La mobilité des plaques et la dynamique des dorsales

Au collège, vous avez appris que la lithosphère est découpée en plaques qui bougent. Mais à quelle vitesse ? Comment le sait-on, alors que ces mouvements sont trop lents pour être perçus ? Et que se passe-t-il là où deux plaques s'écartent ? Ce chapitre montre comment plusieurs méthodes indépendantes quantifient les déplacements, comment on distingue zones de divergence et zones de convergence, et comment, aux dorsales, naît une nouvelle lithosphère océanique qui vieillit, se refroidit et s'alourdit en s'éloignant.

1. Des plaques en mouvement

1.1 Identifier les plaques

La carte mondiale des séismes et des volcans montre que l'activité se concentre en bandes étroites qui délimitent de vastes zones stables : les plaques lithosphériques (une douzaine de grandes plaques). Les frontières sont de trois types :

1.2 Mesurer les mouvements actuels : la géodésie

Le GPS (positionnement par satellites) et les mesures laser sur satellites permettent de suivre la position de stations fixées au sol au millimètre près. En quelques années, on mesure le déplacement de chaque station : la plaque Pacifique se déplace vers le nord-ouest à environ $8$ cm/an par rapport à la plaque Nord-Américaine ; l'Europe et l'Amérique du Nord s'éloignent de $2$ cm/an. La vitesse relative de deux plaques se calcule en comparant les vecteurs de deux stations situées de part et d'autre de la frontière.

1.3 Mesurer les mouvements passés

Trois méthodes géologiques permettent de remonter dans le temps :

Les anomalies magnétiques. Lorsqu'un basalte refroidit, ses minéraux riches en fer enregistrent la direction du champ magnétique terrestre, qui s'inverse irrégulièrement (tous les $10^{5}$ à $10^{6}$ ans). Les fonds océaniques montrent des bandes d'aimantation normale et inverse, symétriques de part et d'autre de la dorsale : le plancher se forme à l'axe et s'en écarte de chaque côté. Connaissant l'âge des inversions, on calcule la vitesse : une bande formée il y a $10$ Ma située à $200$ km de l'axe donne une vitesse d'écartement de $2$ cm/an pour chaque flanc.

L'âge des roches par rapport à la dorsale. Les forages datent les basaltes et les premiers sédiments déposés dessus : l'âge augmente régulièrement avec la distance à l'axe, de $0$ à la dorsale jusqu'à $180$ Ma en bordure des continents. La pente de la droite âge-distance donne la vitesse.

Les alignements volcaniques des points chauds. Un point chaud est une zone fixe du manteau profond où monte du magma. La plaque qui défile au-dessus est percée d'une succession de volcans, qui s'éteignent en s'éloignant du point chaud : l'archipel d'Hawaï s'étire sur $6\,000$ km, du volcan actif (Big Island, $0$ Ma) aux monts sous-marins de $80$ Ma. L'alignement donne la direction du déplacement, les âges donnent la vitesse (environ $9$ cm/an pour le Pacifique).

$v = \frac{\text{distance}}{\text{durée}} \qquad \text{en cm/an : } \frac{\text{distance (km)} \times 10^{5}}{\text{âge (Ma)} \times 10^{6}} = \frac{\text{distance (km)}}{\text{âge (Ma)}} \times 0{,}1$

Ces méthodes indépendantes (GPS sur quelques années, anomalies et âges sur des millions d'années) donnent les mêmes vitesses, de $1$ à $10$ cm/an : les mouvements actuels sont ceux du passé.

2. Divergence et convergence : des contextes différents

Le flux géothermique (chaleur sortant par unité de surface) est un marqueur clé. La carte mondiale du flux montre des valeurs élevées ($> 150$ mW/m²) le long des dorsales, décroissant avec l'âge du plancher, et des valeurs faibles ($< 40$ mW/m²) au niveau des fosses de subduction.

3. La dynamique des dorsales

3.1 Un magmatisme par décompression

Sous la dorsale, l'asthénosphère remonte pour combler l'espace créé par l'écartement des plaques. En montant, la péridotite subit une baisse de pression rapide alors que sa température reste élevée ($1\,300$ °C) : elle franchit sa courbe de fusion et fond partiellement ($10$ à $20\,\%$). C'est la fusion par décompression : aucun apport de chaleur, seulement une chute de pression.

Le magma basaltique, moins dense, monte et s'accumule dans une chambre magmatique sous l'axe. Une partie cristallise lentement en gabbros ; une partie monte par des fissures (filons) et s'épanche au fond de l'océan en basaltes en coussins. Ainsi se forme, en continu, une nouvelle croûte océanique : sédiments à venir, basaltes, filons, gabbros, sur les péridotites résiduelles du manteau. C'est l'accrétion océanique.

3.2 Dorsales rapides et dorsales lentes

• Aux dorsales rapides (Pacifique, $10$ à $15$ cm/an), l'apport de magma est important et continu : croûte régulière de $7$ km, chambre magmatique permanente.
• Aux dorsales lentes (Atlantique, $2$ cm/an), l'activité magmatique est réduite et discontinue : la divergence est accommodée par des failles normales qui étirent et amincissent la lithosphère ; par endroits, les péridotites du manteau affleurent directement au fond de l'océan, sans croûte basaltique.

