Terminale S 2016-2017
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Terminale S 2016-2017

Les caractéristiques de la lithosphère continentale

I

Composition et densité de la croûte continentale

La croûte correspond à la partie supérieure de la lithosphère. Elle est séparée du manteau supérieur par le Moho ou discontinuité de Mohorovicic, qui est une discontinuité chimique. La croûte peut être continentale (30% de la surface de la Terre) ou océanique (70% de la surface de la Terre). Le manteau supérieur est constitué par de la péridotite qui est une roche plutonique. Elle a une structure grenue, c'est-à-dire qu'elle est entièrement cristallisée.

La croûte continentale est formée de :

  • Granite : 40%
  • Gneiss : 55%
  • Roches sédimentaires : 5% sur 2 à 3 km en surface, en fonction de la zone étudiée

Granite

Le granite est une roche magmatique plutonique. Elle est essentiellement composée de feldspaths (plagioclase et orthose), quartz, et mica noir (ou biotite) et parfois des amphiboles.

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Observation au microscope polarisant d'une lame mince de granite

Gneiss

Le gneiss est une roche métamorphique issue de la métamorphisation du granite. Elle est également essentiellement composée de feldspaths, quartz et mica.

La croûte océanique est formée essentiellement de basalte qui est une roche magmatique volcanique et de gabbro qui est une roche magmatique plutonique. Elles sont composées majoritairement de feldspaths (plagioclases) et de pyroxènes, et le basalte possède une grande proportion de verre. Cette croûte océanique est recouverte de roches sédimentaires. Plus on s'éloigne de la dorsale, plus son épaisseur est importante.

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Observation au microscope polarisant d'une lame mince de basalte

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Observation au microscope polarisant d'une lame mince de gabbro

La croûte continentale a une densité moyenne de 2,7, à la différence de la croûte océanique, qui a une densité de 2,9. Cette différence est due aux roches composant l'une et l'autre des croûtes : le granite et le gneiss sont en effet moins denses que le basalte et le gabbro.

II

Épaisseur de la croûte continentale

A

L'isostasie

Isostasie

L'isostasie est basée sur le principe de la compensation du relief. Un excès de masse en surface (relief) sera compensé par un excès de masse en profondeur (une racine crustale).

Inversement, un déficit de masse en surface sera compensé par un déficit de masse en profondeur (la remontée du manteau).

Une chaîne de montagnes aura, par le principe de l'isostasie, une importante racine crustale pour compenser le relief en surface.

Ainsi, la lithosphère composée de la croûte et de la partie supérieure du manteau supérieur est en équilibre isostatique sur l'asthénosphère qui est ductile.

La lithosphère et l'asthénosphère (ou le manteau supérieur et le manteau inférieur) sont séparés par la LVZ (Low Velocity Zone) qui se situe entre 100 et 200 km de profondeur et correspond à un isotherme de 1300°C.

Au sein de la lithosphère continentale, la croûte mesure entre 30 km de profondeur en plaine et 70 km de profondeur en zone montagneuse.

Racine crustale

Une racine crustale est l'épaississement en profondeur de la croûte continentale sous les reliefs selon le principe de l'isostasie

Les montagnes présentent une importante racine crustale.

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Isostasie et racine crustale selon le modèle d'Airy

B

Les indices d'un épaississement de la croûte continentale

1

Généralités sur les chaînes de montagnes

Les chaînes de montagnes sont issues des mouvements convergents des plaques.

Les Alpes sont une chaîne de montagnes hautes d'Europe. Cette chaîne est actuellement en formation. Il y a 160 millions d'années, l'océan Liguro-piémontais s'est ouvert entre les plaques africaine et eurasiatique et a continué à s'ouvrir jusqu'à il y a 100 millions d'années. Quand le mouvement des plaques africaine et arabique s'est inversé en remontant contre la plaque eurasiatique, l'océan s'est fermé jusqu'à la collision actuelle des plaques continentales.

2

Les indices tectoniques

La formation d'une chaîne de montagnes s'effectue par une compression importante des lithosphères de deux plaques continentales en collision. Cette compression aboutit à un raccourcissement et un épaississement des croûtes, cela entraîne la formation d'un relief. Ces phénomènes appliqués à des roches rigides se traduisent par des indices tectoniques physiques :

  • Plis
  • Failles inverses
  • Chevauchements qui se forment grâce aux failles inverses, entraînant l'apparition d'un contact anormal ou discordance (un terrain plus ancien va recouvrir un terrain plus jeune)
  • Nappes de charriages qui sont des chevauchements se produisant sur des dizaines de kilomètres
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Pli synclinal et pli anticlinal
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Faille inverse
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Chevauchement
3

Les indices pétrographiques

La pétrologie est la science des roches et de leur formation.

