Divergence : dorsales, rifts et lithosphère océanique

Dorsales lentes et rapides, rifts continentaux, remontée du manteau et fusion partielle par décompression, mise en place de la croûte et du manteau lithosphérique, ophiolites, hydrothermalisme et roches hydratées, refroidissement, épaississement et densité de la lithosphère océanique.

À propos de cette page

Cinq problèmes sur documents : l’ouverture brutale de l’Afar en 2005, deux dorsales à comparer, la fusion de la péridotite sous l’axe, le champ hydrothermal de Lost City face aux fumeurs noirs, et une lithosphère dont le plancher s’enfonce en vieillissant.

5 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je lis chaque document : sa nature (profil, tableau, observation, loi), si les valeurs sont réelles ou simplifiées, et les unités (m, km, °C, Ma, km³).
Je repère ce qui distingue les situations : vallée ou dôme, température au-dessus ou au-dessous du solidus, minéral hydraté ou non, âge du plancher.
Je calcule dans l’ordre des questions : différences de profondeur, taux de fusion × hauteur, densité = masse ÷ volume, $e \approx 10 \sqrt{t}$ , densité moyenne pondérée, profondeur du plancher.
J’interprète avec le cours : dorsale lente ou rapide, décompression et fusion partielle, mise en place de la croûte, hydrothermalisme, vieillissement.
Je conclus par une phrase qui nomme le mécanisme, en citant les valeurs des documents.

Problème 1 · Un continent qui se déchire : l’Afar en 2005★★★Facile

Document 1 — L’Afar. Au nord du rift est-africain, en Éthiopie, l’Afar est une région de failles normales et de volcans basaltiques, où la lithosphère continentale est amincie. D’après les reconstitutions du mouvement des plaques, l’écartement y vaut en moyenne environ 16 mm par an.

Document 2 — L’épisode de septembre 2005 (Wright et al., Nature, 2006). Sur le segment de Dabbahu, un filon de magma long d’environ 60 km s’injecte entre 2 et 9 km de profondeur, pour l’essentiel en moins d’une semaine. Le sol s’ouvre de 8 m au plus. Le volume de magma injecté est estimé à environ 2,5 km³.

1. Ouverture maximale du sol en 2005, exprimée en millimètres : mm
8 m = 8 × 1 000 = 8 000 mm.
2. Au rythme moyen du document 1, il faudrait ans pour accumuler une telle ouverture.
8 000 ÷ 16 = 500 ans : l’écartement ne se fait pas régulièrement, mais par épisodes brefs et violents.
3. Hauteur du filon, entre son sommet et sa base : km
9 − 2 = 7 km.
4. Épaisseur moyenne du filon (volume ÷ (longueur × hauteur)), arrondie au mètre : m
60 × 7 = 420 km² ; 2,5 ÷ 420 ≈ 0,005 95 km, soit environ 6 m, cohérent avec une ouverture de 8 m au plus.
5. Ce magma basaltique provient de la fusion partielle du manteau, provoquée par sa sous la zone qui s’amincit.
Sa décompression : le manteau remonte sous la lithosphère amincie, la pression baisse et le solidus est dépassé.

Problème 2 · Dorsale lente ou dorsale rapide ?★★★Facile

Document 1 — Profondeur du fond (en m) selon la distance à l’axe (valeurs simplifiées).

Distance (km)	−20	−10	−5	0	5	10	20
Dorsale X	2 700	2 100	2 900	3 600	3 000	2 000	2 600
Dorsale Y	2 950	2 800	2 720	2 650	2 720	2 800	2 950

Document 2 — Roches draguées près de l’axe. Dorsale X : basaltes en coussins, gabbros et serpentinites. Dorsale Y : basaltes en coussins seulement, sur une croûte continue.

Document 3 — Vitesses d’écartement. X : 2,2 cm par an. Y : 13,2 cm par an.

1. Profondeur de la vallée de X sous sa crête la plus haute : m
Fond à 3 600 m, crête la plus haute à 2 000 m : 3 600 − 2 000 = 1 600 m.
2. L’axe de Y domine de m le fond situé à 20 km de lui.
2 950 − 2 650 = 300 m : un dôme axial.
3. Y s’écarte fois plus vite que X.
13,2 ÷ 2,2 = 6.
4. La dorsale lente est la dorsale (X ou Y).
X : vallée axiale profonde et écartement de quelques cm par an.
5. Les serpentinites draguées sur X montrent que, par endroits, le affleure sur le fond.
Le manteau : l’apport de magma est faible et les failles normales le remontent jusqu’au fond.
6. Sur Y, la croûte est continue car elle est alimentée par une chambre magmatique .
Une chambre permanente, typique des dorsales rapides.

Problème 3 · Pourquoi la péridotite fond-elle sous la dorsale ?★★★Moyen

Document 1 — Sous l’axe d’une dorsale : solidus de la péridotite et température de la péridotite qui remonte (valeurs simplifiées).

Profondeur (km)	110	90	70	50	30
Solidus (°C)	1 505	1 445	1 385	1 330	1 265
Température sous l’axe (°C)	1 410	1 405	1 395	1 365	1 325

Document 2 — Sous une plaine abyssale âgée de 85 Ma, la température à 70 km de profondeur est d’environ 1 080 °C.

