15Massifs anciens et cycle de Wilson

Sur la côte du sud-est de l’Écosse, à Siccar Point, des bancs de grès gris se dressent à la verticale sous une couverture de grès rouge qui plonge doucement vers la mer. Les bancs gris se sont déposés dans un océan au début du Silurien, puis ont été plissés et clivés lors de la fermeture de cet océan ; ils ont été arasés en une surface irrégulière, puis des graviers rouges du Dévonien supérieur les ont ensevelis, et une seconde orogenèse, plus douce, a incliné à son tour les couches rouges. Une falaise témoigne d’un océan disparu, d’une chaîne de montagnes disparue et de la suivante. Ce chapitre lit de tels témoignages, les rassemble en un cycle que suivent les bassins océaniques, et remonte au rythme le plus long de tous, l’assemblage et la fragmentation des supercontinents.

Tu sais déjà

Des volumes scolaires : la Pangée et sa fragmentation, supercontinents ; discordances ; le taux de dénudation, le rebond isostatique et la décroissance exponentielle d’une chaîne usée par ses rivières. Du volume de première année : rifts continentaux, marges passives et dorsales médio-océaniques, vitesses d’expansion totale et demi-vitesse ; subduction et marges actives. Du Chapitre 12 au Chapitre 14 : migmatites et granites ; orogène, ophiolite, suture, nappe de charriage, flysch et molasse, bassin d’avant-pays ; orogènes de collision et de type andin ; épaississement crustal, épaisseur d’Airy et effondrement gravitaire.

15.1 Chaînes usées jusqu’à leurs racines

L’Europe occidentale et l’est de l’Amérique du Nord sont traversés par des chaînes de montagnes bien plus anciennes que les Alpes. Leurs sommets ont disparu, mais leurs roches demeurent. Trois d’entre elles comptent ici.

La chaîne calédonienne court de Norvège à travers l’Écosse et l’Irlande jusqu’à Terre-Neuve et aux Appalaches du Nord, puis se prolonge par le Groenland oriental et le Svalbard. Elle garde la trace d’un océan, l’Iapetus, qui occupait le Paléozoïque inférieur entre Laurentia, l’ancêtre de l’Amérique du Nord et du Groenland, au nord-ouest, et Baltica et Avalonia, au sud-est et à l’est. Ses marges s’étaient disloquées il y a environ 600 Ma ; sa fermeture, du Cambrien au Dévonien, a produit une série entière de collisions, si bien que l’orogenèse calédonienne s’étale sur près de 200 Ma. Le terme désigne un lieu et un océan, non un âge.

La chaîne varisque, appelée hercynienne dans les anciens textes, traverse l’Europe depuis le sud-ouest de l’Angleterre et la Belgique, à travers la France et l’Ibérie jusqu’en Europe centrale ; la chaîne appalachienne de l’est de l’Amérique du Nord en est la jumelle occidentale. Ensemble, elles enregistrent la fermeture des océans entre le continent du sud, le Gondwana, et celui du nord, que les collisions calédoniennes venaient de souder Leur dernière collision, au Carbonifère supérieur et au Permien, a laissé une chaîne plissée orientée est–ouest à travers le sud de l’Europe, et nord-est–sud-ouest entre l’est de l’Amérique du Nord et le nord-ouest de l’Afrique, et avec elle la Pangée.

Comment reconnaître une chaîne de montagnes érodée depuis trois cents millions d’années ? Non par son relief, qui a disparu. On cherche ses parties, chacune rencontrée par les chapitres précédents :

• sutures bordées d’ophiolites, lambeaux de plancher océanique d’un océan refermé ;
• bandes de roches métamorphiques, souvent de haut degré, racines de la croûte épaissie, aujourd’hui à la surface parce que les kilomètres qui les recouvraient ont été érodés ;
• granites et migmatites, produits de la fusion crustale que entraînent l’épaississement et l’échauffement ;
• sédiments de l’océan qui se referme et de la chaîne : flysch déposé dans des bassins profonds pendant la convergence, molasse déposée dans des bassins d’avant-pays et intramontagneux ;
• discordances angulaires, où des couches plus jeunes reposent sur des couches plissées et érodées avant elles, qui datent la déformation entre les deux.

Définition 15.1 (Pénéplaine)

Une pénéplaine est une surface continentale de faible relief, proche du niveau de base de l’érosion, recoupant des roches de dureté et de structure différentes, par une longue érosion d’un ancien relief.

La chaîne varisque est un orogène chaud. Dans les Alpes du Chapitre 13, les roches suivaient des gradients métamorphiques d’environ $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ par kilomètre ; dans la chaîne varisque, d’environ $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ par kilomètre. Sa croûte a largement fondu : dans le Massif central et le massif Armoricain, des migmatites se sont formées entre environ 330 et 325 Ma, et des granites les ont intrudées. Cette fusion est la principale différence avec les Alpes occidentales. Lorsque la collision s’achève, la croûte épaissie s’amincit par extension, des roches métamorphiques sont remontées le long de détachements, et des bassins intramontagneux se sont ouverts ; puis l’érosion a aplani la chaîne en une pénéplaine permienne et triasique, sur laquelle se sont déposés les sédiments du cycle suivant.

phase	âge	ce qui est entré en collision
pénobscotienne	490–485 Ma	un arc insulaire chevauché sur la marge avalonienne
grampienne, taconique	480–455 Ma	arcs insulaires contre Laurentia (Écosse ; nord des Appalaches)
shelvienne	début de l’Ordovicien supérieur	Avalonia contre Baltica ; la mer de Tornquist se ferme
scandienne	425–400 Ma	Baltica contre Laurentia ; les grandes nappes de charriage de Scandinavie
acadienne	Dévonien inférieur	des terranes venues du Gondwana contre le nouveau continent ; l’Iapetus est fermé

Le tableau ci-dessus montre l’autre marque des vieilles chaînes : elles sont composites. Avant que deux continents ne se rencontrent, des arcs et des blocs plus petits arrivent un à un et sont soudés.

