La caractérisation du domaine continental : lithosphère continentale, reliefs et épaisseur crustale

La caractérisation du domaine continental : lithosphère continentale, reliefs et épaisseur crustale

Retrouve le cours de Sciences et Vie de la Terre Terminale S sur la caractérisation du domaine continental : la lithosphère continentale, les reliefs et l'épaisseur crustale avec digiSchool ! Chapitre "Le domaine continental et sa dynamique".

Dans cette leçon nous présenterons les caractéristiques de la lithosphère continentale ainsi que les différents principes de datation des roches magmatiques par radiochronologie et d'isiotasie .

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La caractérisation du domaine continental : lithosphère continentale, reliefs et épaisseur crustale

Le contenu du document

 

La fiche présente les caractéristiques de la lithosphère continentale. Elle explique aussi le phénomène d’isostasie. Le principe de datation des roches magmatiques par radiochronologie est aussi abordé.

Prérequis

Maîtriser les notions suivantes :

  • Lithosphère
  • Asthénosphère
  • Croûte océanique
  • Croûte continentale
  • Manteau

 

Objectifs

Après la lecture de la présente fiche, l’apprenant est capable de maîtriser les notions suivantes :

  • Ondes sismiques
  • Racine crustale
  • Isostasie
  • Roche magmatique
  • Roche métamorphique
  • Radiochronologie

L’apprenant est capable de :

  • Indiquer les principales caractéristiques de la croûte continentale
  • Exploiter des documents pour mettre en évidence les différences entre la croûte continentale et la croûte océanique
  • Expliquer la naissance des chaînes de montagnes et la présence d’une racine crustale sous les chaînes récentes
  • Déterminer l’âge des roches par datation isotopique

Introduction

La lithosphère continentale est constituée d’une croûte continentale et de la partie supérieure du manteau. La croûte continentale est rigide et repose sur l’asthénosphère plus ductile. Elle affleure dans les régions émergées que constituent les continents. L’altitude moyenne des terres continentales est de 800 m au-dessus du niveau de la mer. Les caractéristiques de la croûte continentale permettent d'expliquer son épaisseur, son comportement et ses reliefs.

 

I. La composition et la densité de la croûte continentale

La lithosphère continentale est majoritairement formée de roches magmatiques (dont le granite et les roches voisines du granite), mais aussi de roches sédimentaires et des roches métamorphiques.

Le granite est une roche magmatique plutonique grenue dont la densité (2,7) est inférieure à celle de la péridotite (3,2), du basalte (2,9) et du gabbro (2,9). On peut y observer plusieurs types de minéraux comme le quartz, le mica noir et les feldspaths (orthose, plagioclase) (Figure 1a).

Ainsi la densité de la croûte continentale est déterminé par les roches et essentiellement par le granite : seulement 2,7 contre 2,9 pour la croûte océanique et 3,3 pour manteau supérieur lithosphérique (Figure 1b).

bd897e02-616e-44b1-8bd4-f18b197b8e5d_w443h299FIGURE 1a : Observation au microscope polarisant d'une lame mince de granite
 2be559d7-47d9-44b2-a09f-a790a9fcbec5_w596h256FIGURE 1b : Densité de la croûte continentale, océanique et manteau

Les roches sédimentaires sont constituées essentiellement de calcaire et de grès ; et les roches métamorphiques qui résultent d’une transformation physique ou chimique de roches préexistantes à l’état solide sont constituées de schistes et du gneiss.

II. L'épaisseur de la croûte continentale

L'analyse des ondes sismiques P et S a permis déterminer la profondeur du Moho, donc l'épaisseur de la croûte continentale (Figure 2). En effet dans une couche de même nature pétrographique, une onde se déplace toujours à la même vitesse, mais peut emprunter différents trajets avant de parvenir au sismographe qui est l’enregistreur. Les enregistrements ainsi obtenus sont dits sismogrammes.

 

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FIGURE 2 : Trajets des ondes sismiques et calcul de l'épaisseur de la croûte continentale 

Ainsi, on a pu montrer que l’épaisseur de la croûte continentale est de 35 km en moyenne et peut atteindre plus de 60 km par endroits sous les chaînes de montagnes ; contre une épaisseur de 5 à 8 km pour la croûte océanique. Au niveau des chaînes de montagnes correspond en profondeur un important épaississement de la croûte continentale, ce qui correspond à la racine crustale. Des preuves tectoniques et pétrographiques témoignent de cet épaississement.

A.  Les preuves tectoniques

Il existe des déformations au niveau des montagnes qui peuvent expliquer cet épaississement (Figure 3) :

  • Les plis, se forment par flexion plastique des roches.
  • Les failles inverses : se forment dans les zones superficielles plus froides. La roche adopte alors un comportement cassant. Sous l’effet des forces de compression, un compartiment plus ancien remonte au-dessus d’un compartiment plus récent.
  • Les chevauchements et les nappes de charriage : on parle de chevauchement quand un terrain recouvre un autre. Les deux blocs présentent alors un contact anormal peu incliné. Lorsque le chevauchement est important (plusieurs km) on parle de nappe de charriage.1cd35f62-f316-4c09-b9ae-c849175fc4c6_w563h499

    FIGURE 3 : Les indices tectoniques de l’épaississement de la croûte continentale dans les chaînes de montagnes.


