Première S 2015-2016

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La dérive des continents

I

La naissance d'une idée au début du XXe siècle

Au début du XXe siècle, des indices appuient les premières idées de mobilité horizontale des continents. En 1912, des indices permettent à un astronome et climatologue allemand, Alfred Wegener, de penser que les continents aujourd'hui distants auraient pu être jointifs dans le passé :

  • Le tracé des côtes entre le continent africain et le continent sud semble s'emboîter, à l'image de pièces de puzzle, ce qui appuierait l'idée d'un continent unique séparé par mobilité horizontale.
  • La distribution géographique des paléoclimats et de certains fossiles, datant de la même époque et vivant sous les mêmes climats, a été retrouvée sur des continents différents, ce qui appuierait l'idée d'un continent unique séparé par mobilité horizontale.
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La similitude du tracé des côtes et la répartition des fossiles

  • La distribution bimodale des altitudes : les altitudes sont réparties majoritairement de deux façons. Les continents ont des altitudes plutôt élevées (altitude moyenne de 100 m) et les océans ont des profondeurs importantes (profondeur moyenne de 4500 m dans les plaines abyssales). Selon cette distribution bimodale, il existe deux maxima au niveau des altitudes terrestres.
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La distribution bimodale des altitudes

Dans son livre « La genèse des continents et des océans » paru en 1912, Wegener indique que « La statistique des surfaces terrestres de même altitude met en lumière le fait curieux que l'écorce du globe présente deux niveaux nettement prédominants entres lesquels les surfaces d'altitude moyenne sont une minorité.
De ces deux altitudes, la plus élevée répond aux aires continentales, la plus basses aux domaines abyssaux. Pour s'en rendre compte, il suffit de diviser la surface du globe en kilomètres carrés et de classer ces derniers par rang d'altitude.
En portant en abscisse les surfaces et en ordonnée les altitudes on obtient une courbe connue sous le nom de courbe hypsographique. »

Ces deux maxima vont à l'encontre de la théorie des scientifiques de l'époque de Wegener : pour lui ils sont le reflet de la présence de deux croûtes distinctes. Wegener suppose alors que les continents ont une densité faible et dérivent sur un support plus dense. Cette conclusion est la voie pour énoncer sa théorie mettant en exergue deux croûtes distinctes. Initialement, il n'aurait existé qu'un seul continent, la Pangée, et ce dernier se serait fragmenté à l'ère secondaire.
Cependant, les études sismiques de l'époque montrent un globe entièrement solide, ce qui n'est pas en accord avec une théorie de mobilité horizontale, de ce fait la théorie de Wegener est rejetée par les scientifiques de l'époque.

II

L'interprétation actuelle de la distribution bimodale des altitudes

A

L'apport des études sismiques

L'étude des séismes a permis de découvrir la nature de la structure interne de la Terre.

Un séisme est formé de trois types d'ondes :

  • Les ondes L qui sont des ondes de surface, très peu utilisées.
  • Les ondes P ou ondes premières, qui sont des ondes rapides se propageant dans les milieux solides et liquides. Leur vitesse diminue quand la viscosité du milieu diminue.
  • Les ondes S ou ondes secondes sont moins rapides et ne traversent que des milieux solides.
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Exemple de sismogramme

L'étude sur la surface de la Terre de l'arrivée ou non, et du temps mis à arriver d'une ou plusieurs des ondes d'un même séisme, permet de connaître le milieu traversé. Quand le milieu change, l'onde sismique est réfractée, ce qui entraîne une modification de sa trajectoire. L'interface entre ces deux milieux se nomme une discontinuité.

Gutenberg a étudié la structure de la Terre à l'aide des ondes sismiques. Il a mis en évidence la zone d'ombre qui est une zone ne recevant aucune raie sismique. Elle se trouve entre 105° et 143° angulaire de l'épicentre. Il met ainsi en évidence une discontinuité située à 2900 km de la surface qui est appelée la discontinuité de Gutenberg et qui marque la limite entre le manteau inférieur et le noyau.

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La zone d'ombre

Les études sur la vitesse des ondes sismiques ont permis de déterminer deux types de croûtes :

  • La croûte océanique ayant une épaisseur comprise entre 7 et 10 km
  • La croûte continentale ayant une épaisseur pouvant aller jusqu'à 70 km sous les montagnes
B

La croûte continentale

La croûte continentale mesure entre 30 et 70 kilomètres d'épaisseur, et peut avoir jusqu'à plus de 4 milliards d'années. Elle est essentiellement formée de granite (roche grenue constituée de de quartz, de mica et de feldspath). On retrouve aussi des dérivés métamorphiques du granite. Sa densité est d'environ 2,7.