1. À 90 km, la péridotite sous l’axe est (solide ou partiellement fondue).
Solide : 1 405 °C < 1 445 °C.
2. À 70 km, elle est .
Partiellement fondue : 1 395 °C > 1 385 °C. La fusion commence donc entre 90 et 70 km.
3. Baisse de température de la péridotite entre 110 et 30 km : °C
1 410 − 1 325 = 85 °C.
4. Baisse du solidus sur le même trajet : °C
1 505 − 1 265 = 240 °C : près de trois fois plus. C’est la baisse de pression qui fait passer le solidus sous la température de la roche.
5. Sous la plaine abyssale, à 70 km, il manque °C pour atteindre le solidus.
1 385 − 1 080 = 305 °C : cette lithosphère ancienne a refroidi et ne remonte pas, elle ne fond pas.
6. Entre 90 et 70 km, l’écart (température − solidus) passe de −40 °C à +10 °C. En supposant une variation régulière, la fusion commence vers km.
L’écart varie de 50 °C sur 20 km ; il s’annule après 20 × 40 ÷ 50 = 16 km de remontée : 90 − 16 = 74 km.

Problème 4 · Lost City, un champ hydrothermal posé sur le manteau★★★Moyen

Document 1 — Lost City (Kelley et al., Science, 2005). Découvert en 2000 à plus de 15 km de l’axe de la dorsale médio-atlantique, entre 750 et 900 m de fond, ce champ hydrothermal repose sur des serpentinites. Ses fluides, de moins de 40 à 90 °C, très basiques (pH de 9 à 11), riches en méthane et en hydrogène, construisent des cheminées de carbonates hautes de 30 à 60 m.

Document 2 — Les fumeurs noirs, découverts en 1979, sont situés à l’axe des dorsales, sur des basaltes, au-dessus d’un magma tout proche : leur eau sort à 350-400 °C.

Document 3 — Une réaction qui chauffe. L’olivine de la péridotite réagit avec l’eau de mer : il se forme de la serpentine, et la réaction dégage de la chaleur. La serpentinite (densité ≈ 2,6) contient 10 à 15 % d’eau ; la péridotite intacte a une densité d’environ 3,3.

1. Lost City repose sur des serpentinites : la roche d’origine est une .
Une péridotite du manteau, transformée par l’eau de mer.
2. Loin de tout magma, ses fluides sont chauffés par le manteau qui refroidit et par la réaction de , qui dégage de la chaleur.
La serpentinisation de l’olivine (document 3).
3. Écart entre un fumeur noir à 360 °C et le fluide le plus chaud de Lost City : °C
360 − 90 = 270 °C : sans magma tout proche, l’eau reste bien moins chaude.
4. Lost City est plus loin de l’axe que les fumeurs noirs : le plancher sur lequel il repose est plus (jeune ou ancien).
Plus ancien : le plancher, formé à l’axe, s’en éloigne en vieillissant ; loin de l’axe, il n’y a plus de magma tout proche.
5. Un manteau qui affleure à 15 km de l’axe est typique d’une dorsale .
D’une dorsale lente, peu magmatique, où les failles normales remontent le manteau.

Problème 5 · Le plancher s’enfonce en vieillissant★★★Difficile

Document 1 — La lithosphère océanique selon son âge (valeurs moyennes : profondeur d’après la relation de Parsons et Sclater, 1977, établie sur des mesures ; épaisseur jusqu’à l’isotherme 1 300 °C d’après une loi empirique).

Âge (Ma)	4	16	36	64
Profondeur du plancher (m)	3 200	3 900	4 600	5 300
Épaisseur de la lithosphère (km)	20	40	60	80

Document 2 — À tout âge, la croûte mesure 7 km (densité 2,9) ; le manteau lithosphérique a une densité de 3,3. À l’axe, le plancher est à 2 500 m de profondeur.

1. De 16 à 64 Ma, l’épaisseur est multipliée par et l’enfoncement du plancher sous la profondeur de l’axe (profondeur − 2 500 m) par .
Épaisseur : 80 ÷ 40 = 2. Enfoncement : 3 900 − 2 500 = 1 400 m et 5 300 − 2 500 = 2 800 m ; 2 800 ÷ 1 400 = 2. L’âge, lui, est multiplié par 4 : les deux suivent $\sqrt{t}$ .
2. L’épaisseur suit une loi $e = k \sqrt{t}$ : d’après la colonne 4 Ma, $k$ = .
$k = 20 \div \sqrt{4} = 20 \div 2 =$ 10 ; on vérifie : 10 × √36 = 60 km.
3. Si la loi reste valable au-delà de 64 Ma, l’épaisseur à 100 Ma est de km.
10 × √100 = 100 km, en supposant que la loi du document reste valable.
4. Densité moyenne de la lithosphère à 16 Ma, au centième :
Manteau : 40 − 7 = 33 km. 7 × 2,9 = 20,3 ; 33 × 3,3 = 108,9 ; 20,3 + 108,9 = 129,2 ; 129,2 ÷ 40 = 3,23.
5. Densité moyenne à 64 Ma, au millième :
Manteau : 80 − 7 = 73 km. 73 × 3,3 = 240,9 ; 20,3 + 240,9 = 261,2 ; 261,2 ÷ 80 = 3,265 : la lithosphère s’est alourdie.
6. Enfoncement du plancher entre 4 et 64 Ma : m
5 300 − 3 200 = 2 100 m : plus épaisse et plus dense, la lithosphère s’enfonce dans l’asthénosphère.

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