Exercices corrigés : la convergence, subduction et collision (Première spécialité SVT)

Les foyers des séismes d'une zone de subduction s'alignent sur un plan incliné qui part de la fosse et s'enfonce sous la plaque chevauchante, parfois jusqu'à 600 à 700 km : c'est le plan de Wadati-Benioff.

Il dessine le panneau de lithosphère océanique qui plonge. Le Moho et la base de la lithosphère sont des limites de couches, pas des alignements de séismes.

Le magma naît de la fusion partielle de la péridotite du coin de manteau, la partie du manteau coincée entre le panneau et la plaque chevauchante.

Piège : écrire que la plaque océanique fond en plongeant. Le panneau est plus froid que le manteau qui l'entoure ; il se déshydrate, et c'est le coin de manteau au-dessus de lui qui fond (exercice 7).

L'eau libérée par les minéraux du panneau hydrate le coin de manteau. Une péridotite hydratée commence à fondre à une température plus basse qu'une péridotite sèche : la fusion devient possible sans hausse de température.

La décompression explique la fusion sous une dorsale, pas sous un arc ; le frottement chauffe peu, et la croûte continentale n'est pas la source du magma.

Un minéral hydroxylé contient des groupements OH dans sa formule : l'amphibole en fait partie, comme la biotite. Leur présence prouve que le magma contenait de l'eau quand il a cristallisé.

Le pyroxène, l'olivine et le plagioclase sont anhydres ; on les trouve aussi dans un basalte de dorsale.

La croûte hydratée à la dorsale (faciès schiste vert, riche en chlorite) se transforme quand la pression augmente : faciès schiste bleu (glaucophane), puis éclogite (grenat et jadéite), presque sans eau. L'exercice 3 chiffre cette perte d'eau.

Une lithosphère océanique se refroidit et s'épaissit en vieillissant ; son manteau lithosphérique, plus dense que l'asthénosphère, prend une part croissante. Au-delà d'un âge critique, sa densité moyenne dépasse celle de l'asthénosphère : l'équilibre devient instable (exercice 4).

Rencontrer une autre plaque ne suffit pas : c'est la plaque la plus dense qui plonge.

Deux lithosphères continentales, trop peu denses pour plonger durablement, s'affrontent : la croûte se raccourcit horizontalement et ses écailles s'empilent. Le volume de roche raccourci se retrouve en épaisseur, en relief et surtout en racine crustale.

Une faille inverse traduit un raccourcissement : le compartiment situé au-dessus du plan de faille monte le long de celui-ci et chevauche l'autre. Une faille normale traduit l'inverse, un étirement.

Piège : citer une faille normale comme indice de collision. C'est un indice d'extension, celui des dorsales et des rifts.

1 est la fosse océanique, la dépression où la plaque océanique commence à plonger. 2 est la croûte océanique, mince couche de basalte et de gabbro au sommet de la plaque. 3 est le manteau lithosphérique, rigide, qui forme avec la croûte la lithosphère. 4 est l'asthénosphère, plus chaude et ductile, sur laquelle glissent les plaques.

Piège : appeler « croûte » toute la plaque qui plonge. La lithosphère qui plonge comprend la croûte ET le manteau lithosphérique, d'où le panneau épais de la coupe.

5 est le magma, formé dans le coin de manteau au-dessus du panneau. 6 est la croûte continentale de la plaque sud-américaine, épaisse et peu dense. 7 désigne les foyers sismiques, alignés le long du panneau. 8 est l'arc volcanique, ici la cordillère des Andes, qui a donné son nom à l'andésite.

La plaque océanique Nazca plonge sous la plaque continentale. Indice : sa croûte et son manteau lithosphérique se suivent sans interruption depuis l'ouest jusque sous le continent, en s'inclinant. La flèche bleue inclinée le confirme.

La plaque chevauchante est celle qui reste en surface, ici la plaque sud-américaine.

