Les phénomènes géologiques aux interfaces lithosphère-asthénosphère

Exercice 1 — Structure des enveloppes terrestres
Corrigé :
Tableau (2 pts) : Lithosphère océanique : ~5–10 km (croûte) + manteau lithosphérique, rigide, péridotite/basalte. Lithosphère continentale : ~30–200 km, rigide, granite/péridotite. Asthénosphère : jusqu'à ~660 km, ductile, péridotite.
Phrase (1 pt) : La distinction mécanique (lithosphère/asthénosphère) porte sur la rigidité ; la distinction chimique (croûte/manteau) porte sur la composition. Ces deux frontières ne coïncident pas.
Schéma (1 pt) : De haut en bas : croûte (couleur différente selon ocean/continent) | manteau lithosphérique rigide | frontière lithosphère/asthénosphère | asthénosphère ductile.

Exercice 2 — Accrétion océanique à la dorsale
Corrigé :
Mécanisme (2 pts) : L'asthénosphère remonte par convection sous la dorsale. La diminution de pression (décompression adiabatique, sans hausse de T) abaisse la température sous le solidus → fusion partielle de la péridotite (1–25 %). Le magma basaltique s'injecte dans des fissures : basaltes en coussin (surface), sheeted dykes, gabbros (profondeur), péridotite résiduelle.
Calcul (2 pts) : $d = v \times t = 2{,}5 \text{ cm/an} \times 50 \times 10^6 \text{ an} = 125 \times 10^6 \text{ cm} = 1\,250 \text{ km}$ (de chaque côté).
Magnétostratigraphie (1 pt) : Les basaltes enregistrent l'orientation du champ magnétique lors de leur refroidissement. Les inversions de polarité forment des bandes symétriques de part et d'autre de la dorsale ; en comparant avec l'échelle de temps des inversions connues, on date la croûte à chaque distance.

Exercice 3 — Zones de subduction et volcanisme associé
Corrigé :
Subduction (2 pts) : La lithosphère océanique jeune (ρ ≈ 3,0 g/cm³) est légèrement moins dense que l'asthénosphère (ρ ≈ 3,2–3,3 g/cm³). En vieillissant et se refroidissant, sa densité augmente jusqu'à dépasser celle de l'asthénosphère (~3,3 g/cm³), ce qui déclenche le plongement (slab pull).
Mécanisme (2 pts) : Le panneau plongeant (croûte océanique hydratée) atteint ~100 km de profondeur → déstabilisation des minéraux hydroxylés (serpentine, amphiboles) → libération d'eau → migration dans le coin mantellique de la plaque chevauchante → abaissement du solidus → fusion partielle du manteau chevauchant → magma andésitique.
Comparaison (1 pt) : Dorsale : basalte, effusif, pillow lavas, faible explosivité. Subduction : andésite/rhyolite, explosif, stratovolcan (ex. Pinatubo), nuées ardentes.

Exercice 4 — Points chauds et panaches mantelliques
Corrigé :
Point chaud (1,5 pt) : Un point chaud est une zone de volcanisme intra-plaque liée à un panache mantellique : une colonne de matière mantellique anormalement chaude qui remonte depuis le manteau profond (limite manteau/noyau). Lors de la remontée, la décompression adiabatique déclenche la fusion partielle → magma basaltique. Le point chaud est fixe par rapport au manteau profond.
Chapelet hawaïen (1,5 pt) : L'île la plus jeune (Grande Île) est au-dessus du point chaud actuel. Les îles plus anciennes s'éloignent vers le nord-ouest, reflétant le déplacement de la plaque Pacifique. En mesurant la distance entre deux îles d'âge connu et en divisant par la différence d'âge, on calcule la vitesse : ex. si Oahu (3,7 Ma) est à ~330 km de la Grande Île → vitesse ≈ 330/3,7 ≈ 89 km/Ma ≈ 9 cm/an vers le nord-ouest.

Exercice 5 — Synthèse — Cycle de la lithosphère océanique
Corrigé :
Schéma annoté (2 pts) : Le schéma doit montrer : Dorsale (accrétion, basaltes/gabbros, fusion par décompression) → plancher océanique qui s'écarte → vieillissement, refroidissement, densification → zone de subduction (fosse, panneau plongeant, plan de Wadati-Benioff) → déshydratation à ~100 km → volcanisme d'arc andésitique → assimilation de la lithosphère dans le manteau profond. Profondeurs annotées : dorsale ~0–10 km ; déshydratation ~100 km ; subduction max ~700 km.
Recyclage (1 pt) : La matière mantellique est transformée en croûte océanique à la dorsale (magma basaltique), vieillissant et plongeant en subduction. Elle est partiellement re-fondue (volcanisme d'arc) et le reste est intégré dans le manteau profond, qui sera à nouveau mobilisé par convection. C'est un cycle continu (durée ~100–200 Ma pour la lithosphère océanique) qui maintient la taille approximativement constante des plaques.