Convergence lithosphérique et formation des chaînes de montagnes

Exercice 1 — Maîtrise du vocabulaire de la convergence
Corrigé :
• Subduction (1 pt) : plongement d'une plaque lithosphérique (généralement océanique, de densité ≈3,3 g/cm³) dans le manteau sous une plaque chevauchante, en raison de sa densité supérieure à celle de l'asthénosphère.
• Orogenèse (1 pt) : ensemble des processus tectoniques (plissements, failles inverses, nappes de charriage, épaississement crustal) conduisant à la formation de reliefs montagneux.
• Ophiolite (1 pt) : séquence de roches représentant un fragment de lithosphère océanique ancienne (péridotites → gabbros → basaltes en coussins → sédiments pélagiques) préservé dans une chaîne de montagnes, témoignant d'un paléo-océan disparu.
• Plan de Wadati-Benioff (1 pt) : plan d'alignement des foyers sismiques à différentes profondeurs (jusqu'à ~700 km) dans une zone de subduction, matérialisant la position du panneau plongeant (slab) dans le manteau.

Exercice 2 — Analyse d'un schéma de subduction
Corrigé :
a) (2 pts) L'arc volcanique se situe du côté de la plaque chevauchante car le slab plonge en s'enfonçant sous cette plaque. C'est à l'aplomb de la zone où le slab atteint ~100 km de profondeur que la déshydratation libère des fluides dans le coin de manteau. Ce manteau fond partiellement et le magma remonte vers la surface du côté de la plaque chevauchante (continentale), à environ 100–150 km en retrait de la fosse.
b) (2 pts) Les laves de l'arc sont de composition calco-alcaline (riches en SiO₂ > 54%, en Al₂O₃ et en K₂O) : andésite, dacite, rhyolite. À la différence des MORB (Mid-Ocean Ridge Basalts) de dorsale, qui sont des basaltes tholeiitiques pauvres en K et générés par décompression adiabatique, les laves calco-alcalines résultent d'une fusion partielle induite par les fluides et sont plus visqueuses et explosives.
c) (1 pt) On s'attend à des séismes profonds (jusqu'à 700 km), alignés sur le plan de Wadati-Benioff, car le slab froid reste rigide à grande profondeur. Des séismes superficiels à la fosse (rupture de la plaque) sont aussi attendus.

Exercice 3 — Interprétation d'un chemin P-T
Corrigé :
a) (2 pts) Le passage de A à C correspond à la subduction. La pression augmente rapidement (de 2 à 20 kbar, soit un enfouissement de ~2 km à ~60 km) tandis que la température n'augmente que très peu (200 → 530°C). Ce gradient HP-BT (pression augmentant beaucoup plus vite que la température) est caractéristique de l'enfouissement d'une roche dans une zone de subduction froide, loin d'une source de chaleur.
b) (2 pts) Au point B (faciès schiste bleu / blueschiste) : glaucophane (amphibole bleue, HP-BT). Au point C (faciès éclogite) : jadéite (pyroxène sodique, haute pression) et grenat rouge-orangé. Ces minéraux sont des marqueurs pression-température fiables permettant de reconstituer les conditions d'enfouissement.
c) (1 pt) Le retour de C à D (diminution de P avec T qui reste élevée) correspond à l'exhumation tectonique : lors de la collision qui fait suite à la subduction, des mouvements tectoniques (érosion, rebond isostasique, décrochements) remontent la roche depuis le manteau vers la surface.

Exercice 4 — Reconstitution de l'histoire géologique des Alpes
Corrigé :
Les ophiolites (160 Ma) témoignent de l'existence d'un océan téthysien au Jurassique, résultant d'un rifting triasique (~250 Ma). Cet océan s'est ensuite fermé par subduction : les éclogites (90 Ma) prouvent que la lithosphère océanique a plongé à plus de 60 km de profondeur dès le Crétacé supérieur. La collision entre les lithosphères continentales européenne et adriatique (débutant à l'Éocène, ~50 Ma) a engendré l'orogenèse alpine : raccourcissement horizontal, nappes de charriage, épaississement crustal jusqu'à 50 km. Les granites de collision (30 Ma) attestent de la fusion crustale lors de cet épaississement. Aujourd'hui, l'isostasie maintient les reliefs alpins en compensant l'érosion par un soulèvement continu de la croûte.

Exercice 5 — Cycle de Wilson et impact climatique
Corrigé :
L'orogenèse soulève d'importantes masses de roches silicatées en surface, les exposant à l'érosion météorique. L'altération chimique des silicates (ex. CaSiO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + HCO₃⁻ + SiO₂) consomme du CO₂ atmosphérique. Les ions Ca²⁺ et HCO₃⁻ sont transportés par les fleuves jusqu'aux océans, où des organismes marins les précipitent en CaCO₃ (calcaires). Ce carbone est ainsi piégé dans les sédiments, retiré du cycle de l'atmosphère. Sur des millions d'années, une intense orogenèse peut ainsi provoquer une baisse significative de la concentration en CO₂ atmosphérique et engendrer un refroidissement climatique global. Ce lien est illustré par la formation de l'Himalaya à l'Éocène (~50 Ma), souvent invoquée pour expliquer le refroidissement tertiaire qui a conduit aux glaciations du Quaternaire. Ainsi, les chaînes de montagnes sont des acteurs majeurs du cycle du carbone à l'échelle géologique.