La dynamique des zones de subduction et de dorsale
Terminale · SVT · Enjeux planétaires contemporains
Enjeux planétaires contemporains
Les dorsales : fabriquer de la lithosphère océanique
Les dorsales océaniques forment une chaîne de montagnes sous-marine de plus de 60 000 km de long. C'est là que naît la lithosphère océanique, avant de s'éloigner, de vieillir, et de finir recyclée dans une zone de subduction. Comprendre ce cycle, c'est comprendre le fonctionnement thermique de la Terre : la dorsale évacue la chaleur interne, la subduction referme la boucle.
Pourquoi la péridotite fond-elle sous la dorsale ?
Contre-intuitif mais essentiel : ce n'est pas parce qu'on la chauffe. Sous l'axe de la dorsale, la divergence des plaques permet à l'asthénosphère de remonter. En remontant, cette péridotite conserve à peu près sa température, mais la pression chute fortement. Or le solidus des péridotites (la courbe qui marque le début de la fusion) dépend de la pression : à haute pression, il faut très chaud pour fondre ; à basse pression, beaucoup moins.
Résultat : la péridotite franchit son solidus « par le bas » et commence à fondre. On parle de fusion par décompression adiabatique.
Du magma aux roches : basalte et gabbro
Le magma produit est de composition basaltique. Il s'accumule dans une chambre magmatique, puis suit deux destins :
— une partie atteint le plancher océanique et se refroidit brutalement au contact de l'eau de mer : les cristaux n'ont pas le temps de grossir, la roche obtenue est du basalte, à structure microlitique, formant des laves en coussins (pillow lavas) ;
— une partie se fige lentement en profondeur : les cristaux ont le temps de se développer et deviennent visibles à l'œil nu. C'est le gabbro, à structure grenue.
L'hydrothermalisme : la mer entre dans la roche
La croûte océanique nouvellement formée est fracturée et très chaude. L'eau de mer s'y infiltre, se réchauffe, réagit chimiquement avec les basaltes et les gabbros, puis ressort par les célèbres fumeurs noirs. Cette circulation provoque un métamorphisme hydrothermal : les minéraux d'origine sont remplacés par des minéraux hydroxylés, c'est-à-dire contenant de l'eau dans leur structure (chlorite, actinote). On parle de faciès des schistes verts.
Retiens bien ce point : la lithosphère océanique part de la dorsale chargée d'eau. Cette eau jouera un rôle décisif des millions d'années plus tard, en zone de subduction.
Vieillir, c'est s'épaissir et s'alourdir
À mesure qu'elle s'éloigne de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit. L'isotherme 1300 °C, qui marque sa base, s'enfonce : la lithosphère s'épaissit (d'environ 0 km à l'axe à plus de 100 km pour une lithosphère âgée). Et comme une roche froide est plus dense qu'une roche chaude, la lithosphère se densifie.
Au bout d'environ 30 millions d'années, l'ensemble lithosphérique devient plus dense que l'asthénosphère sur laquelle il repose. La subduction devient alors mécaniquement possible.
Enjeux planétaires contemporains
Les zones de subduction : recycler et fabriquer du continent
Une zone de subduction est le lieu où une lithosphère océanique dense plonge sous une autre plaque. C'est le grand recyclage de la planète : la lithosphère y disparaît au même rythme, environ, qu'elle est produite aux dorsales. Mais la subduction ne fait pas que détruire : elle fabrique de la croûte continentale. Voici les marqueurs qui permettent de la reconnaître sur le terrain.
| Marqueur | Observation | Interprétation |
|---|---|---|
| Relief | Fosse océanique très profonde (jusqu'à environ 11 km) bordée d'un arc volcanique ou d'une cordillère | Flexion et plongement de la plaque océanique |
| Sismicité | Plan de Wadati-Benioff : foyers de plus en plus profonds vers le continent, jusqu'à environ 700 km | Il matérialise la plaque plongeante, encore rigide et cassante |
| Flux de chaleur | Anomalie thermique négative au niveau de la plaque plongeante | Une lithosphère froide s'enfonce et met des millions d'années à se réchauffer |
| Magmatisme | Volcanisme explosif, andésites et rhyolites en surface, granodiorites en profondeur | Fusion partielle du manteau au-dessus de la plaque, vers 100 km |
| Sédiments | Prisme d'accrétion : sédiments raclés et empilés contre la plaque chevauchante | Les sédiments, peu denses, ne plongent pas facilement |
| Roches métamorphiques | Schistes bleus et éclogites, avec glaucophane, jadéite et grenat | Conditions de haute pression et de basse température |
Le métamorphisme de la plaque plongeante
En plongeant, la plaque subit une forte hausse de pression mais une hausse de température très modérée : c'est un métamorphisme haute pression - basse température. Les minéraux hydroxylés acquis près de la dorsale ne sont plus stables : ils se transforment, et à chaque transformation, ils libèrent de l'eau.
