Convergence : subduction, magmatisme et collision

Marqueurs de la subduction (fosse, plan de Wadati-Benioff, flux géothermique, tomographie), densité de la lithosphère océanique et convection, métamorphisme et déshydratation de la plaque plongeante, magmatisme de la plaque chevauchante, collision, raccourcissement et épaississement crustal.

À propos de cette page

Cinq problèmes sur documents : la plaque des Aléoutiennes repérée par les séismes, le flux et la tomographie ; une lithosphère trop jeune pour plonger ; la vitesse des plaques et la longueur des fosses ; deux roches d’un arc et l’eau de leur magma ; les Pyrénées vues par le profil ECORS.

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

Résoudre un problème : la méthode

Je lis chaque document : sa nature (mesures, tableau, observation de terrain), s’il s’agit de valeurs réelles ou simplifiées, les unités (km, GPa, °C, mW/m², %, cm/an).
Je repère ce qui change : foyers qui s’approfondissent, flux qui monte, anomalie positive ou négative, minéraux qui perdent leur eau, géotherme qui franchit un solidus, terrains anciens sur des récents.
Je calcule dans l’ordre des questions : pendage, densité moyenne pondérée, profondeur (P × 33), gradient, distance fosse-arc, raccourcissement.
J’interprète avec le cours : plaque froide et cassante, déséquilibre gravitaire et traction, déshydratation, fusion du coin de manteau, raccourcissement et empilement.
Je conclus par une phrase qui nomme le mécanisme, en citant les valeurs des documents.

Problème 1 · Les Aléoutiennes : une plaque repérée par trois méthodes★★★Facile

Document 1 — Foyers des séismes le long d’un profil perpendiculaire à la fosse des Aléoutiennes (Alaska), distances comptées vers le nord à partir de la fosse (valeurs simplifiées).

Distance à la fosse (km)	30	130	230	330
Profondeur du foyer (km)	20	80	160	290

Document 2 — Flux géothermique le long du même profil (mW/m²) : fosse 32 ; avant-arc 45 ; arc volcanique 120 ; arrière-arc 80. Moyenne des continents : environ 65.

Document 3 — Tomographie sismique. Une bande inclinée qui part de la fosse montre des ondes 3,5 % plus rapides que le modèle PREM ; sous l’arc, une zone montre des ondes 2,5 % plus lentes.

1. Pendage entre les deux premiers foyers ≈ ° (au dixième, calculatrice).
$Δ p = 80 - 20 = 60$ km, $Δ d = 100$ km : $\tan θ = 0, 6$ , θ ≈ 31,0°.
2. Pendage entre les deux derniers foyers ≈ ° (au dixième).
$Δ p = 290 - 160 = 130$ km, $Δ d = 100$ km : $\tan θ = 1, 3$ , θ ≈ 52,4°.
3. D’un couple de foyers au suivant, le pendage : la plaque se courbe en profondeur.
Il augmente : 31,0°, puis ≈ 38,7° (tan θ = 0,8), puis 52,4°. La plaque Pacifique plonge vers le nord, de plus en plus raide.
4. La plaque atteint 100 km de profondeur à km de la fosse.
Entre (130 ; 80) et (230 ; 160), elle descend de 0,8 km par km : pour 20 km de plus, il faut 20 ÷ 0,8 = 25 km ; 130 + 25 = 155 km. C’est là qu’on attend l’arc.
5. Le flux de l’arc vaut fois celui de la fosse (au centième).
120 ÷ 32 = 3,75 : faible à la fosse (plaque froide), fort sous l’arc (magmas qui remontent).
6. La zone à −2,5 % sous l’arc est plus que le manteau voisin : c’est là que le manteau hydraté fond partiellement.
Plus chaude : ondes lentes. Avec la bande rapide (froide) et les foyers, trois méthodes désignent la même plaque plongeante.

Problème 2 · Une lithosphère trop jeune pour plonger ?★★★Moyen

Document 1 — Un modèle de lithosphère océanique (valeurs du modèle) : croûte de 6 km de densité 2,95 ; manteau lithosphérique de densité 3,30 ; asthénosphère de densité 3,26 ; épaisseur de la lithosphère $e = 9 \sqrt{t}$ ( $e$ en km, $t$ en millions d’années).

Document 2 — Trois fosses (âges choisis) : la lithosphère qui arrive à la fosse A a 15 millions d’années ; à la fosse B, 50 millions d’années ; à la fosse C, 90 millions d’années.

