne peut donc
être que positive.
Le paléomagnétisme (direction du champ
magnétique fossile enregistré dans certaines roches)
permet aussi de retrouver les mouvements des plaques grâce
à la méthode présentée dans le document B
p 67 du Belin.
Cette technique est encore plus délicate
à manier que celle qui utilise la chronolmogie basée
sur les inversions du champ magnétique terrestre: il s'agit ni
plus ni moins d'utiliser le champ magnétique rémanent
des roches, pourtant extrêmemnt faible, pour déterminer
la direction du pôle Sud magnétique fossile (Nord
géographique en période normale) ou inversement si l'on
est dans une période d'inversion du cham magnétique (le
pôle N géographique coïncidant alors avec le
pôle N magnétique). A cette difficulté s'ajoute
l'ignorance de la valeur de la déclinaison, qui varie et qui
augmente l'incertitude sur la position du N géographique
"fossile" ou plutôt passé. On peut néanmoins
retracer des cartes de position successives des pôles
géographiques en supposant les continents fixes ou, de
façon plus cohérente avec la théorie de la
tectonique des plaques, des cartes de dérive des continents,
les pôles étant supposés fixes.
Q3. Comme exercice d'application, vous ferez l'exercice n°7 p
76 du Belin
L'histoire géologique de la
Méditerrannée occidentale
a) pendant l'Oligocène, qui a duré 12 millions
d'années (voir page de garde de votre livre), les pôles
magnétiques ont pu changer plusieurs fois de direction
(plusieurs périodes normales et inverses), ce qui expliquerait
que l'on distingue essentiellement deux directions opposeés:
une, voisine de la direction du Nord magnétique actuel et une
autre opposée de 180° à la première. On
note aussi l'alternance systématique entre les deux directions
opposées si les chiffres indiquent une chronologie... ce qui
n'est pas précisé dans le sujet.
b) A l'Oligocène la direction moyenne serait environ
située à 40° vers l'W de la direction
actuelle.
c) Le décalage entre les deux directions fossiles et l'axe N-S
actuel (environ 40°) pourrait être du à un
changement de direction global des roches analysées par
rapport à la direction du champ magnétique terrestre,
du par exemple à un mouvement de la plaque sarde (qui porte la
Sardaigne) par rapport aux plaques avoisinantes supposées
fixes.
d) Les déclinaisons magnétiques (angle mesuré
entre le N géographique passé, supposé ici fixe
et le N magnétique passé, supposé ici
enregistré dans la roche volcanique) sont situées entre
310 et 325° (50 et 35°W) entre -21 et -25 millions
d'années. Puis l'angle diminue rapidement pour s'annuler entre
-21 et -17 millions d'années. Il y a donc une claire
diminution de cet angle entre la fin de l'Oligocène (de -35 Ma
à -23 Ma) et le début du Miocène (-23 Ma
à -5 Ma) (ces chiffres,
sont ceux de votre livre mais ils ne sont pas tout à fait
exacts; une échelle stratigraphique internationale
révisée en 1990 donne des chiffres
légérement différents, voir par exemple
Géologie, objets et méthodes, J. Dercourt et J. Paquet,
Dunod, 1992, p 256) .
e) l'hypothèse d'un mouvement de la Sardaigne se confirme avec
une rotation dont l'angle serait d'environ 40° vers l'Est en
supposant le pôle de la plaque qui la supporterait situé
au pôle N géographique.
f) le document 3 présente l'ouverture océanique d'un
bassin corso-sarde situé entre ces îles et l'Espagne et
dont l'allongement N-E/S-W est compatible avec une ouverture
associée à un pôle de rotation placé au
Nord et un angle de 40 ° environ. Aucun âge n'est
donné ce qui empêche toute utilisation précise
autre qu'une illustration. Dans le détail, si vous reprenez le
cours (...ce sont les failles transformantes qui permettent de
retrouver les pôles de rotation des plaques l'unes par rapport
à l'autre...), on pourrait essayer de distinguer deux
orientations principales, l'une proche de 60° vers l'E et
l'autre presque N-S, et donc deux pôles de rotation puisque!l y
a 3 plaques impliquées. Si l'on souhaite refermer
"l'océan" par la pensée il est possible de
considérer que celui-ci s'est ouvert à plus grande
vitesse (linéaire mais pas angulaire) dans sa partie
médiane, ce qui nécessite un autre point de rotation
situé au Sud pour la partie située entre l'Afrique et
l'Espagne.
g) on pourrait donc résumer l'histoire du bassin W
méditerranéen par un double ouverture
"océanique" liée au mouvement relatif des plaques
espagnole et africaine d'une part, et française et corso-sarde
d'autre part. Le schéma ci-dessous ne considère que la
rotation au niveau de la partie nord du bassin.
D'après les
schémas du Belin, p 76;
Les failles transformantes
indiquent deux pôles de rotation situés, l'un au N-E, et
l'autre au S-W (marqués par une croix
verte)...