La succession est à connaître par cœur :
gabbro hydraté (schistes verts) → schiste bleu → éclogite.
L'eau, clé du magmatisme de subduction
Voici le raisonnement complet, qui tombe très souvent à l'épreuve :
1. Près de la dorsale, l'hydrothermalisme charge la croûte océanique en minéraux hydroxylés.
2. Des dizaines de millions d'années plus tard, cette croûte plonge en subduction.
3. Le métamorphisme HP-BT déshydrate progressivement les roches et libère de l'eau.
4. Cette eau monte et hydrate la péridotite du manteau situé au-dessus de la plaque.
5. Or l'ajout d'eau abaisse fortement le solidus de la péridotite : à 100 km de profondeur, la péridotite sèche ne fondrait pas, mais la péridotite hydratée, si.
6. Une fusion partielle se déclenche : c'est l'origine des magmas de subduction.
Des magmas visqueux, des roches nouvelles
Le magma produit est riche en silice et en eau : il est donc très visqueux. Les gaz dissous ne s'échappent pas librement, la pression monte dans le conduit, et l'éruption est explosive (nuées ardentes, panaches, dômes). Rien à voir avec les coulées fluides des dorsales et des points chauds.
Comme à la dorsale, deux vitesses de refroidissement, deux familles de roches :
— en surface, refroidissement rapide : andésite, rhyolite, à structure microlitique ;
— en profondeur, refroidissement lent : diorite, granodiorite, granite, à structure grenue.
Exercices corrigés
Quelle roche constitue l'essentiel du manteau terrestre ?
- A.Le basalte
- B.La péridotiteBonne réponse
- C.Le gabbro
- D.Le granite
Réponse : B — La péridotite
Le manteau est constitué de péridotite, une roche formée d'olivine et de pyroxènes. Basalte et gabbro appartiennent à la croûte océanique : ce sont les produits de la fusion partielle des péridotites, et non le manteau lui-même. Le granite, riche en silice, est une roche de la croûte continentale.
Pourquoi la lithosphère océanique s'épaissit-elle à mesure qu'elle s'éloigne de la dorsale ?
- A.Parce qu'elle se refroidit : l'isotherme 1300 °C qui marque sa base s'enfonce progressivementBonne réponse
- B.Parce que les sédiments s'accumulent en épaisseur à sa surface
- C.Parce que de nouvelles coulées de basalte viennent s'ajouter au fur et à mesure
- D.Parce que la pression exercée par la colonne d'eau augmente
Réponse : A — Parce qu'elle se refroidit : l'isotherme 1300 °C qui marque sa base s'enfonce progressivement
La base de la lithosphère est définie thermiquement, par l'isotherme 1300 °C. En s'éloignant de l'axe, la lithosphère perd de la chaleur vers l'océan : le manteau situé juste en dessous refroidit à son tour et se rigidifie, donc l'isotherme s'enfonce et la lithosphère s'épaissit, jusqu'à plus de 100 km. La sédimentation existe bien mais ne représente que quelques centaines de mètres, et le volcanisme basaltique reste cantonné à l'axe de la dorsale.
Pourquoi une lithosphère océanique âgée peut-elle entrer en subduction ?