Document 3 — Deux fosses réelles. Âge de la lithosphère à leur entrée : fosse du Japon, environ 130 millions d’années ; fosse des Cascades (côte ouest de l’Amérique du Nord), de 4 à 9 millions d’années selon les endroits. Dans les deux fosses, la plaque plonge.

1. Épaisseur de la lithosphère qui arrive à la fosse B ≈ km (au dixième).
$9 \sqrt{50} \approx 9 \times 7, 071 \approx$ 63,6 km.
2. Densité moyenne de cette lithosphère ≈ (au centième).
$\frac{6 \times 2, 95 + 57, 6 \times 3, 30}{63, 6} \approx \frac{17, 7 + 190, 2}{63, 6} \approx$ 3,27 > 3,26 : déséquilibre gravitaire.
3. Densité moyenne de la lithosphère qui arrive à la fosse A ≈ (au centième).
$e = 9 \sqrt{15} \approx 34, 9$ km ; $\frac{17, 7 + 28, 9 \times 3, 30}{34, 9} \approx \frac{113, 1}{34, 9} \approx$ 3,24 < 3,26 : trop légère pour basculer d’elle-même.
4. Le déséquilibre apparaît quand $17, 7 + 3, 30 (e - 6) > 3, 26 e$ , soit pour $e$ > km (au dixième).
$17, 7 - 19, 8 + 3, 30 e > 3, 26 e$ donne $0, 04 e > 2, 1$ , soit $e >$ 52,5 km.
5. Âge correspondant ≈ millions d’années (à l’unité).
$\sqrt{t} > \frac{52, 5}{9} \approx 5, 83$ , donc $t > 34, 0$ : ≈ 34 millions d’années. Les fosses B et C reçoivent une lithosphère plus vieille, la fosse A une lithosphère plus jeune.
6. Fosse des Cascades : la lithosphère la plus âgée qui y entre est plus jeune que l’âge seuil du modèle d’environ millions d’années (à l’unité).
34 − 9 = 25 millions d’années : la plaque des Cascades plonge pourtant, alors que le modèle la dit trop légère. Le seuil n’est pas une règle absolue. La fosse du Japon, elle, reçoit une lithosphère bien plus vieille que le seuil.

Problème 3 · Les plaques les plus rapides plongent★★★Moyen

Document 1 — Six plaques (valeurs simplifiées, noms remplacés par des lettres).

Plaque	A	B	C	D	E	F
Part du pourtour où la plaque plonge dans une fosse (%)	0	5	12	35	45	60
Vitesse moyenne (cm/an)	1,0	2,0	2,5	6,0	8,0	9,5

Document 2 — Forsyth et Uyeda (1975) ont comparé les forces qui s’exercent sur les plaques : la longueur de fosse où une plaque plonge est le facteur le plus lié à sa vitesse ; la traction de la plaque plongeante est la force principale.

Document 3 — La plaque E s’écarte de sa dorsale, longue de 12 000 km, de 8 cm par an. Elle ne disparaît que dans sa fosse, longue de 9 600 km.

1. Vitesse moyenne des plaques A, B et C, qui plongent sur moins de 15 % de leur pourtour ≈ cm/an (au dixième).
(1,0 + 2,0 + 2,5) ÷ 3 = 5,5 ÷ 3 ≈ 1,8 cm/an.
2. Vitesse moyenne des plaques D, E et F ≈ cm/an (au dixième).
(6,0 + 8,0 + 9,5) ÷ 3 = 23,5 ÷ 3 ≈ 7,8 cm/an.
3. Les plaques qui plongent largement sont environ fois plus rapides (au dixième).
(23,5 ÷ 3) ÷ (5,5 ÷ 3) = 23,5 ÷ 5,5 ≈ 4,3.
4. Surface de lithosphère que la dorsale ajoute chaque année à la plaque E : km².
8 cm = 0,000 08 km ; 12 000 × 0,000 08 = 0,96 km² par an.
5. Si la surface de la plaque reste constante, elle plonge dans sa fosse à cm par an.
0,96 ÷ 9 600 = 0,000 1 km = 10 cm par an : accrétion et subduction se compensent.
6. Une plaque G plonge sur 25 % de son pourtour. D’après le document 1, sa vitesse est sans doute comprise entre 2,5 et cm/an.
G se place entre C (12 %, 2,5 cm/an) et D (35 %, 6,0 cm/an) : la vitesse croît avec la part de fosse, car la traction de la partie plongeante (document 2) entraîne la plaque.

