Introduction
La lithosphère est une composante essentielle de la structure terrestre, jouant un rôle crucial dans la tectonique des plaques, les séismes, et le volcanisme. Cet article explore en profondeur la définition de la lithosphère, sa structure, sa relation avec l'asthénosphère, et son importance dans la dynamique terrestre.
Définition et Identification de la Lithosphère
La lithosphère est la couche supérieure rigide du globe terrestre, surmontant l'asthénosphère. Son épaisseur varie considérablement, allant de quelques kilomètres sous la croûte océanique à environ 150 km sous les continents. La lithosphère est une entité mécanique, caractérisée par sa rigidité par opposition à la déformabilité de l'asthénosphère sous-jacente.
La théorie de la tectonique des plaques ne fournit pas d'indications directes sur l'épaisseur des plaques mobiles. Des modèles physiques, mécaniques et thermiques sont nécessaires pour préciser la structure en profondeur de cette couche rigide.
Conceptualisations de la Lithosphère
La lithosphère peut être conceptualisée de plusieurs manières :
- Entité mécanique : À l'échelle de la tectonique des plaques, la lithosphère est une couche capable de subir des déplacements horizontaux importants par rapport aux zones profondes.
- Couche limite thermique : Elle assure la transition entre le manteau chaud et convectif (environ 1400 °C à 100 km de profondeur) et la surface externe froide du globe (environ 0 °C).
- Identification sismique : La lithosphère peut être identifiée par la détermination in situ de propriétés sismiques, telles que les vitesses de propagation des ondes et le facteur d'atténuation.
La Lithosphère Mécanique
La lithosphère mécanique est la partie superficielle du globe qui subit des déplacements horizontaux importants par rapport aux zones profondes, avec des taux de déformation ˙ε inférieurs à ceux de l'asthénosphère. Elle transmet à distance les contraintes associées à la tectonique des plaques.
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- Déformation : La lithosphère mécanique se déplace de manière quasi rigide, avec des taux de déformation inférieurs à 10-17 s-1, contrairement à l'asthénosphère où les taux de déformation atteignent 10-14 s-1.
- Transmission des contraintes : Elle agit comme un guide, transmettant les contraintes associées à la tectonique des plaques.
La Lithosphère Thermique
La couche limite thermique est la région superficielle où les transferts thermiques se font principalement par conduction. En raison de l'efficacité supérieure du transfert convectif dans l'asthénosphère, le gradient thermique vertical est fort dans la lithosphère (quelques dizaines de degrés par kilomètre) et faible dans l'asthénosphère (moins de un degré par kilomètre).
Structure Verticale des Plaques Lithosphériques
L'étude de la vitesse des ondes sismiques en fonction de la profondeur de la Terre permet de distinguer deux zones en surface : la lithosphère et l'asthénosphère.
- Lithosphère : Correspond à la couche rigide à la surface de la Terre, avec une épaisseur variant généralement entre 100 et 150 kilomètres.
- Asthénosphère : Située juste sous la lithosphère, elle est moins rigide et s'étend jusqu'à environ 700 kilomètres de profondeur.
Les Plaques Lithosphériques
La lithosphère est découpée en une douzaine de plaques lithosphériques. Ces plaques sont en mouvement les unes par rapport aux autres, modifiant ainsi la surface du globe terrestre. La répartition des séismes et des volcans permet de délimiter ces plaques lithosphériques.
- Plaque lithosphérique : Zone stable de la surface du globe délimitée par des zones perturbées par des activités sismiques et volcaniques. Elle est constituée de lithosphère et repose sur l'asthénosphère.
- Croûte océanique et continentale : La croûte constituant les plaques océaniques est plus fine que celle constituant les plaques continentales.
Mouvements des Plaques Lithosphériques
Les plaques lithosphériques sont en mouvement constant les unes par rapport aux autres, un processus connu sous le nom de tectonique des plaques. Ces mouvements sont responsables de la transformation continue de la surface terrestre.
Divergence
La divergence correspond au mouvement d'écartement de deux plaques lithosphériques au niveau d'une dorsale océanique. Au niveau de la dorsale nord-atlantique, les plaques nord-américaine et eurasienne s'écartent en moyenne de 2,4 centimètres par an, permettant l'ouverture de l'océan Atlantique.
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- Accrétion océanique : La lithosphère océanique est fabriquée au niveau des dorsales, un processus appelé accrétion. La remontée du magma au niveau de la dorsale permet la formation de lithosphère océanique et ainsi l'ouverture de l'océan Atlantique.
- Mesure des déplacements : Ces déplacements peuvent être mesurés par GPS. La carte de l'âge des roches de la lithosphère océanique permet de dater l'ouverture de cet océan à environ 165 millions d'années.
Convergence
La convergence correspond au mouvement de rapprochement de deux plaques lithosphériques. Les plaques de Nazca et sud-américaine se rapprochent en moyenne d'environ 7 centimètres par an.