Les foyers se trouvent dans le panneau plongeant, près de son toit. Un séisme naît d'une rupture de roches rigides et froides : l'asthénosphère, chaude et ductile, en produit très peu. L'alignement des foyers trace donc le panneau froid en profondeur. C'est le plan de Wadati-Benioff, que l'exercice 6 mesure.

Le magma ne se forme pas à la fosse. Il faut que le panneau atteigne environ 100 km de profondeur : la pression y déshydrate ses minéraux, et l'eau libérée fait fondre partiellement le coin de manteau situé au-dessus.

Avec un panneau incliné, cette profondeur n'est atteinte qu'à plusieurs centaines de kilomètres de la fosse : l'arc volcanique est décalé vers l'intérieur du continent.

Conclusion : la position de l'arc dépend du pendage du panneau ; un panneau plus raide rapproche l'arc de la fosse.

Un minéral hydroxylé porte des groupements OH dans sa formule. La chlorite, (OH)₈, et le glaucophane, (OH)₂, en contiennent : ce sont des minéraux hydratés. La jadéite et le grenat n'en contiennent pas.

C'est le document 1 qui le dit, pas la couleur ni le nom : un « schiste bleu » doit sa couleur au glaucophane, pas à l'eau.

La teneur en eau d'une roche est la somme des contributions de ses minéraux :

$C : 0{,}60\times 2=1{,}2\ \%$ (jadéite et grenat sont anhydres)

$D : 0\ \%$, grenat et jadéite ne contiennent pas d'eau.

Piège : additionner les pourcentages d'eau des minéraux (12 + 2) sans les pondérer par leur part dans la roche.

A est la roche de départ, un gabbro formé à la dorsale, anhydre. B montre une hydratation : l'eau de mer qui circule dans la croûte près de la dorsale a transformé plagioclase et pyroxène en chlorite et actinote.

Pendant la plongée, la pression augmente : B devient C (glaucophane), puis D (grenat et jadéite). L'ordre est A, B, C, D, et la teneur en eau passe de 0 à 3,8 %, puis retombe à 0.

Masse de roche : $1\ \mathrm{m^{3}}\times 2900\ \mathrm{kg/m^{3}}=2900\ \mathrm{kg}$.

On néglige ici la petite variation de masse de la roche quand elle perd son eau : l'ordre de grandeur, une centaine de kilogrammes par mètre cube, est ce qui compte.

L'éclogite a une densité de 3,5, supérieure à celle du manteau qui l'entoure (3,3 environ). La croûte du panneau, transformée en éclogite, devient plus lourde que le milieu où elle s'enfonce : elle contribue à tirer le panneau vers le bas.

C'est un des moteurs de la subduction, que l'exercice 10 met en relation avec la vitesse des plaques.

L'eau libérée remonte dans le coin de manteau situé au-dessus du panneau. Elle abaisse la température de début de fusion de la péridotite, qui fond alors partiellement : c'est l'origine du magma des arcs volcaniques, étudiée à l'exercice 7.

Le fil de la série : la densité décide qui plonge, et l'eau décide où le manteau fond.

La croûte garde une épaisseur d'environ 7 km, tandis que le manteau lithosphérique, de densité 3,30, s'épaissit par le bas en refroidissant. La moyenne pondérée des deux couches se rapproche donc de 3,30 à mesure que la part du manteau grandit.

La loi qui relie densité et âge se construit dans la série sur la divergence ; ici, on s'en sert pour trouver le seuil.

Piège : écrire que la lithosphère se réchauffe en s'éloignant de la dorsale. Elle refroidit, et c'est pour cela qu'elle s'épaissit.

La croûte, légère, allège la colonne ; le manteau lithosphérique, plus dense que l'asthénosphère, l'alourdit. Plus la lithosphère est épaisse, plus la part du manteau l'emporte. On cherche l'épaisseur où les deux effets se compensent :

$20{,}3-23{,}1=3{,}25\,e-3{,}30\,e$, soit $-2{,}8=-0{,}05\,e$ et $e=56\ \mathrm{km}$.

