Subduction et magmatisme : déshydratation de la plaque et fusion partielle du manteau

Une lithosphère océanique qui s'hydrate

Dans une zone de subduction, une lithosphère océanique froide et dense s'enfonce dans le manteau. Cette lithosphère s'est hydratée bien avant d'arriver à la fosse. Près de la dorsale, l'eau de mer circule dans les fissures de la croûte et transforme le basalte et le gabbro en roches contenant des minéraux hydratés, comme la chlorite et les amphiboles. Ces minéraux renferment de l'eau dans leur structure cristalline, sous forme de groupements OH.

La déshydratation de la plaque plongeante

En s'enfonçant, la plaque subit une augmentation de pression et de température. Ses minéraux ne sont plus stables dans ces nouvelles conditions et se transforment : c'est le métamorphisme. Les minéraux hydratés sont remplacés par des minéraux moins hydratés ou anhydres, comme le grenat. Cette réaction libère de l'eau. La roche passe ainsi du faciès schiste vert au faciès schiste bleu, puis à l'éclogite, une roche dense qui contient très peu d'eau. La libération d'eau est progressive et particulièrement importante vers 100 km de profondeur.

L'hydratation et la fusion partielle du manteau

L'eau libérée est un fluide peu dense qui remonte et pénètre dans le manteau situé au-dessus de la plaque plongeante, appelé manteau sus-jacent. Ce manteau est formé de péridotite, une roche chaude mais solide. L'eau abaisse la température à partir de laquelle la péridotite commence à fondre, appelée solidus. Lorsque la température réelle du manteau dépasse ce solidus hydraté, une faible proportion de la roche fond : c'est la fusion partielle. Le liquide obtenu, de composition basaltique, est moins dense que la roche encaissante et remonte.

Du magma au volcan

Le magma s'accumule dans des chambres magmatiques situées dans la croûte de la plaque chevauchante. Il y évolue par cristallisation de certains minéraux et par contact avec la croûte, ce qui l'enrichit en silice. Il donne en surface des roches volcaniques comme l'andésite, qui contient environ 57 à 63 % de silice contre environ 50 % pour un basalte. Ce magma est visqueux et riche en gaz dissous, ce qui explique des éruptions souvent explosives. S'il refroidit lentement en profondeur, il forme des roches grenues comme la granodiorite. Les volcans s'alignent en un arc volcanique parallèle à la fosse, au-dessus de la zone où la plaque plongeante atteint environ 100 km de profondeur.

Un exemple concret : les Petites Antilles

La plaque nord-américaine, à lithosphère océanique atlantique, plonge sous la plaque Caraïbe à une vitesse d'environ 2 cm par an. Cette subduction explique l'arc volcanique des Petites Antilles, avec la montagne Pelée en Martinique et la Soufrière en Guadeloupe. Les roches émises sont majoritairement des andésites, caractéristiques du magmatisme de subduction.

Un piège à éviter

On croit souvent que la plaque plongeante fait fondre le manteau parce qu'elle le chauffe, ou que c'est la plaque elle-même qui fond. Or la plaque est plus froide que le manteau qui l'entoure, et c'est le manteau sus-jacent qui fond. La cause principale n'est pas une hausse de température, mais un changement de composition : l'apport d'eau abaisse le solidus de la péridotite. À température constante, une péridotite sèche reste solide alors qu'une péridotite hydratée peut fondre. Enfin, la fusion est seulement partielle : la majeure partie de la roche reste solide.

Pour mieux comprendre où naît le magma au-dessus d'une plaque plongeante, observez une coupe simplifiée de subduction et suivez la position des différentes structures.

Exercice 1 : La déshydratation de la croûte océanique

Données pédagogiques simplifiées. Teneur en eau de la croûte océanique d'une plaque plongeante, en pourcentage de la masse de roche.

1. Calculer la perte d'eau entre 20 et 100 km, en points de pourcentage puis en pourcentage de la teneur initiale.
2. Identifier l'intervalle de profondeur où la perte est la plus forte.
3. Expliquer l'origine de cette perte d'eau.

Exercice 2 : Le solidus de la péridotite

Données pédagogiques simplifiées. Températures en °C dans le manteau sus-jacent.

1. Pour chaque profondeur, indiquer si la péridotite sèche est solide ou partiellement fondue.
2. Faire de même pour la péridotite hydratée.
3. Conclure sur le rôle de l'eau dans la fusion du manteau.

Exercice 3 : Distance et durée

Données pédagogiques simplifiées. Une plaque océanique plonge avec un pendage constant de 30° et avance le long du plan de subduction à 8 cm par an. Le volcan de l'arc se trouve à l'aplomb du point où la plaque atteint 110 km de profondeur. On donne sin 30° = 0,5 et tan 30° ≈ 0,58.

1. Calculer la longueur de plaque parcourue depuis la fosse jusqu'à cette profondeur.
2. Calculer la durée de ce trajet, en millions d'années.
3. Calculer la distance horizontale entre la fosse et le volcan.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. La perte vaut 3,0 − 0,8 = 2,2 points de pourcentage. En proportion de la teneur initiale : 2,2 ÷ 3,0 ≈ 0,73, soit environ 73 %.
2. Les pertes par intervalle sont : 0,5 point entre 20 et 60 km, 1,7 point entre 60 et 100 km, 0,5 point entre 100 et 150 km. La perte est la plus forte entre 60 et 100 km.
3. L'augmentation de pression et de température provoque un métamorphisme. Les minéraux hydratés (chlorite, amphiboles) deviennent instables et sont remplacés par des minéraux moins hydratés ou anhydres, comme le grenat de l'éclogite. L'eau ainsi libérée quitte la roche et migre vers le manteau sus-jacent.

Exercice 2 : correction

1. Péridotite sèche : à 60 km, 900 °C est inférieur à 1350 °C. À 100 km, 1200 °C est inférieur à 1450 °C. À 150 km, 1300 °C est inférieur à 1550 °C. La température reste toujours sous le solidus, donc la roche est solide partout.
2. Péridotite hydratée : à 60 km, 900 °C est inférieur à 1000 °C, donc la roche est solide. À 100 km, 1200 °C dépasse 1050 °C de 150 °C, donc il y a fusion partielle. À 150 km, 1300 °C dépasse 1100 °C de 200 °C, donc il y a aussi fusion partielle.
3. Pour une même température du manteau, la roche sèche reste solide et la roche hydratée fond. À 100 km, l'eau abaisse le solidus de 1450 − 1050 = 400 °C. La fusion est donc provoquée par l'apport d'eau et non par une hausse de température.

Exercice 3 : correction

1. La profondeur est reliée à la longueur L parcourue par sin 30° = profondeur ÷ L. Donc L = 110 ÷ 0,5 = 220 km.
2. La vitesse est de 8 cm par an. Comme 220 km = 220 × 10^5 cm = 2,2 × 10^7 cm, la durée vaut 2,2 × 10^7 ÷ 8 = 2,75 × 10^6 ans, soit environ 2,75 millions d'années.
3. La distance horizontale d vérifie tan 30° = 110 ÷ d. Donc d = 110 ÷ 0,58 ≈ 190 km. Le volcan se situe environ 190 km de la fosse.