- Subduction : La lithosphère océanique plonge sous une autre plaque, un processus appelé subduction. Les foyers des séismes sont de plus en plus profonds. En arrière de la zone de subduction, la fusion de la lithosphère qui plonge entraîne la formation de volcans explosifs.
- Collision : La subduction océanique peut se poursuivre jusqu'au moment où deux continents entrent en collision. Ceci engendre des déformations (failles, plis, etc.) qui entraînent un épaississement de la lithosphère.
Collision
Une collision correspond à l'affrontement de deux continents suite au rapprochement de deux plaques et à la fermeture d'un océan. La plaque australo-indienne se déplace vers le nord à une vitesse actuelle d'environ 6 centimètres par an. Entre le continent indien et l'Eurasie, il existait un paléo-océan aujourd'hui fermé.
Impact des Mouvements de Plaques sur la Terre
Les mouvements de plaques, qu'ils soient dus à la subduction, à la collision, à la divergence ou au coulissage, ont un impact significatif sur la planète.
- Création de reliefs : Ils sont à l'origine de la création des chaînes de montagnes ou de l'élargissement des océans.
- Activité sismique et volcanique : Ils sont responsables des séismes et de la création des volcans.
L'Asthénosphère: Une Couche Sous-Jacente Essentielle
L'asthénosphère est située juste sous la lithosphère. Elle est moins rigide et va jusqu'à environ 700 kilomètres de profondeur. Les plaques tectoniques se déplacent les unes par rapport aux autres. Ce déplacement s'explique par le fait que l'asthénosphère n'est pas une roche rigide comme la lithosphère juste au-dessus d'elle. Puisqu’elle est constituée de roche en fusion, elle est donc souple et élastique. L’asthénosphère est une couche rocheuse solide, mais qui n’est pas rigide.
Méthodes d'Étude de la Lithosphère
Sismologie
L'étude des ondes sismiques est fondamentale pour comprendre la structure interne de la Terre, y compris la lithosphère et l'asthénosphère.
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- Discontinuité de Mohorovicic : En 1909, André Mohorovicic a découvert une discontinuité à la base de la croûte en étudiant les ondes sismiques. Il remarqua un deuxième train d’ondes P arrivées après les ondes S, expliquant ce phénomène par la réfraction des ondes à l'interface entre la croûte et le manteau.
- Tomographie sismique : La tomographie sismique utilise les sismogrammes et la variation de vitesse des ondes sismiques au sein d’une même couche de roche pour cartographier la structure interne de la Terre ainsi que ses propriétés physiques et minéralogiques. Elle sert notamment à cartographier les hétérogénéités du manteau terrestre.
Étude des Ophiolites
L’observation des massifs ophiolitiques dans les Alpes confirme l’hypothèse de la structure de la lithosphère. Au Mont Chenaillet, on observe une succession de basaltes et de gabbros caractéristiques d’une croûte océanique exhumée lors de la collision entre la plaque Africaine et la plaque Européenne et appelée « ophiolite ».
Études des Séismes Profonds
En 1964, Jack Oliver, Bryan Isacks et Lynn Sykes étudièrent les séismes le long du plan de Wadati-Benioff au niveau de la fosse océanique du Tonga dans le Pacifique ouest, révélant l’existence de l’enfoncement d’une masse solide et cassante épaisse d’environ 100 km.
L'Érosion et le Cycle des Roches
Le matériel de la lithosphère est relâché par érosion, transporté par les rivières jusqu'à l'océan, où il réside environ un million d'années avant d'être déposé dans les sédiments (coquilles calcaires d'algues ou d'animaux).
Intensité et Magnitude des Séismes
- Point de départ d'un séisme : Point de départ, en profondeur, d'un séisme.
- Intensité sismique : L'intensité sismique estime les dégâts causés par un séisme. Ces dégâts dépendent de la nature des sols, de la profondeur du séisme et des types de constructions. L'intensité sismique décroît lorsque l'on s'éloigne de l'épicentre.
- Magnitude : La magnitude d'un séisme est un paramètre sans dimension permettant d'estimer la quantité d'énergie libérée, alors que l'intensité sismique mesure les dégâts causés en surface.
- Moment sismique : Le moment sismique Mo est basé sur un modèle physique de source sismique, contrairement aux magnitudes. Ce modèle est celui du double couple, qui correspond physiquement au glissement des lèvres d'une faille, sans qu'il y ait ouverture ou fermeture de celle-ci. L'un des couples correspond à la rupture sur la faille.
Ondes Sismiques
- Ondes de surface : Ondes de surface (c'est à dire guidées par l'interface croûte-atmosphère).
- Ondes de volume : Ondes de volume (se propageant à l'intérieur de la terre).
- Types d'ondes : Historiquement, P vient de primaire et S de secondaire. Les ondes P arrivent donc en premier et les S en second. Plus physiquement, les ondes P sont des ondes longitudinales (ou de compression) ; elles ont une vitesse de l'ordre de 6 Km/s dans la croûte et de 8 à 13 Km/s dans le manteau.
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