Au-delà de 56 km d'épaisseur, la lithosphère est plus dense que l'asthénosphère : son équilibre devient instable.

$t=\left(\dfrac{56}{9{,}2}\right)^{2}\approx 37\ \mathrm{Ma}$.

Une lithosphère océanique de plus de 37 Ma environ est susceptible de plonger. Ce nombre dépend des densités choisies : avec d'autres valeurs, les manuels trouvent 30 à 40 Ma. C'est un ordre de grandeur, pas une frontière nette.

Japon : $e=9{,}2\sqrt{130}\approx 104{,}9\ \mathrm{km}$ et $\rho=\dfrac{20{,}3+97{,}9\times 3{,}30}{104{,}9}\approx 3{,}273>3{,}25$ : plus dense que l'asthénosphère.

Cascades : $e=9{,}2\sqrt{10}\approx 29{,}1\ \mathrm{km}$ et $\rho\approx 3{,}204<3{,}25$ : moins dense.

Le vieux Pacifique, très dense, plonge avec un fort pendage sous le Japon ; la jeune plaque Juan de Fuca ne devrait pas plonger d'elle-même.

Le panneau est d'un seul tenant : sa partie profonde, refroidie depuis longtemps et dont la croûte est devenue éclogite (exercice 3), est plus dense que le manteau et tire sur la partie jeune restée en surface. Le mouvement de convergence des plaques pousse aussi cette lithosphère sous le continent.

Piège : croire qu'une lithosphère chaude est plus dense. C'est l'inverse : en refroidissant, une roche se contracte et devient plus dense.

Ces lithosphères sont bien plus vieilles que 37 Ma, donc plus denses que l'asthénosphère, et pourtant elles ne plongent pas : elles sont soudées à la lithosphère continentale voisine, sans rupture (marges dites passives).

La densité est donc un facteur important de la subduction, mais pas le seul : il faut aussi qu'une rupture de la lithosphère existe. La façon dont une subduction s'amorce n'est pas au programme de Première.

Une croûte continentale de 30 à 35 km, de densité 2,7 environ, allège toute la colonne : une lithosphère continentale reste en moyenne moins dense que l'asthénosphère (3,25). Elle peut être entraînée un peu en profondeur derrière un océan qui se ferme, mais elle ne plonge pas comme une plaque océanique.

Piège : dire que la croûte continentale « fond » ou « disparaît » en collision. Elle s'empile.

Un plan possible.

Introduction : quand l'océan qui séparait deux continents a entièrement plongé par subduction, les deux lithosphères continentales se rencontrent. Problème : comment cet affrontement construit-il une chaîne à croûte épaisse, et comment le prouver sur le terrain ?

I. Des lithosphères qui ne plongent pas. Lithosphère continentale moins dense que l'asthénosphère, donc la convergence ne peut plus être absorbée par subduction : elle l'est par déformation. L'Inde continue de converger vers l'Asie, de l'ordre de 4 à 5 cm par an.

Je vois : le foyer le plus profond est à environ 950 km de la fosse, vers 620 km de profondeur. Au-delà, plus aucun séisme.

Ce chiffre ne dit pas que le panneau s'arrête à 620 km : il dit qu'au-delà il ne casse plus (exercice 10).

Les foyers ne sont pas répartis au hasard. Près de la fosse, ils sont superficiels ; plus on s'éloigne vers l'est, plus ils sont profonds. Ils forment une bande inclinée, épaisse de quelques dizaines de kilomètres, qui plonge sous la plaque sud-américaine.

Quelques foyers superficiels, entre 80 et 300 km de la fosse et à moins de 30 km de profondeur, appartiennent à la croûte de la plaque chevauchante, qui se déforme elle aussi.

