Convergence lithosphérique et formation des chaînes de montagnes

Exercice 1 — Restitution organisée : les marqueurs d'une ancienne subduction

Attendus de la restitution organisée (barème indicatif sur 6 pts).

Introduction (0,5 pt). Une chaîne de collision (Alpes, Himalaya) résulte de la fermeture d'un océan ; la subduction qui a précédé la collision n'est plus visible directement, mais a laissé des marqueurs dans les roches. Problématique : quels indices permettent de prouver une subduction passée ?

I. Les roches métamorphiques HP-BT (2 pts). La subduction enfouit la lithosphère selon un gradient anormalement faible (~8 °C/km). Cela engendre des roches de haute pression et basse température : blueschistes (à glaucophane, amphibole bleue, vers 15-45 km) puis éclogites (à jadéite et grenat, au-delà de 45 km, soit P > 15 kbar). Retrouver ces roches en surface dans une chaîne prouve qu'une portion de lithosphère a été enfouie très profondément et froidement, ce qui n'est possible qu'en subduction. Leur chemin P-T reconstitue la profondeur atteinte.

II. Les vestiges de croûte océanique : les ophiolites (1,5 pt). Fragments de lithosphère océanique préservés dans la chaîne, comprenant de bas en haut péridotites, gabbros, basaltes en coussins et sédiments pélagiques (radiolarites). Leur présence prouve l'existence d'un océan disparu, donc consommé par subduction (ex. : ophiolites du Chenaillet pour la Téthys alpine).

III. Les traces du magmatisme de subduction (1,5 pt). La déshydratation du slab provoque la fusion partielle du coin de manteau et un magmatisme calco-alcalin : laves andésitiques et plutons granitiques. Retrouver d'anciens arcs magmatiques calco-alcalins dans une chaîne signale une ancienne marge active de subduction.

Conclusion (0,5 pt). La convergence de ces marqueurs — roches HP-BT, ophiolites, magmatisme calco-alcalin — permet de reconstituer une subduction antérieure à la collision et, plus largement, de replacer la chaîne dans un cycle de Wilson.

Critères de notation : exactitude scientifique, organisation (plan apparent), vocabulaire spécifique, exemples concrets et valeurs chiffrées. Un schéma clair (coupe de subduction ou colonne d'ophiolite) est valorisé.

Exercice 2 — Raisonnement scientifique : reconstituer l'histoire d'une chaîne à partir de données

Démarche attendue (barème indicatif sur 6 pts). Un raisonnement scientifique = problème posé, exploitation ordonnée des documents, mobilisation des connaissances, conclusion argumentée.

Saisie d'informations — Doc 1 (1,5 pt). Trois âges décroissants : basaltes d'ophiolite à 165 Ma, éclogites à 85 Ma, granites de collision à 32 Ma. Les basaltes d'ophiolite datent la formation du plancher océanique, donc un océan ouvert au Jurassique (~165 Ma). Les éclogites datent le pic de pression de la subduction (~85 Ma, Crétacé). Les granites de collision datent l'orogenèse (~32 Ma, Oligocène).

Exploitation — Doc 2 et calcul (2 pts). Pour l'éclogite B : z = P / (ρ·g) = (24 × 10⁸) / (3 000 × 10) = (2,4 × 10⁹) / (3 × 10⁴) = 8 × 10⁴ m = 80 km. Pour le blueschiste A : z = (12 × 10⁸) / (3 × 10⁴) = 4 × 10⁴ m = 40 km. Les deux échantillons révèlent un gradient HP-BT (forte pression, température modérée), signature d'une subduction : la lithosphère a été enfouie jusqu'à ~80 km.

Mise en relation et connaissances (1,5 pt). On reconstitue un cycle de Wilson : (1) ~165 Ma, ouverture d'un océan (ophiolite) après un rifting antérieur ; (2) ~85 Ma, subduction de la lithosphère océanique, attestée par les roches HP-BT enfouies jusqu'à 80 km ; (3) ~32 Ma, collision continentale après fermeture de l'océan, produisant l'épaississement crustal, les granites d'anatexie et l'exhumation des éclogites désormais en surface.

Conclusion (1 pt). La chaîne enregistre la succession ouverture océanique (Jurassique) → subduction (Crétacé) → collision (Oligocène). La présence en surface d'éclogites formées à 80 km de profondeur démontre à la fois la subduction profonde et l'exhumation tectonique qui a suivi la collision.

Exercice 3 — Analyse de document : le magmatisme de subduction

Démarche attendue (barème indicatif sur 4 pts).

Lecture du document (1,5 pt). À toute profondeur, le solidus hydraté est nettement plus bas (~700-1000 °C) que le solidus sec (~1150-1600 °C) : l'eau abaisse la température de fusion des péridotites de plusieurs centaines de degrés. La température réelle du coin de manteau (~900-1250 °C) est inférieure au solidus sec : à sec, le manteau ne fond pas. En revanche, elle est supérieure au solidus hydraté : en présence d'eau, le manteau franchit son solidus et fond.

Mise en relation et connaissances (2 pts). Le manteau au-dessus du slab est donc trop froid pour fondre spontanément. La fusion ne devient possible que parce que l'eau abaisse le solidus en dessous de la température ambiante du coin de manteau : c'est une fusion induite par l'eau (fusion hydratée). Cette eau provient de la déshydratation du slab : en plongeant, la lithosphère océanique altérée et ses sédiments libèrent l'eau de leurs minéraux hydratés vers ~100 km de profondeur. Cette eau migre vers le coin de manteau et y déclenche la fusion partielle, génératrice du magma calco-alcalin de l'arc.

Conclusion (0,5 pt). Le magmatisme de subduction n'est pas dû à un échauffement du slab, mais à l'abaissement du solidus du manteau par les fluides issus de la déshydratation de la plaque plongeante.

Exercice 4 — Questions de cours appliquées

Éléments de correction (barème indicatif sur 4 pts).

1. Non-subduction de la croûte continentale (1,5 pt). La croûte continentale a une masse volumique faible (~2,7-2,8 g/cm³), inférieure à celle de l'asthénosphère (~3,3 g/cm³). Comme un bouchon dans l'eau, elle est trop légère pour s'enfoncer durablement dans le manteau : sa flottabilité s'oppose au plongement. Seule la lithosphère océanique, devenue plus dense que l'asthénosphère en vieillissant, peut subduire. Quand deux croûtes continentales se rencontrent, la subduction se bloque et la collision commence.

2. Épaississement et altitude (1,5 pt). Lors de la collision, la croûte s'épaissit (jusqu'à 50-80 km). Par isostasie, la croûte « flotte » sur le manteau : plus elle est épaisse, plus elle développe une racine profonde et plus son sommet s'élève en surface, à la manière d'un iceberg dont la hauteur émergée croît avec l'épaisseur totale. L'épaississement crustal explique donc directement les hautes altitudes (Himalaya, croûte ~70-80 km, sommets > 8 000 m).

3. Andes vs Alpes (1 pt). Les Andes correspondent à une subduction active (plaque Nazca sous l'Amérique du Sud) : l'océan Pacifique se ferme encore, avec fosse, arc volcanique actif et séismes profonds. Les Alpes correspondent à une collision : l'océan Téthys est entièrement consommé, la subduction est terminée, il ne subsiste plus de volcanisme d'arc actif. Les Andes sont donc au stade de déclin (subduction), les Alpes au stade terminal (collision) du cycle de Wilson.