- A.Parce qu'elle est devenue plus chaude que l'asthénosphère
- B.Parce qu'elle est devenue plus légère que l'asthénosphère
- C.Parce qu'en se refroidissant elle est devenue plus dense que l'asthénosphère sous-jacenteBonne réponse
- D.Parce que la poussée de la dorsale suffit à elle seule à l'enfoncer
Réponse : C — Parce qu'en se refroidissant elle est devenue plus dense que l'asthénosphère sous-jacente
Une roche froide est plus dense qu'une roche chaude de même composition. En vieillissant, la lithosphère océanique refroidit, s'épaissit et se densifie ; au bout d'environ 30 millions d'années, sa densité moyenne dépasse celle de l'asthénosphère. Elle devient alors instable et peut s'enfoncer : c'est la traction exercée par la partie déjà plongée, et non une poussée depuis la dorsale, qui constitue le principal moteur.
Dans quel ordre se succèdent les faciès métamorphiques au sein de la croûte océanique plongeante ?
- A.Schistes verts, puis schistes bleus, puis éclogitesBonne réponse
- B.Éclogites, puis schistes bleus, puis schistes verts
- C.Schistes bleus, puis schistes verts, puis éclogites
- D.Éclogites, puis schistes verts, puis schistes bleus
Réponse : A — Schistes verts, puis schistes bleus, puis éclogites
La plaque part de la dorsale au faciès des schistes verts, acquis par hydrothermalisme. En plongeant, la pression augmente fortement alors que la température monte peu : elle passe au faciès des schistes bleus, caractérisé par le glaucophane, puis au faciès des éclogites, avec jadéite et grenat. L'ordre suit donc la profondeur croissante, et chaque étape correspond à une déshydratation supplémentaire.
Que révèle l'anomalie thermique négative mesurée au niveau d'une zone de subduction ?
- A.La remontée d'un panache mantellique particulièrement chaud
- B.L'enfoncement d'une lithosphère froide qui met des millions d'années à se réchaufferBonne réponse
- C.La fusion totale de la plaque plongeante en profondeur
- D.Une simple accumulation de sédiments jouant un rôle isolant
Réponse : B — L'enfoncement d'une lithosphère froide qui met des millions d'années à se réchauffer
Les roches conduisent mal la chaleur : une lithosphère froide qui plonge rapidement conserve longtemps sa basse température et refroidit localement le manteau environnant, d'où l'anomalie négative. Cette observation est capitale car elle interdit d'expliquer le magmatisme de subduction par un simple échauffement : dans une zone froide, seule l'arrivée d'eau peut déclencher une fusion.
Comment expliquer qu'une fusion partielle se produise vers 100 km de profondeur au-dessus d'une plaque plongeante froide ?
- A.La chaleur dégagée par les frottements entre les deux plaques suffit à faire fondre les roches
- B.La péridotite fond spontanément dès qu'elle atteint 100 km de profondeur
- C.La très forte pression abaisse à elle seule le point de fusion de la péridotite
- D.L'eau libérée par la déshydratation de la plaque hydrate la péridotite sus-jacente et abaisse son solidusBonne réponse
Réponse : D — L'eau libérée par la déshydratation de la plaque hydrate la péridotite sus-jacente et abaisse son solidus
Les réactions métamorphiques successives libèrent l'eau contenue dans les minéraux hydroxylés. Cette eau migre vers le haut et hydrate la péridotite du manteau situé au-dessus de la plaque. Or le solidus d'une péridotite hydratée est décalé vers des températures nettement plus basses que celui d'une péridotite sèche : dans les conditions du lieu, la roche sèche ne fondrait pas, la roche hydratée fond. Attention au piège de la pression : à elle seule, une augmentation de pression rend la fusion plus difficile, pas plus facile.
Quel couple de roches est caractéristique du magmatisme des zones de subduction ?
- A.Andésite et granodioriteBonne réponse
- B.Basalte et gabbro
- C.Péridotite et éclogite
- D.Schiste bleu et glaucophane
Réponse : A — Andésite et granodiorite
L'andésite est la roche volcanique, à structure microlitique, et la granodiorite la roche plutonique correspondante, à structure grenue : toutes deux sont riches en silice, ce qui est la signature du magmatisme de subduction. Basalte et gabbro caractérisent au contraire l'accrétion aux dorsales. La péridotite est mantellique et l'éclogite métamorphique, donc aucune des deux n'est magmatique ; quant au glaucophane, c'est un minéral, pas une roche.
Qu'est-ce qui déclenche la fusion partielle des péridotites sous une dorsale océanique ?
