Tectonique des plaques : la mobilité horizontale

De la dérive des continents à l’expansion océanique, anomalies magnétiques et vitesse d’expansion, âge des fonds océaniques et forages, mesures GPS et laser, points chauds, modèle des plaques et marqueurs des zones de divergence et de convergence.

À propos de cette page

Six problèmes sur documents : tester l’hypothèse de Hess avec un profil magnétique, exploiter des forages de part et d’autre d’une dorsale, surveiller un rift par GPS, retracer l’histoire d’une plaque sur une chaîne de point chaud, étudier deux tronçons de dorsale décalés et une chaîne de montagnes, comparer trois méthodes sur une même dorsale.

6 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 de forages, série GPS, chaîne volcanique, profil sismique), si les valeurs sont réelles ou choisies, et les unités (km, Ma, mm/an, cm/an, mW/m²).
Je repère le référentiel de chaque vitesse : par rapport à l’axe d’une dorsale, à une plaque voisine, au référentiel international ou au manteau profond.
Je calcule dans l’ordre des questions : demi-vitesse = distance ÷ âge (1 km/Ma = 1 mm/an), somme des deux flancs, durée = largeur ÷ vitesse, $v = \sqrt{v_{E}^{2} + v_{N}^{2}}$ , différence des vitesses de deux stations.
Je compare les résultats de méthodes différentes et leurs durées : quelques années (GPS), quelques millions d’années (anomalies), des dizaines de millions d’années (forages, points chauds).
Je conclus par une phrase qui nomme le mouvement (divergence, convergence, coulissage), sa vitesse et son sens, en citant les valeurs des documents.

Problème 1 · Tester l’hypothèse de Hess★★★Facile

Document 1 — L’hypothèse de Hess (1962). Sous l’axe des dorsales, du matériel chaud remonte et forme un plancher neuf qui s’écarte de part et d’autre.

Document 2 — Distances à l’axe de trois limites d’inversion, mesurées sur un profil perpendiculaire à une dorsale (valeurs choisies).

Âge de la limite (Ma)	0,77	1,78	2,61
Flanc est (km)	15,4	35,6	52,2
Flanc ouest (km)	15,4	35,6	52,2

Document 3 — L’échelle de polarité (GTS 2020, simplifiée) : normale de 0 à 0,77 Ma ; inverse de 0,77 à 1,78 Ma, sauf de 1,01 à 1,08 Ma ; normale de 1,78 à 1,93 Ma ; inverse de 1,93 à 2,61 Ma ; normale de 2,61 à 3,60 Ma.

1. D’après le document 2, deux limites de même âge sont à la même distance de part et d’autre de l’axe : leur répartition est .
Une répartition symétrique : c’est ce que prévoit un plancher formé à l’axe puis écarté des deux côtés.
2. Demi-vitesse calculée sur la limite de 2,61 Ma : mm/an
52,2 ÷ 2,61 = 20 mm/an ; 15,4 ÷ 0,77 et 35,6 ÷ 1,78 donnent aussi 20 : la vitesse a été constante.
3. À cette vitesse, le basalte situé à 25 km de l’axe a Ma (au centième).
25 ÷ 20 = 1,25 Ma.
4. D’après le document 3, ce basalte est aimanté en polarité (normale ou inverse).
1,25 Ma est compris entre 1,08 et 1,78 Ma : polarité inverse (époque de Matuyama), donc une anomalie négative.
5. Les deux flancs ont la même demi-vitesse : les deux plaques s’écartent de cm/an.
On additionne les deux flancs : 20 + 20 = 40 mm/an = 4 cm/an.
6. D’après le document 3, le début de l’épisode normal d’Olduvai (1,93 Ma) est à km de l’axe (au dixième).
20 mm/an = 20 km/Ma : 20 × 1,93 = 38,6 km ; la bande normale d’Olduvai s’étend de 35,6 à 38,6 km de l’axe, sur chaque flanc.

Problème 2 · Des forages de part et d’autre d’une dorsale★★★Moyen

Document 1 — Des forages pour dater le plancher. En 1968-1969, un navire de forage américain fore une série de sites de part et d’autre de la dorsale médio-atlantique, dans l’Atlantique Sud. À chaque site, on date les sédiments posés directement sur le basalte.

Document 2 — Résultats de forages sur une dorsale (valeurs choisies pour l’exercice).