Entre A et B, la profondeur augmente de $425-215=210\ \mathrm{km}$ pour une distance horizontale de $700-400=300\ \mathrm{km}$.

$\tan\alpha=\dfrac{210}{300}=0{,}70$, donc $\alpha\approx 35°$

Le pendage est plus faible près de la fosse (environ 15°) : le panneau se courbe en s'enfonçant, comme le montre le tracé du corrigé.

À 250 km de la fosse, la bande des foyers passe vers 110 km de profondeur.

Je sais que le magma des arcs naît quand le panneau, vers une centaine de kilomètres, libère son eau dans le coin de manteau. J'en déduis que la position de l'arc est cohérente avec cette profondeur (exercice 7).

Longueur du plan incliné : $L=\dfrac{600}{\sin 35°}\approx 1046\ \mathrm{km}$.

Vitesse : $7\ \mathrm{cm/an}=7\times 10^{-5}\ \mathrm{km/an}$.

$\Delta t=\dfrac{1046}{7\times 10^{-5}}\approx 1{,}5\times 10^{7}\ \mathrm{ans}$, soit environ $15\ \mathrm{Ma}$

C'est un ordre de grandeur : le panneau réel n'est pas un plan, et la vitesse a pu varier pendant ces millions d'années.

Je sais qu'un séisme est une rupture brutale de roches rigides, et qu'à plus de 100 km de profondeur le manteau, chaud, se déforme sans casser : il est ductile.

Je vois des foyers jusqu'à 620 km, alignés sur une bande inclinée continue depuis la fosse.

J'en déduis que cette bande est un matériau rigide, donc plus froid que le manteau qui l'entoure : c'est la lithosphère océanique de la plaque Nazca, qui s'enfonce en restant froide pendant des millions d'années. Le plan de Wadati-Benioff dessine ce panneau.

Piège : conclure que les séismes « créent » la fosse ou le volcan. Ils sont un indice de la plongée, pas sa cause. Le mécanisme exact des séismes très profonds n'est pas au programme.

Je vois : le basalte ne contient que plagioclase, pyroxène, olivine et verre, tous anhydres. L'andésite contient de l'amphibole, la rhyolite et la granodiorite de la biotite (et de l'amphibole pour la granodiorite).

Je sais que ces minéraux hydroxylés ne cristallisent que dans un magma qui contient de l'eau. J'en déduis que les magmas de la marge andine étaient riches en eau, contrairement à celui de la dorsale.

Les trois roches diffèrent par leur structure : l'andésite et la rhyolite ont refroidi vite en surface, la granodiorite lentement en profondeur, en massif plutonique. Leur diversité vient aussi des transformations du magma pendant sa remontée, dont l'étude détaillée n'est pas attendue.

Sur le repère horizontal à 100 km :

le solidus anhydre est vers 1475 °C, le solidus hydraté vers 840 °C, le coin de manteau vers 1150 °C, la surface du panneau vers 450 °C.

Piège : lire l'axe des profondeurs vers le haut. Il est orienté vers le bas, la surface est en haut du graphique.

Le coin de manteau, à 1150 °C, est à gauche du solidus anhydre (1475 °C) : une péridotite sèche y reste entièrement solide. Il est à droite du solidus hydraté (840 °C) : une péridotite hydratée y fond partiellement.

La même roche, à la même température et à la même profondeur, fond ou non selon qu'elle contient de l'eau. Une seule variable change entre les deux cas : la présence d'eau.

Non. La surface du panneau est vers 450 °C à 100 km : c'est bien moins que 650 °C, température de début de fusion de ses roches hydratées, et bien moins que les deux solidus de la péridotite.

Le panneau, froid, ne fond pas dans ce modèle ; il se déshydrate. Certaines plaques très jeunes et chaudes font exception, ce qui dépasse le programme de Première.

Mise en relation.

L'exercice 3 montre que la croûte du panneau perd son eau en se transformant en schiste bleu puis en éclogite. Cette eau remonte dans le coin de manteau situé au-dessus.