Problème 4 · Deux roches d’un arc et l’eau qui les a fait naître★★★Difficile

Document 1 — Deux roches d’un même arc volcanique (valeurs simplifiées). Roche R : quelques grands cristaux de plagioclase et de hornblende dans une pâte de petits cristaux en bâtonnets et de verre ; 60 % de silice. Roche S : cristaux de quartz, de feldspaths, de biotite et de hornblende, tous visibles à l’œil nu et jointifs ; 66 % de silice.

Document 2 — L’eau des magmas, mesurée dans le verre piégé dans les cristaux : magmas des arcs, environ 4 % de la masse (moyenne mondiale, Plank et al., 2013) ; basaltes des dorsales, environ 0,2 %.

Document 3 — Un bilan simplifié. On admet que le magma de l’arc provient de la fusion de 4 % du coin de manteau, que toute son eau vient de ce manteau fondu, et que la croûte de la plaque plongeante libère 15 kg d’eau par tonne en passant du faciès schistes bleus au faciès éclogite.

1. La roche R a une structure .
Microlitique : microlites et verre, refroidissement rapide en surface ; R est une lave de l’arc.
2. La roche S, aux cristaux tous visibles et jointifs, a cristallisé lentement en .
En profondeur, dans un pluton : structure grenue. Plus riche en silice que R, elle montre la diversité des roches d’un même arc.
3. La teneur en eau des magmas des arcs est fois celle des basaltes des dorsales.
4 ÷ 0,2 = 20 : les magmas des arcs sont bien plus riches en eau ; la hornblende et la biotite de R et de S, hydroxylées, en gardent la trace.
4. Une tonne de magma de l’arc contient kg d’eau.
4 % de 1 000 kg = 40 kg.
5. Cette tonne de magma provient de la fusion de t de péridotite.
4 % du manteau fond : 1 ÷ 0,04 = 25 t de péridotite.
6. Le coin de manteau contenait donc environ kg d’eau par tonne (au dixième).
40 ÷ 25 = 1,6 kg par tonne, soit 0,16 % : un manteau à peine hydraté suffit, car son eau se concentre dans le peu de liquide formé.
7. Pour fournir les 40 kg d’eau de cette tonne de magma, il faut déshydrater environ t de croûte de la plaque plongeante (au dixième).
40 ÷ 15 ≈ 2,7 t : la plaque fournit l’eau, le manteau de la plaque chevauchante fournit le magma.

Problème 5 · Les Pyrénées, une chaîne de collision★★★Difficile

Document 1 — Le profil ECORS-Pyrénées (1985-1986, environ 250 km du bassin d’Aquitaine au bassin de l’Èbre). Le Moho est vers 32 km sous le bassin de l’Èbre et 30 km sous le bassin d’Aquitaine ; la croûte ibérique, découpée en écailles empilées, s’enfonce sous la croûte européenne et atteint environ 50 km sous le nord de la chaîne.

Document 2 — Reconstitution de la coupe (Muñoz, 1992) : au moins 147 km de raccourcissement, acquis en une soixantaine de millions d’années (de la fin du Crétacé à l’Oligocène).

Document 3 — Sur le terrain. Au nord de la chaîne, des calcaires du Jurassique reposent sur des grès de l’Éocène, plus récents, par un contact presque horizontal.

1. Épaississement de la croûte ibérique, du bassin de l’Èbre au nord de la chaîne : km.
50 − 32 = 18 km : une racine crustale.
2. Facteur d’épaississement ≈ (au centième).
50 ÷ 32 = 1,5625, soit ≈ 1,56.
3. En prenant 60 millions d’années, vitesse moyenne de raccourcissement : mm par an (au centième).
147 km = 147 000 000 mm ; 147 000 000 ÷ 60 000 000 = 2,45 mm/an.
4. Si la partie raccourcie mesure aujourd’hui 100 km (valeur choisie), elle mesurait au départ au moins km.
100 + 147 = 247 km.
5. Raccourcissement en % de la longueur initiale ≈ % (au dixième).
147 ÷ 247 ≈ 0,595, soit ≈ 59,5 % : la chaîne a perdu plus de la moitié de sa largeur.
6. L’Himalaya se raccourcit aujourd’hui d’environ 2 cm par an, soit environ fois plus vite que la moyenne pyrénéenne (à l’unité).
20 mm ÷ 2,45 mm ≈ 8,2, soit ≈ 8 fois : une collision active comparée à une chaîne dont la convergence est presque arrêtée.
7. Document 3 : la structure tectonique qui a porté le Jurassique sur l’Éocène par un contact presque horizontal est un .
Un chevauchement (faille inverse à faible pendage) : des terrains plus anciens sur des plus récents, superposition anormale. Avec la racine du document 1, il témoigne du raccourcissement et de l’empilement.

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