Site	Flanc	Distance à l’axe (km)	Âge des sédiments au contact du basalte (Ma)	Épaisseur des sédiments (m)
1	est	220	11	60
2	est	640	32	190
3	est	1 000	50	320
4	ouest	190	10	55
5	ouest	570	30	180
6	ouest	950	50	310

1. D’après le document 2, le basalte du site 5 a au moins Ma.
Au moins 30 Ma : les sédiments se déposent sur le basalte déjà en place ; leur âge est un âge minimal, très proche de l’âge réel du basalte.
2. Demi-vitesse du flanc est : mm/an
220 ÷ 11 = 640 ÷ 32 = 1 000 ÷ 50 = 20 mm/an.
3. Demi-vitesse du flanc ouest : mm/an
190 ÷ 10 = 570 ÷ 30 = 950 ÷ 50 = 19 mm/an.
4. Vitesse d’expansion de la dorsale : cm/an
20 + 19 = 39 mm/an = 3,9 cm/an : l’expansion est presque symétrique, on additionne les deux flancs.
5. À cette vitesse, un océan de 5 070 km de large s’est ouvert en Ma.
39 mm/an = 39 km/Ma ; 5 070 ÷ 39 = 130 Ma.
6. Vitesse moyenne d’accumulation des sédiments au site 3 : m par Ma
320 ÷ 50 = 6,4 m par Ma : les sédiments s’épaississent avec l’âge du plancher, donc avec la distance à l’axe.

Problème 3 · Un rift sous surveillance GPS★★★Moyen

Document 1 — Deux stations GPS de part et d’autre d’un rift orienté nord-sud. Déplacement de 2014 à 2024, dans le référentiel international (valeurs choisies).

Station	Position	Vers l’est (mm)	Vers le nord (mm)
S1	à l’ouest du rift	−40	+30
S2	à l’est du rift	+60	+30

Document 2 — Anomalies magnétiques. Là où le rift se prolonge en mer, la limite Brunhes / Matuyama (0,77 Ma) est à 3,85 km de l’axe de chaque côté.

1. Composante est de la vitesse de S1 : mm/an
−40 ÷ 10 = −4 mm/an (vers l’ouest).
2. Vitesse de S2, au dixième : mm/an
$v_{E} = 6$ et $v_{N} = 3$ mm/an : $\sqrt{36 + 9} = \sqrt{45} \approx$ 6,7 mm/an, vers l’est-nord-est.
3. Vitesse d’écartement est-ouest des deux stations : mm/an
6 − (−4) = 10 mm/an.
4. Composante nord-sud de leur mouvement relatif : mm/an
3 − 3 = 0 : les deux stations vont autant vers le nord ; ce mouvement commun vient du référentiel, il ne déforme pas le rift.
5. Vitesse d’expansion d’après le document 2 : mm/an
Demi-vitesse 3,85 ÷ 0,77 = 5 mm/an ; 2 × 5 = 10 mm/an, la même valeur que le GPS : l’ouverture est régulière depuis 0,77 Ma.
6. À cette vitesse, le rift s’élargit de 1 km en ans.
1 km = 1 000 000 mm ; 1 000 000 ÷ 10 = 100 000 ans.

Problème 4 · Une chaîne de point chaud et l’histoire d’une plaque★★★Moyen

Document 1 — Une chaîne de volcans de point chaud sur une plaque océanique ; les volcans vieillissent vers l’ouest-nord-ouest (valeurs choisies).

Volcan	actif	V1	V2	V3	V4
Distance au volcan actif (km)	0	144	576	1 356	2 556
Âge (Ma)	0	2,0	8,0	20,0	40,0

Document 2 — Hypothèse du modèle. Le point chaud est fixe par rapport au manteau profond ; tous les volcans se sont formés à son aplomb.

1. La plaque se déplace vers l’.
Vers l’ouest-nord-ouest, le sens où les volcans vieillissent.
2. Vitesse de la plaque depuis 8,0 Ma : cm/an
576 ÷ 8,0 = 72 km/Ma = 7,2 cm/an ; V1 donne aussi 144 ÷ 2,0 = 72.
3. Vitesse de la plaque entre 40,0 et 20,0 Ma : mm/an
(2 556 − 1 356) ÷ (40 − 20) = 1 200 ÷ 20 = 60 mm/an.
4. Vitesse entre 20,0 et 8,0 Ma, au dixième : mm/an
(1 356 − 576) ÷ (20 − 8) = 780 ÷ 12 = 65 mm/an.
5. Depuis 8,0 Ma, la plaque va mm/an plus vite qu’entre 40,0 et 20,0 Ma.
72 − 60 = 12 mm/an : la plaque a accéléré ; diviser 2 556 par 40 (63,9 mm/an) aurait masqué ces changements.
6. Âge attendu d’un mont sous-marin de la chaîne situé à 996 km du volcan actif, au dixième : Ma
Entre V2 (576 km, 8,0 Ma) et V3 (1 356 km, 20,0 Ma), la plaque avance à 65 km/Ma : 8 + (996 − 576) ÷ 65 = 8 + 420 ÷ 65 ≈ 8 + 6,46 ≈ 14,5 Ma.