B.  Les preuves pétrographiques

Dans les chaînes de montagnes, on peut trouver des roches métamorphiques ayant une composition minéralogique qui a été modifiée à l’état solide sans modification de sa composition minéralogique globale. Il s’agit d’un métamorphisme de haute pression et basse température qui se traduit par un enfouissement des roches lors de la subduction et résulte de l’épaississement de la croûte continentale.

 

III. Isostasie

 

L'isostasie, c'est l’état d’équilibre des roches de la croûte par rapport au manteau sous-jacent. Cet équilibre peut être expliqué de deux manières :

  • Le premier modèle est celui de Pratt, qui postule que la croûte continentale est plus dense au niveau des chaînes de montagnes (Figure 4a).
  • Le second est le modèle d’Airy, qui suppose qu’une surface de compensation existe dans le manteau (Figure 4b).

 

1.   Le modèle d’Airy

Le modèle d’Airy suppose que toute la lithosphère est une zone de densité uniforme, même dans les chaînes de montagne ou les bassins sédimentaires. De plus, ce modèle suppose aussi que le manteau a une densité uniforme. Ce modèle postule que la lithosphère est composée de plusieurs blocs de roches de hauteurs différentes, mais de même densité. Ainsi, dans le cas où la croûte est de densité constante, une augmentation de son altitude induit la formation d’une racine crustale visible dans les chaînes de montagnes.

 

2.   Le modèle de Pratt

 

Le modèle de Pratt postule que la lithosphère, de densité variable, est posée sur un manteau de densité uniforme. Dans ce modèle, la lithosphère est composée de blocs, comme dans le modèle d’Airy, sauf que, contrairement au modèle d'Airy, chaque bloc a une densité différente. Ces blocs s’enfoncent tous à la même profondeur dans le manteau/l'asthénosphère : c'est leur altitude qui varie suivant la densité. Typiquement, les blocs les plus chauds se dilatent vers le haut, et ils ont donc une hauteur supérieure.

66daddd3-719b-49f0-911a-8d9bbd220333FIGURE 4a : Isostasie selon le modèle de Pratt71455380-a752-433c-b306-f351f09f445bFIGURE 4b : Isostasie selon le modèle d'Airy

IV. La détermination de l'âge des roches par radiochronologie

 

La détermination de l’âge des roches est rendue possible grâce à la radiochronologie. Ainsi, on a pu déterminer que la croûte continentale présente des roches d’âges variés, parfois supérieur à 4 Ga, alors que l’âge de la croûte océanique n’excède pas les 200 Ma.

A. Les principes de la radiochronologie

DÉFINITIONS

-Isotopes. Éléments chimiques de même numéro atomique, mais de masse légèrement différente.

- Isotope radioactif. Élément chimique instable qui se désintègre spontanément en un élément chimique non stable (non radioactif) en émettant un rayonnement.

Principe de la mesure de la décroissance des isotopes radioactifs d’une roche :

Les isotopes naturels contenus dans les roches : éléments pères P se désintègrent en éléments fils F, stables. Au fur et à mesure que le temps s’écoule, le nombre d’atomes de l’élément père diminue et celui de l’élément fils augmente : la décroissance d’un élément radioactif est donc fonction du temps. Chaque élément est caractérisé par sa période T de demi-vie, c’est-à-dire le temps au bout duquel 50% de l’élément radioactif s’est désintégré.

La désintégration de l’élément père suit une loi exponentielle de la forme : 

 

 

N = N0. e – λ t

 

 

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Avec :

λ : constante de désintégration

N : élément radioactif père à l’instant t

N0 : élément radioactif père à l’instant 0

 

B. La méthode au Rubidium – Strontium

C’est une méthode de datation des roches basée sur la décroissance radioactive du 87Rb qui se désintègre en 87Sr ; un isotope stable. Le Rb et le Sr présentent différents isotopes. Le spectromètre de masse permet de faire la différence entre ces isotopes vu la différence de masse atomique.

Ces deux isotopes sont présents dans les roches magmatiques. En effet, lors de la formation d'une roche magmatique, les feldspaths et micas incorporent des quantités variables de Rb et Sr. Ces quantités initiales ne sont pas connues. Après refroidissement du magma, la roche formée ne va plus échanger avec le milieu extérieur, on parle de « fermeture du système ». Les isotopes évoluent spontanément selon les lois physiques de désintégration radioactive : la quantité d'éléments pères diminue, la quantité d'éléments fils augmente.

 

En mesurant les quantités actuelles des éléments père et fils dans un échantillon pour au moins deux minéraux différents, on peut tracer une droite (isochrone) et déterminer le temps écoulé depuis la cristallisation des minéraux lors de la mise en place de la roche par refroidissement du magma selon l’équation :

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C’est une équation d'une droite de coefficient directeur (λt). Ce coefficient directeur de la droite permet de calculer t, le temps écoulé depuis la formation de la roche (Figure 5).

 

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FIGURE 5 : Datation d’une roche selon la méthode Rubidium-Strontium

LE PETIT + DANS TA COPIE

N’hésitez pas à illustrer vos propos par des schémas. Vous pouvez, par exemple, facilement reproduire celui des indices tectoniques de l’épaississement de la croûte continentale dans les chaînes de montagnes. 

 

POUR ALLER PLUS LOIN …

Le site Eduscol vous propose plusieurs ressources, dont une bibliographie/sitographie sur le sujet !

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