- A.Une hausse de température due aux frottements entre plaques
- B.L'apport d'eau venue de l'océan
- C.Une augmentation de la pression
- D.Une diminution de la pression lors de la remontée du manteauBonne réponse
Réponse : D — Une diminution de la pression lors de la remontée du manteau
Sous la dorsale, la divergence des plaques laisse remonter l'asthénosphère. Sa température reste à peu près constante, mais la pression chute nettement. Or le solidus des péridotites dépend de la pression : en la diminuant, on abaisse la température nécessaire à la fusion, et la roche franchit son solidus. C'est la fusion par décompression. L'apport d'eau, lui, est le mécanisme de la subduction : ne confonds pas les deux contextes.
Qu'est-ce qui distingue le basalte du gabbro ?
- A.Leur structure : microlitique pour le basalte, grenue pour le gabbro, car leur vitesse de refroidissement diffèreBonne réponse
- B.Leur composition chimique, qui est totalement différente
- C.Le basalte appartient au manteau, le gabbro à la croûte continentale
- D.Le gabbro se forme en surface et le basalte en profondeur
Réponse : A — Leur structure : microlitique pour le basalte, grenue pour le gabbro, car leur vitesse de refroidissement diffère
Les deux roches proviennent du même magma basaltique et ont donc la même composition chimique. Ce qui change, c'est le lieu de solidification : en surface, au contact de l'eau de mer, le refroidissement est brutal et les cristaux n'ont pas le temps de grossir, d'où une structure microlitique (basalte) ; en profondeur, le refroidissement lent laisse les cristaux se développer, d'où une structure grenue (gabbro). La dernière proposition inverse justement les deux positions.
Quel relief marque la surface au niveau d'une zone de subduction océan-continent ?
- A.Une dorsale médio-océanique
- B.Un rift continental
- C.Une fosse océanique bordée d'une cordillèreBonne réponse
- D.Un large plateau continental horizontal
Réponse : C — Une fosse océanique bordée d'une cordillère
Le plongement de la plaque océanique creuse une fosse, qui peut dépasser 10 km de profondeur, tandis que le magmatisme et la déformation soulèvent une cordillère ou un arc volcanique sur la plaque chevauchante. La dorsale et le rift continental sont au contraire des structures de divergence, où les plaques s'écartent au lieu de converger.
Que sont les pillow lavas (laves en coussins) observés au niveau des dorsales ?
- A.Des blocs de péridotite arrachés au manteau
- B.Des basaltes formés par refroidissement brutal de la lave au contact de l'eau de merBonne réponse
- C.Des sédiments accumulés dans un prisme d'accrétion
- D.Des gabbros déformés par le métamorphisme de subduction
Réponse : B — Des basaltes formés par refroidissement brutal de la lave au contact de l'eau de mer
Quand la lave basaltique sort sur le plancher océanique, le contact avec l'eau froide fige instantanément sa surface en une croûte vitreuse, tandis que l'intérieur continue de s'écouler : la lave s'empile en boules superposées, les fameux coussins. Leur présence est donc un indice sûr d'un volcanisme sous-marin, et on les retrouve intacts dans les ophiolites alpines.
Pourquoi le volcanisme des zones de subduction est-il explosif ?
- A.Parce que ses magmas sont beaucoup plus chauds que ceux des dorsales
- B.Parce que ses magmas sont très pauvres en silice
- C.Parce que les éruptions se produisent toujours sous l'eau
- D.Parce que ses magmas, riches en silice et en eau, sont très visqueux et retiennent les gazBonne réponse
Réponse : D — Parce que ses magmas, riches en silice et en eau, sont très visqueux et retiennent les gaz
La viscosité d'un magma augmente avec sa teneur en silice. Un magma andésitique visqueux empêche les gaz dissous de s'échapper progressivement : la pression s'accumule jusqu'à l'explosion, produisant nuées ardentes et panaches. À l'inverse, les magmas basaltiques des dorsales, pauvres en silice et fluides, laissent les gaz s'échapper et donnent des coulées tranquilles. Les magmas de subduction sont d'ailleurs plutôt moins chauds que les magmas basaltiques.
S'entraîner sur ce chapitre
Ce chapitre compte 40 exercices corrigés dans l'application, avec le suivi de ta progression.
Commencer les exercices