Problème 5 · Deux tronçons décalés et une chaîne de montagnes★★★Difficile

Document 1 — Deux tronçons de dorsale décalés. Deux tronçons d’une même dorsale, orientés nord-sud, sont décalés de 120 km le long d’une faille est-ouest. La demi-vitesse est de 20 mm/an sur chaque flanc. Entre les deux tronçons, la faille est active et sismique (séismes superficiels, sans volcanisme) ; au-delà, son prolongement, la zone de fracture, ne l’est plus (valeurs choisies).

Document 2 — Une chaîne de collision. Deux stations GPS de part et d’autre d’une chaîne de montagnes orientée est-ouest (référentiel international, valeurs choisies) : station Sud, +38 mm/an vers le nord ; station Nord, +6 mm/an vers le nord. Entre elles, des séismes de 5 à 80 km de profondeur répartis sur plus de 1 000 km de large, des plis et des chevauchements ; aucun volcan actif.

1. Entre les deux tronçons de dorsale, la faille est une faille .
Une faille transformante : les deux plaques coulissent sans création ni destruction de lithosphère.
2. Vitesse de coulissage le long de la faille, entre les deux tronçons : mm/an
De part et d’autre de la faille, les plaques s’éloignent chacune de son tronçon à 20 mm/an, en sens opposés : 20 + 20 = 40 mm/an, la vitesse d’expansion.
3. Le long de la zone de fracture, au-delà des tronçons, la vitesse relative des deux côtés est de mm/an.
0 : les deux côtés appartiennent à la même plaque et vont dans le même sens à la même vitesse ; la zone de fracture est une cicatrice inactive.
4. Vitesse de raccourcissement de la chaîne de collision : mm/an
38 − 6 = 32 mm/an : la station Sud rattrape la station Nord.
5. À cette vitesse constante, la chaîne se raccourcit de km en 10 Ma.
32 km/Ma × 10 = 320 km, absorbés par les plis et l’empilement des chevauchements.
6. Aucun foyer n’atteint 300 km : aucune lithosphère n’y profondément.
Aucune ne plonge : deux lithosphères continentales, peu denses, se rencontrent ; c’est une collision, pas une subduction.

Problème 6 · Trois méthodes pour une même dorsale★★★Difficile

Document 1 — Anomalies magnétiques. La limite Gauss / Gilbert (3,60 Ma) est à 72 km à l’ouest de l’axe et à 82,8 km à l’est.

Document 2 — Forages. Sédiments de 30 Ma au contact du basalte à 600 km à l’ouest de l’axe et à 720 km à l’est.

Document 3 — GPS (référentiel international, vitesses est-ouest, est positif) : station ouest −19 mm/an ; station est +26 mm/an.

Toutes les valeurs sont choisies pour l’exercice.

1. Vitesse d’expansion d’après les anomalies : mm/an
Ouest : 72 ÷ 3,60 = 20 ; est : 82,8 ÷ 3,60 = 23 ; 20 + 23 = 43 mm/an.
2. Vitesse d’expansion d’après les forages : mm/an
Ouest : 600 ÷ 30 = 20 ; est : 720 ÷ 30 = 24 ; 20 + 24 = 44 mm/an.
3. Vitesse d’écartement d’après le GPS : mm/an
26 − (−19) = 45 mm/an.
4. Écart entre la plus grande et la plus petite des trois valeurs : mm/an
45 − 43 = 2 mm/an, moins de 5 % : sur quelques années (GPS), 3,6 Ma et 30 Ma, la vitesse est presque la même, le mouvement est continu.
5. Le flanc le plus rapide est le flanc .
Le flanc est : 23 à 24 mm/an contre 20 ; l’expansion est asymétrique, il ne faut pas doubler une demi-vitesse.
6. À 44 mm/an depuis son ouverture, un océan de 3 300 km s’est ouvert il y a Ma.
3 300 ÷ 44 = 75 Ma.

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