Au cours de la collision, les roches s'empilent et témoignent de leur ancienne localisation. On retrouve ainsi dans les Alpes des ophiolites. Une série ophiolitique est un fragment de croûte océanique qui repose sur la croûte continentale. Cette succession de sédiments, de basaltes et de gabbros, est le résultat de l'obduction. La série ophiolitique témoigne ainsi de la fermeture de l'ancien océan.

Ophiolite

Une ophiolite est un morceau de plancher océanique remonté à la surface au cours d'un mouvement de convergence des plaques ayant mené à une collision.

Au cours de la compression des roches, les conditions de pression et de température se modifient et entraînent un métamorphisme des roches. On retrouve dans les chaînes de montagnes :

  • Des gneiss formés par métamorphisme des granites. Les modifications de pression et de température ont entraîné l'apparition d'une foliation, c'est-à-dire une alternance de lits sombres et de lits clairs. Parfois, les conditions de température et de pression sont telles que les roches vont entrer en fusion partielle. Dès que la fusion commence, on ne peut plus parler de métamorphisme.
  • Des migmatites formés par anatexie, c'est-à-dire la fusion partielle d'une roche métamorphique (ici le gneiss). On retrouve à l'intérieur de la roche une association de lits clairs et de lits sombres, ainsi que des lentilles de granites qui proviennent de la fusion partielle des éléments les moins réfractaires du gneiss.
  • Des granites d'anatexie formés par fusion complète du gneiss.
Migmatite

La migmatite est une roche formée par anatexie à partir du granite.

Granite d'anatexie

Un granite d'anatexie est un granite formé à partir de la fusion complète du gneiss, lui-même issu de la métamorphisation du granite.

Anatexie

L'anatexie est la fusion partielle d'une roche métamorphique.

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Formation des migmatites et des granites d'anatexie à partir du granite
III

L'âge de la croûte continentale

La croûte continentale est plus âgée que la croûte océanique. On retrouve de la croûte continentale âgée de plus de 4 milliards d'années, alors que la croûte océanique ne dépasse pas 200 millions d'années.

On peut la dater grâce à la datation absolue, qui s'appuie sur la radiochronologie.

Chaque minéral intègre des éléments de son environnement au cours de sa cristallisation, et notamment des éléments radioactifs nommés isotopes.

Isotopes

Les isotopes sont des atomes qui n'ont de différent que leur nombre de neutrons. Ils peuvent être radioactifs et se désintégrer en perdant un neutron pour devenir un isotope fils plus stable.

À la fin de la cristallisation, appelée fermeture du système, le minéral a intégré un certain nombre d'isotopes radioactifs de différents éléments qui vont se désintégrer en isotopes fils, stables au cours du temps.

On utilise le couple Rubidium/Strontium pour dater les roches de la croûte continentale, et plus précisément :

  • Le 86Sr qui est un élément stable.
  • Le 87Sr qui est également un élément stable.
  • Le 87Rb, isotope père radioactif, qui va se désintégrer en 87Sr fils stable.

Au temps 0, il y a un nombre fixe de 86Sr. Au fur et à mesure du temps, le 87Rb père radioactif va se désintégrer en 87Sr fils stable qui va augmenter le nombre de 87Sr intégrés au temps 0.

Chaque minéral va intégrer un nombre différent d'isotopes, mais le rapport 87Sr/86Sr sera toujours le même au temps 0. Par contre, au cours du temps, les rapports 87Sr/86Sr et 87Rb/86Sr vont varier.

On mesure donc ces rapports dans différents minéraux d'une même roche de façon à obtenir une droite des rapports 87Sr/86Sr sur 87Rb/86Sr (cette droite est nommée droite isochrone). On mesure la pente de cette droite de façon à obtenir l'âge de cette dernière selon la formule :

t=ln(a+1)λ

Avec :

  • a la pente de la droite
  • λ la constante de désintégration de l'élément radioactif (ici le rubidium)
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Exemple de graphique obtenu par datation au Rubidium/Strontium des trois minéraux d'une même roche

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