N.B. Les arguments
paléomagnétiques ne sont pas des mesures
définitives qui n'acceptent qu'une seule interprétation
mais des mesures imparfaites, perfectibles donc, erronnées
peut-être pour certaines, et qui se prêtent à
plusieurs types d'interprétation: l'ouverture de ce bassin est
loin d'être une histoire bien comprise et qui fasse
l'unanimité chez les géologues.
Conclusion: le
paléomagnétisme a été historiquement une
technique qui a fourni des arguments majeurs à la
théorie de la dérive des continents. Elle a permis de
consituer une échelle chronologique mondiale des inversions
magnétiques qui est toujours utilisée malgré la
délicate mesure et la diffcile interprétation du
paléomagnétisme des roches tant sédimentaires
que volcaniques. La reconstitution de l'histoire des mouvements des
plaques au cours des temps géologiques est un travail qui
n'est pas encore terminé et qui profite de l'affinement de la
théorie de la tectonique des plaques.
TP 2.2 Enregistrer
précisément le mouvement des plaques par le
GPS
Le système de géodésie spatiale ou GPS
(Global Positionning System) permet non seulement de localiser un
point à la surface de la terre en coordonnées de
latitude et longitude mais aussi en hauteur par rapport au
géoïde de référence (surface
théorique de référence du globe terrestre). On
effectue donc actuellement un suivi du mouvement des plaques (en
latitude-longitude) et de la surface du sol et de l'océan,
même si des signaux nombreux empêchent d'avoir en hauteur
la même précision qu'en latitude-longitude (vagues,
végétation...).
Un document TRÈS difficile à analyser.
Le document B (Belin p 81) présente en plus d'un texte
explicatif (à lire) un relevé GPS, entre 1987 et 1990,
des déplacements de points géodésiques
fixés à la terre (croix rouges) et situés de
part et d'autre du rift islandais grossièrement orienté
N-S (ne pas oublier que la dorsale atlantique affleure au niveau de
l'Islande).
Q4.1 Sur le document B5a (sur lequel vous ajouterez une
échelle des distances en km en sachant que la base du carton
représenté fait environ 250 km) comment sont
orientées les flèches indiquant les déplacements
horizontaux (de l'ordre de quelques centimètres par an et donc
moins d'une dizaine de centimètres sur 3 ans) des stations
géodésiques par rapport à l'axe de la dorsale
(ou du rift) ?
A quelques degrés ou dizaine de
degrés près, elles ont la même direction mais un
sens opposé de part et d'autrre de l'axe de la dorsale
(orienté approximativement N-NE/S-SW.
Q4.2. A quoi correspond un tel déplacement par rapport
à ce que vous savez du fonctionnement des dorsales
océaniques ?
Les côtés de la dorsale
océanique s'écartent symétriquement de part et
d'autre de l'axe: c'est l'ouverture océanique.
Q4.3. Comment expliquez-vous le fait que tous les vecteurs
déplacement n'aient pas la même direction ?
Les légères variations de
direction peuvent être dus à des inceritudes de mesures
ou à des mouverments qui ne sont pas vraiment perpendiculaires
à l'axe de la dorsale. En effet, les failles transformantes ne
sont pas rectilignes sur des distances de quelques dizaines de
kilomètres. Ce n'est qu'à l'échelle du globe
(voir carte Belin p4-5) qu'elles nous paraissent rectilignes. En fait
il s'agit d'un réseau de fractures de plus petites dimensions
et les mouvements peuvent être, localerment, très
complexes.
Q4.4. Comment expliquez-vous le fait que tous les vecteurs
déplacement n'aient pas la même longueur ?
Pour la même raison que la
réponse à la question précédente. En plus
des incertitudes sur les mesures, il peut y avoir, localement, des
différences de vitesse d'écartement de deux points
symétriques de part et d'autre de la dorsale.
Q4.5. Le fait que les déplacements ne soient pas
absolument identiques peut-il avoir une incidence sur
l'activité sismique de la région ?
Si le mouvement de deux blocs voisins se
fait dans le même sens mais dans une direction
légèrement différente et à des vitesses
différentes, on peut s'attendre à des frottements et
donc à des séismes qui seront des relâchements
brusques des contraintes ainsi enmagasinées (voir la
page
sur les séismes et
particulièrement le petit modèle proposé dans un
numéro récent de La Recherche)..
Sur le document B5b sont représentées les mesures
(points verts) de la composante perpendiculaire au rift pour
chaque station (plus ou moins éloignée de l'axe de la
dorsale ou rift) avec leur barre d'incertitude (trait vert).
Q5.1. Quelle est la valeur moyenne de l'incertitude sur la mesure
de la distance de déplacement ? (n'oubliez pas
l'unité)
Environ 10 cm (soit une incertitude ±
5 cm).
Q5.2. Pourquoi n'a-t-on pas représenté
d'incertitude selon l'axe de la distance au rift ?
Elle est considérée comme
nulle puisque la station, fixée au sol, ne peut pas avoir
bougé par rapport à son point d'ancrage dans
celui-ci.