Le document 2 montre qu'à 100 km, le coin de manteau est trop froid pour fondre sec, mais assez chaud pour fondre hydraté : l'arrivée d'eau abaisse son solidus sous sa température, et la péridotite fond partiellement.

Le document 1 montre que le magma produit est riche en eau : il cristallise avec des minéraux hydroxylés, en surface (andésite, rhyolite) ou en profondeur (granodiorite). Riche en eau et visqueux, il nourrit des éruptions souvent explosives, comme celle du Chaitén en 2008.

Conclusion : le magma des Andes naît de la fusion partielle du manteau de la plaque chevauchante, provoquée par l'eau du panneau, et non de la fusion du panneau lui-même.

Faux. Phrase juste : « Vers 100 km de profondeur, la croûte du panneau libère l'eau de ses minéraux ; cette eau hydrate le coin de manteau situé au-dessus, qui fond partiellement et alimente les volcans. »

C'est l'erreur la plus fréquente du chapitre. Le diagramme de phases de l'exercice 7 la réfute : à 100 km, le panneau est vers 450 °C, loin de toute fusion.

Vrai. Un séisme exige une roche qui casse, donc rigide et froide. Le panneau, descendu en quelques millions d'années, n'a pas eu le temps de se réchauffer : il reste cassant à des profondeurs où le manteau est ductile (exercice 6).

Nuance : le mécanisme précis des séismes les plus profonds n'est pas au programme ; on retient seulement qu'ils tracent le panneau.

Faux. Phrase juste : « Quand deux lithosphères océaniques convergent, c'est le plus souvent la plus âgée qui plonge : plus froide et plus épaisse, elle est plus dense. »

Exemple : sous les îles Mariannes, la très vieille lithosphère pacifique plonge sous la lithosphère plus jeune de la plaque des Philippines. L'exercice 4 chiffre le lien entre âge et densité.

Vrai. Une croûte continentale ordinaire mesure 30 à 35 km ; sous l'Himalaya et le Tibet, elle atteint 60 à 70 km. Cet épaississement, en relief et en racine, est la signature de la collision.

Le « double » est un ordre de grandeur, pas une règle : sous les Alpes, la racine porte la croûte à environ 50 km (exercice 9).

Faux. Phrase juste : « Plis, failles inverses, chevauchements et nappes de charriage sont les indices du raccourcissement d'une chaîne de collision. »

Une faille normale écarte les deux compartiments : c'est un indice d'étirement, celui des dorsales et des rifts. Il peut en exister dans une chaîne, quand le relief s'effondre en fin d'histoire, mais elles ne témoignent pas du raccourcissement.

Méthode : pour chaque affirmation, chercher le mot qui la rend fausse (« la croûte fond », « la plus jeune », « normales ») et corriger ce mot seulement.

L'onde descend jusqu'au Moho et remonte : le temps d'un trajet simple est la moitié du temps mesuré.

C'est l'épaisseur d'une croûte continentale ordinaire.

Piège : multiplier 6 par 17 sans diviser par 2, et trouver un Moho à 102 km, au milieu du manteau.

$51-33=18\ \mathrm{km}$ : sous la chaîne, la croûte est épaissie de 18 km, soit environ une fois et demie son épaisseur ordinaire. Elle forme une racine crustale qui s'enfonce dans le manteau.

R1 et R2 sont des réflecteurs inclinés qui partent de la surface et s'enracinent dans la croûte : on les interprète comme des failles inverses et des chevauchements, le long desquels des écailles de croûte sont montées les unes sur les autres.

La couche, dépliée, faisait $15{,}6\ \mathrm{km}$ ; elle n'occupe plus que $10{,}0\ \mathrm{km}$.

Raccourcissement : $15{,}6-10{,}0=5{,}6\ \mathrm{km}$

En pourcentage de la longueur initiale : $\dfrac{5{,}6}{15{,}6}\times 100\approx 36\ \%$

Les plis raccourcissent la série sans la rompre ; ce qui a été raccourci se retrouve en hauteur.

