Dorsale et subduction

Du refroidissement à la subduction

Une plaque océanique naît à la dorsale, où du magma remonte et se solidifie en basalte et en gabbro. Elle s'éloigne ensuite de la dorsale et se refroidit au contact de l'eau de mer. Cette fiche relie quatre idées : l'âge, le refroidissement, la densité et le plongement.

Définitions

• Lithosphère : couche rigide superficielle, formée de la croûte et de la partie supérieure du manteau. Elle est découpée en plaques.
• Asthénosphère : partie du manteau sous la lithosphère, plus chaude et plus déformable, sur laquelle les plaques se déplacent.
• Densité : masse par unité de volume, exprimée en g/cm3 ou en kg/m3 (1 g/cm3 = 1000 kg/m3).
• Subduction : enfoncement d'une lithosphère océanique dans le manteau, sous une autre plaque.

Une chaîne de causes

1. Plus la lithosphère s'éloigne de la dorsale, plus elle est âgée : âge = distance ÷ vitesse d'écartement.
2. En vieillissant, elle se refroidit et se contracte. Sa partie mantellique s'épaissit, car le manteau situé dessous se refroidit à son tour et s'ajoute à la plaque.
3. Le refroidissement augmente sa densité moyenne. Après quelques dizaines de millions d'années, elle devient plus dense que l'asthénosphère chaude située dessous : elle peut s'enfoncer.
4. Au niveau d'une fosse océanique, elle plonge. Le poids du panneau plongeant, plus dense que le manteau environnant, tire le reste de la plaque : c'est la traction du panneau, un moteur important du déplacement des plaques.

Ce qui se passe en profondeur

Les foyers des séismes se répartissent sur un plan incliné qui s'enfonce sous la plaque chevauchante (plan de Wadati-Benioff). Ce plan matérialise le plongement du panneau. En s'enfonçant, la pression et la température augmentent : les minéraux du basalte et du gabbro se transforment, d'abord en schistes bleus puis en éclogites, des roches plus denses. Ces transformations libèrent de l'eau. Cette eau gagne le manteau situé au-dessus du panneau et abaisse sa température de fusion. Une fusion partielle s'y produit, et les magmas formés alimentent les volcans de l'arc, souvent andésitiques.

Exemple concret

Dans le Pacifique occidental, une lithosphère ancienne, vieille de plus de 100 millions d'années (Ma), plonge sous le Japon et sous les Mariannes. On y observe des fosses très profondes, une forte activité sismique et des arcs volcaniques. L'Atlantique, formé plus récemment, compte au contraire très peu de zones de subduction.

Piège conceptuel

Il est faux de penser qu'une plaque coule parce qu'elle est lourde dès sa naissance. À la dorsale, la lithosphère est chaude, mince et ne s'enfonce pas. Sa densité dépend de son âge : c'est son refroidissement progressif qui la rend plus dense que l'asthénosphère. Autre erreur fréquente : croire que la plaque plongeante fond entièrement et fournit le magma. Elle libère surtout de l'eau, et c'est la fusion partielle du manteau hydraté qui produit l'essentiel des magmas de l'arc.

Exercice 1 : Refroidissement et densité

Données pédagogiques simplifiées. Lithosphère océanique selon son âge. La densité de l'asthénosphère voisine est de 3,25 g/cm3.

1. Décrire l'évolution de l'épaisseur et de la densité avec l'âge, puis proposer une explication.
2. Estimer par interpolation linéaire l'âge à partir duquel la lithosphère devient plus dense que l'asthénosphère.
3. Calculer, en kg/m3, l'écart de densité avec l'asthénosphère à 100 Ma.

Exercice 2 : Âge et plongement

Données pédagogiques simplifiées. Une plaque s'écarte d'une dorsale à 4 cm/an. La fosse se situe à 3 200 km de la dorsale. Foyers sismiques mesurés sous la plaque chevauchante :

1. Calculer l'âge de la lithosphère à la fosse, en Ma.
2. Calculer la pente du plan des foyers, puis l'angle de plongement.
3. Prévoir la profondeur des foyers à 600 km de la fosse.
4. À l'aide du tableau de l'exercice 1, dire si cette lithosphère est plus dense que l'asthénosphère à la fosse.

Exercice 3 : Transformations et arc volcanique

Données pédagogiques simplifiées.

Les volcans de l'arc se situent à 220 km de la fosse. On utilise le plan des foyers de l'exercice 2.

1. Calculer l'écart de densité entre l'éclogite et l'asthénosphère (3,25 g/cm3), en kg/m3.
2. Expliquer l'effet de ces transformations sur la traction du panneau.
3. Déterminer la profondeur du panneau sous les volcans.
4. Expliquer pourquoi les volcans ne se trouvent pas au niveau de la fosse.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. L'épaisseur passe de 5 km à 100 km et la densité de 3,22 à 3,30 g/cm3 : les deux augmentent avec l'âge. En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère se refroidit. Elle se contracte, donc sa densité augmente, et le manteau refroidi en dessous s'ajoute à la plaque, ce qui l'épaissit.
2. La densité croît de 0,02 g/cm3 entre 20 et 40 Ma, soit 0,01 g/cm3 tous les 10 Ma. Elle atteint 3,25 g/cm3 à 20 + 10 = 30 Ma environ. Au-delà, la lithosphère est plus dense que l'asthénosphère.
3. Écart = 3,30 − 3,25 = 0,05 g/cm3, soit 0,05 × 1000 = 50 kg/m3.

Exercice 2 : correction

1. Distance : 3 200 km = 3,2 × 10^8 cm. Âge = 3,2 × 10^8 ÷ 4 = 8 × 10^7 ans, soit 80 Ma.
2. Pente = (250 − 50) ÷ (500 − 100) = 200 ÷ 400 = 0,5. Angle = arctan(0,5) ≈ 27°. Le panneau plonge donc d'environ 27° par rapport à l'horizontale.
3. La pente est constante : 0,5 × 600 = 300 km de profondeur.
4. À 80 Ma, la densité est comprise entre 3,28 (60 Ma) et 3,30 (100 Ma), soit environ 3,29 g/cm3. Cette valeur dépasse 3,25 g/cm3 d'environ 0,04 g/cm3 (40 kg/m3). La lithosphère est donc plus dense que l'asthénosphère, ce qui est cohérent avec son enfoncement.

Exercice 3 : correction

1. Écart = 3,40 − 3,25 = 0,15 g/cm3, soit 150 kg/m3. L'éclogite est nettement plus dense que l'asthénosphère.
2. En se transformant en schistes bleus puis en éclogites, la partie profonde du panneau devient de plus en plus dense. Son poids augmente par rapport au manteau environnant. La traction exercée sur la plaque est donc plus forte, ce qui entretient la subduction.
3. La profondeur est 0,5 × 220 = 110 km sous les volcans.
4. Les transformations qui libèrent l'eau se produisent en profondeur, vers 100 km environ. Cette eau hydrate le manteau situé au-dessus du panneau et provoque sa fusion partielle à cet endroit seulement. Le panneau est encore peu profond sous la fosse : l'eau n'y est pas encore libérée et le manteau n'y fond pas. Les volcans apparaissent donc plus loin, à environ 200 km de la fosse.