Granite

Le granite est une roche plutonique (magma refroidi lentement en profondeur), de texture grenue, formé essentiellement de quartz, feldspath et mica.

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Observation au microscope polarisant d'une lame mince de granite
C

La croûte océanique

La croûte océanique mesure entre 7 et 10 kilomètres d'épaisseur et ne dépasse pas les 200 millions d'années. Elle est formée de basalte en couche supérieure et de gabbro en couche inférieure.

Basalte

Le basalte est une roche volcanique sombre (magma refroidi rapidement en surface), avec des microlitiques (micro cristaux), mais aussi des phénocristaux (gros cristaux) principalement composée de feldspath plagioclase et de pyroxène dans une importante matrice de verre.

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Observation au microscope polarisant d'une lame mince de basalte

Gabbro

Le gabbro est une roche plutonique sombre (magma refroidi lentement en profondeur), de texture grenue, principalement composée de feldspath plagioclase et de pyroxène. Il a la même composition que le basalte, c'est seulement sa structure qui varie.

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Observation au microscope polarisant d'une lame mince de gabbro
D

Le manteau

La croûte océanique et continentale reposent sur le manteau. Elles en sont séparées par le Moho.

Moho

Le Moho est une discontinuité chimique séparant la croûte du manteau.

C'est en 1909 que Mohorovicic met en évidence le Moho qui limite la croûte terrestre.

Le manteau est constitué de péridotites.

Péridotite

La péridotite est une roche plutonique grenue principalement composée d'olivine, de pyroxène et d'amphibole.

III

L'hypothèse de l'expansion océanique

En 1960, de nouvelles observations permettent de développer l'hypothèse d'une expansion océanique par accrétion de matériau mantellique remontant à l'axe des dorsales.

A

Les indices apportés par la topographie océanique

Topographie océanique

La topographie océanique est l'étude de la forme du fond des océans.

Les études de la topographie océanique montrent des chaînes de volcans sous-marins au milieu de chacun des océans. De part et d'autre, on retrouve la même structure avec des plaines abyssales et des marges continentales à proximité des continents. Ces chaînes sont des dorsales océaniques. Ces dorsales sont le siège de la création de la croûte océanique par remontée de matériau mantellique en fusion partielle du manteau sous-jacent.

B

Les indices apportés par le flux thermique et les anomalies magnétiques

Flux thermique

Le flux thermique est la quantité d'énergie libérée à la surface de la Terre sous forme de chaleur.

Le flux thermique est plus important dans les zones où le magma mantellique est proche (dorsales, points chauds), et plus faible dans les zones où la croûte est épaisse (croûte continentale sous les massifs montagneux).

Les mesures de flux thermiques montrent d'importants dégagements de chaleur au niveau des dorsales océaniques, ce qui confirme l'hypothèse d'une expansion océanique par remontée de magma au milieu des océans.

Dans les années 1960, Hess émet l'hypothèse de la présence de courants de convection mantellique :

  • Des courants ascendants chauds de matière seraient à l'origine de la formation de la croûte océanique au niveau de la dorsale.
  • Des courants descendants froids entraîneraient la croûte océanique au niveau des fosses océaniques.

Le champ magnétique et les anomalies magnétiques

Le champ magnétique terrestre subit des inversions, à l'échelle des temps géologiques, c'est-à-dire que ce dernier peut s'inverser. Le champ magnétique est enregistré par certains minéraux des roches de la croûte océanique, comme le basalte.

Il est possible de mettre en évidence des anomalies magnétiques (positives et négatives) lorsque l'on enregistre le champ magnétique au niveau des basaltes de la croûte océanique.

On compare les anomalies magnétiques au champ magnétique actuel :

  • Les anomalies magnétiques positives correspondent à un champ magnétique fossile qui se fait dans le même sens que le champ magnétique actuel.
  • Les anomalies magnétiques négatives correspondent à un champ magnétique fossile qui se fait dans le sens inverse du champ magnétique actuel.

Les anomalies magnétiques sont symétriques de part et d'autre des dorsales océaniques, ce qui confirme l'hypothèse de l'expansion océanique.

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Schéma de l'expansion océanique