Le plan de faille s'incline vers la gauche en profondeur : le compartiment 1 repose sur lui, c'est le compartiment situé au-dessus du plan.

Je compare une même limite de couche, par exemple le sommet du calcaire : elle est plus haute dans le compartiment 1 que dans le 2, d'environ 0,6 cm sur le dessin.

J'en déduis que le compartiment supérieur est monté : c'est une faille inverse, qui rapproche les deux blocs. Rejet vertical : 0,6 × 50 = 30 m.

Piège : décider sur la seule inclinaison du plan. Une faille normale et une faille inverse peuvent avoir le même plan ; seul le sens du décalage les distingue.

Je mets en relation les trois échelles.

À l'échelle de l'affleurement (document 3), une faille inverse empile un compartiment sur l'autre. À l'échelle d'une série (document 2), les plis raccourcissent les couches d'environ un tiers. À l'échelle de la chaîne (document 1), des chevauchements traversent la croûte et le Moho s'approfondit de 18 km sous les reliefs.

J'en déduis que la croûte alpine a été raccourcie horizontalement et que ses matériaux se sont empilés : l'épaisseur gagnée, en relief et en racine, est le résultat de ce raccourcissement.

Nuance : ces mesures sous-estiment le raccourcissement total, car une partie de la lithosphère a plongé et une partie du relief a été érodée.

Plaques à plus de 20 % de fosse (Pacifique, Nazca, Cocos, Indo-australienne) : $\dfrac{8{,}0+6{,}0+7{,}5+6{,}0}{4}\approx 6{,}9\ \mathrm{cm/an}$.

Autres plaques : $\dfrac{1{,}5+1{,}5+2{,}0+1{,}0+1{,}0}{5}=1{,}4\ \mathrm{cm/an}$.

Je vois que les plaques attachées à un panneau plongeant vont environ cinq fois plus vite que les autres.

Non. L'Afrique (45 % de dorsale) et l'Antarctique (70 %) sont bordées de dorsales mais avancent de 1 à 2 cm par an. La dorsale n'est pas le moteur principal : elle est surtout le lieu où la lithosphère se forme, là où les plaques s'écartent.

Le nuage de points du corrigé montre la relation nette avec la subduction, et l'absence de relation avec la dorsale.

$e=9{,}2\sqrt{50}\approx 65{,}1\ \mathrm{km}$ et $\rho=\dfrac{7\times 2{,}90+58{,}1\times 3{,}30}{65{,}1}\approx 3{,}257$

Je sais que l'âge critique est voisin de 37 Ma (exercice 4). J'en déduis qu'à 50 Ma, la lithosphère Nazca est plus dense que l'asthénosphère : son équilibre est instable, et sa croûte devenue éclogite en profondeur l'alourdit encore.

Je vois une anomalie positive, des ondes plus rapides donc des roches plus froides, qui suit le plan de Wadati-Benioff, traverse la limite des 660 km et descend jusque vers 1300 km.

J'en déduis que le panneau froid et dense s'enfonce dans le manteau bien au-delà du dernier séisme (620 km, exercice 6) : c'est une branche descendante de la convection. L'écart de vitesse n'est que d'environ 1 % : le panneau est une petite hétérogénéité dans un manteau homogène en première approximation.

La lithosphère océanique de la plaque sud-américaine est très âgée, donc dense, mais elle est soudée au continent : aucun panneau plongeant ne la tire. La plaque n'est entraînée que faiblement, d'où sa lenteur, comme l'Afrique ou l'Eurasie.

Les dorsales bordées de subductions s'ouvrent vite (Pacifique oriental, 10 à 15 cm par an), celles qui n'en ont pas lentement (Atlantique, 3 à 4 cm par an) : la vitesse d'accrétion suit la traction des panneaux.