3.3 L'hydrothermalisme

L'eau de mer s'infiltre dans les fissures de la croûte jeune, se réchauffe au contact du magma (jusqu'à $350$ °C), dissout des éléments et ressort par des sources hydrothermales (fumeurs noirs). Cette circulation d'eau modifie les minéraux des basaltes, des gabbros et des péridotites : les minéraux anhydres sont remplacés par des minéraux hydratés (contenant des groupements OH). La péridotite devient serpentinite, le gabbro devient gabbro à hornblende ou à chlorite. Cette hydratation aura un rôle majeur en subduction.

4. Le vieillissement de la lithosphère océanique

En s'éloignant de l'axe, la lithosphère se refroidit par conduction. L'isotherme $1\,300$ °C, qui marque sa base, s'enfonce : le manteau lithosphérique s'épaissit en incorporant de l'asthénosphère refroidie. Une loi empirique relie l'épaisseur $e$ (km) à l'âge $t$ (Ma) :

$e \approx 9{,}2\sqrt{t}$

soit $30$ km à $10$ Ma, $65$ km à $50$ Ma, $92$ km à $100$ Ma. Le refroidissement contracte les roches : le plancher s'enfonce (profondeur $2\,500$ m à l'axe, $5\,500$ m à $100$ Ma).

Comme la croûte ($7$ km, densité $2{,}9$) garde la même épaisseur alors que le manteau lithosphérique (densité $3{,}3$) s'épaissit, la densité moyenne de la lithosphère augmente avec l'âge :

$d = \frac{7 \times 2{,}9 + (e - 7) \times 3{,}3}{e}$

À $10$ Ma ($e = 30$ km) : $d = 3{,}21$ ; à $50$ Ma ($e = 65$ km) : $d = 3{,}26$ ; à $100$ Ma ($e = 92$ km) : $d = 3{,}27$. Elle finit par dépasser la densité de l'asthénosphère sous-jacente ($3{,}25$ environ, plus chaude) : la lithosphère âgée est alors plus dense que ce qui la porte, condition de sa plongée en subduction.

5. Exemple résolu pas à pas

Énoncé. Dans l'Atlantique Sud, un forage à $600$ km de l'axe de la dorsale atteint des basaltes datés de $30$ Ma. a) Calculer la vitesse d'écartement d'un flanc, puis la vitesse totale d'ouverture. b) À quelle distance de l'axe trouvera-t-on l'anomalie magnétique correspondant à l'inversion d'il y a $10$ Ma ? c) Calculer l'épaisseur et la densité moyenne de la lithosphère à $30$ Ma. d) Un point chaud a percé cette plaque : la chaîne volcanique mesure $900$ km entre le volcan actif et un mont sous-marin de $45$ Ma. Comparer avec la vitesse trouvée en a.

Résolution.

a) $v = 600 / 30 \times 0{,}1 = 2$ cm/an par flanc ; ouverture totale $4$ cm/an.

b) $10$ Ma $\times 2$ cm/an $= 2 \times 10^{7}$ cm $= 200$ km de l'axe, de chaque côté (symétrie).

c) $e = 9{,}2 \sqrt{30} \approx 50$ km ; $d = (7 \times 2{,}9 + 43 \times 3{,}3) / 50 = (20{,}3 + 141{,}9) / 50 \approx 3{,}24$.

d) $900 / 45 \times 0{,}1 = 2$ cm/an : même vitesse que celle déduite de l'âge des basaltes ; deux méthodes indépendantes concordent (le point chaud mesure le mouvement absolu de la plaque, l'âge des basaltes son écartement par rapport à l'axe).

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🎯 Rédiger. Pour toute vitesse, écrire distance / durée avec les conversions ($1$ km $= 10^{5}$ cm ; $1$ Ma $= 10^{6}$ ans) ; préciser s'il s'agit d'un flanc ou de l'ouverture totale ; conclure sur la concordance des méthodes.

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📌 À retenir

1. Les plaques sont délimitées par les séismes et volcans ; frontières de divergence (dorsales), de convergence (subduction, collision), de coulissage.
2. Vitesses ($1$ à $10$ cm/an) mesurées par GPS (actuel), anomalies magnétiques symétriques, âge des basaltes selon la distance à l'axe, alignements de points chauds (passé) ; méthodes concordantes.
3. Divergence : séismes superficiels, flux géothermique élevé, basaltes ; convergence : séismes profonds, flux faible à la fosse, andésites.
4. Dorsale : remontée d'asthénosphère, fusion partielle par décompression, chambre magmatique, gabbros et basaltes = nouvelle croûte (accrétion) ; dorsales lentes : failles normales, péridotites à l'affleurement ; hydrothermalisme : minéraux hydratés (serpentinite).
5. En s'éloignant, la lithosphère se refroidit, s'épaissit ($e \approx 9{,}2\sqrt{t}$), s'enfonce et sa densité moyenne augmente jusqu'à dépasser celle de l'asthénosphère.