Q5.3. Que représente la courbe tracée en rouge
?
Le profil des déplacements ou la
variation des déplacements des stations fixés au sol
par rapport à leur distance à l'axe de la dorsale (en
km) mesurée sur une période de 3 ans (1987-1990).
C'est-à-dire la valeur la plus probable (dans une
modéle physique), pour chaque station, du déplacement
modélisé dans le cadre d'une ouverture
symétrique (quasi-symétrie de la courbe par rapport aux
axes des origines) et régulière (courbe
optimisée par une fonction mathématique).
Q5.4. Quelle est ,dans les 40 km de part et d'autre de l'axe du
rift, la relation entre la composante perpendiculaire au rift du
mouvement et la distance ?
Dans les 40 premiers km de part et d'autre
de l'axe du rift, les valeurs du déplacement augmentent
régulièrement avec la distance au rift sur une droite
de pente d'environ 1 cm pour 2,5 km. Le fait que le
déplacement moyen puisse être modélisé par
une droite passant par l'origine signifie que le mouvement est
régulier et symétrique par rapport à cette
origine.
Q5.5. Quelle est cette même relation pour des distances
supérieures à 40 km de l'axe du rift ?
Le déplacement reste
approximativement symétrique par rapport à l'axe mais
son augmentation cesse puis il semble diminue en intensité. On
a donc à partir de ce sommet situé à environ
30-40 km de la dorsale un changement de sens du déplacement
qui diminue progressivement à une centaine de km de part et
d'autre de la dorsale: la valeur atteinte est quasiment nutte si l'on
se réfère au point de symétrie de la courbe
modèle (en rouge) mais reste d'environ quelques cm si l'on se
réfère à l'origine des axes de
mesure.
Q5.6. Cherchez une explication à cette
différence
On aurait donc une atténuation du
mouvement maximal à l'axe pour arriver, à des distances
suépérieures à la centaine de km de l'axe,
à un mouvement plus faible mais qui peut être de l'ordre
du centimètre par an, ce qui est la vitesse moyenne
d'écartement mesurée par différentes technique
pour la partie nord de la dorsale atlantique (voir carte 3 p 85,
Belin). La topographie des déplacements à l'axe de la
dorsale est donc, une fois de plus complexe et nécessite de
faire jouer des failles nombreuses aux directions variables... bref,
le modèle simpliste de mon cours n'est pas adapté
à l'analyse de véritables documents scientifiques comme
celui qui vous est proposé.
L'exercice qui suit remet en cause un paramètre que nous
n'avons pas discuté: c'est la position de l'axe de la dorsale
atlantique...
Exercice à faire chez soi: n°4 p 89 (Belin) et
à rendre pour le prochain cours (vous pouvez vous aider de la
p 80 du Belin):
L'Islande, un ensemble volcanique
complexe
a) Le volcanisme islandais est d'une part issu du fonctionnement d'un
point chaud (nommé et positionné sur les cartes) et du
volcanisme particulier du au fonctionnement d'une dorsale
océanique durant les 36 derniers millions d'années
(l'Islande est représentée sur la carte
"actuelle").
b) Si l'on considère le point chaud comme fixe, il est
actuellement situé sous l'Islande; il était, il y a 36
millions d'années positionné à la limite du
plateau continental groenlandais; le mouvement entre ceux positions
s'est fait dans une direction W/N-W // E/S-E avec un
déplacement vers l'W de la plaque groenlandaise. Il y a 50
millions d'années, le point chaud était situé en
bordure du continent groenlandais. Le mouvement de la plaque
groenlandaise entre 50 et 36 Ma s'est fait dans le même sens et
la même direction que le mouvement postérieur. Par
contre, il y a 60 millions d'années le point chaud
était situé à l'intérieur du continent
groenlandais et le mouvement qui l'a amené sur le rebord du
continent s'est fait, en 10 Ma avec une direction différente
(globalement N/N-W // S-S/E) toujours dans le même sens, mais
plus vers le N.
c) Les quantités de croûte océanique
formées durant les périodes 50-36 Ma et 36-actuel
dépendent de la vitesse de l'expansion océanique. Si
l'on utilise la distance entre deux positions du point chaud comme
marqueur de l'intensité d'expansion, on note que la distance
entre les points 2 et 3 est inférieure à la distance
entre les points et 3 et 4 (d'environ 1mm sur la carte soit 1000/12
km = 83 km sur 36 Ma soit plus de 2,3 km par million d'année
soit près de 0,23 cm par an, ce qui est une variation de
vitesse d'ouverture (accélération) tout à fait
raisonnable.
Par contre il est intéressant de rapprocher cet exercice du
document étudié précédemment. La position
de la dorsale atlantique actuelle semble avoir changé par
rapport à sa situation il y a 36 Ma. La superposition du point
chaud au voisinage de la dorsale donne aussi lieu à un
volcanisme et donc à des mouvements qui altérent le
signal de l'ouverture océanique que l'on a tenté de
mesuré précédemment. Là encore la
complexité de la géologie est patente.