Définition 15.2 (Terrane ; microcontinent)

Un terrane est un bloc de croûte délimité par des failles, dont l’histoire géologique diffère de celle de ses voisins, amené à sa position actuelle par le mouvement des plaques ; il peut être un arc insulaire, un plateau océanique, un lambeau de plancher océanique ou un fragment de continent. Un microcontinent est un bloc de croûte continentale, plus petit qu’un continent, séparé des continents par de la croûte océanique.

Avalonia était un tel bloc : une bande de croûte qui quitta la marge du Gondwana, ouvrit derrière elle l’océan Rhéique à l’Ordovicien, traversa l’Iapetus et s’amarra contre Baltica, puis Laurentia. L’Armorique et la Saxothuringe, aujourd’hui en France et en Allemagne, la suivirent tour à tour ; leurs sutures, marquées par des ophiolites, découpent la chaîne varisque en zones, depuis un avant-pays septentrional, sur l’ancien continent nord, jusqu’à un avant-pays méridional, sur le Gondwana.

15.2 Le cycle de Wilson

En 1966, J. Tuzo Wilson se demanda si l’Atlantique s’était d’abord refermé, puis rouvert. Des fossiles du Paléozoïque inférieur et moyen lui apprirent qu’un vaste océan séparait alors les faunes d’Amérique du Nord de celles de l’Europe occidentale, un océan qui n’existait plus du Paléozoïque supérieur au milieu du Mésozoïque. L’Atlantique actuel s’était ouvert presque à l’endroit où s’était refermé cet ancien océan, l’Iapetus.

Définition 15.3 (Cycle de Wilson)

Le cycle de Wilson est la succession des étapes par lesquelles un bassin océanique s’ouvre puis se referme entre des marges continentales : rifting continental, fragmentation et expansion océanique, océan élargi à marges passives, début de la subduction, rétrécissement et fermeture de l’océan, collision continentale, effondrement et érosion de la chaîne, après quoi le continent ressoudé peut de nouveau se disloquer le long de la même zone.

La figure ci-dessous suit ces étapes. Ce sont celles des chapitres précédents, mises en ordre : les rifts et marges passives du volume de première année, les marges actives et leurs arcs, les collisions alpine et himalayenne, l’effondrement gravitaire du Tibet, l’usure lente des vieilles chaînes.

15.2.1 Quelle largeur, quelle durée ?

Un océan s’élargit par expansion océanique à sa dorsale et se rétrécit par subduction à ses fosses. Un simple bilan donne sa largeur.

Proposition 15.4 (Largeur d’un océan au cours d’un cycle)

Supposons qu’un océan s’ouvre à l’instant $t_0$ et s’élargisse à la vitesse d’expansion totale $V_s$ de sa dorsale, jusqu’à ce qu’une zone de subduction commence à une marge à l’instant $t_1$ et consomme du plancher océanique à la vitesse $V_c$ par rapport à cette marge, avec $V_c > V_s$, la dorsale continuant de s’étendre. Sa largeur est

$$W(t) = V_s\,(t - t_0) \quad (t_0 \le t \le t_1), \qquad W(t) = V_s\,(t_1 - t_0) - (V_c - V_s)\,(t - t_1) \quad (t \ge t_1),$$

maximale à $t_1$, et l’océan se referme un temps $V_s(t_1 - t_0)/(V_c - V_s)$ après le début de la subduction. Avec une expansion symétrique, la dorsale se déplace vers la fosse à $V_c - V_s/2$.

La figure ci-dessous déroule ce bilan pour un océan modèle de type Iapetus : expansion à partir de $570\,\mathrm{Ma}$ à $30\,\mathrm{mm}$ par an, subduction à partir de $490\,\mathrm{Ma}$ consommant $60\,\mathrm{mm}$ par an. Ces vitesses sont des hypothèses, des valeurs rondes de l’ordre de celles qu’on mesure aujourd’hui dans les océans ; le véritable Iapetus n’était ni si simple ni si bien connu. L’océan modèle atteint $2400\,\mathrm{km}$ et se referme à $410\,\mathrm{Ma}$, dans l’intervalle de temps de la collision scandienne.

15.2.2 Ouvrir là où il s’était refermé

L’idée de Wilson repose sur un principe mécanique : une vieille chaîne est une zone faible, et un continent que l’on écarte tend à se rompre le long de ses zones faibles plutôt qu’à travers son intérieur fort et stable.

Définition 15.5 (Réactivation structurale)

La réactivation structurale d’une structure préexistante (faille, zone de cisaillement, suture, contact lithologique) est la concentration renouvelée de la déformation le long de celle-ci, sous un champ de contraintes ultérieur qui peut différer de celui qui l’a formée.

L’Atlantique Nord est le cas d’école, et il ne se vérifie qu’en partie. Dans l’Atlantique central, le jeune océan suit de près les Appalaches. Entre la Scandinavie et le Groenland, la fragmentation suit largement la chaîne calédonienne. Plus au sud, ce n’est pas le cas : la suture de l’Iapetus traverse encore le nord de l’Angleterre et le centre de l’Irlande, et l’Atlantique s’est ouvert à l’ouest, laissant des morceaux de l’ancienne croûte de Laurentia sur la marge nord-ouest de l’Europe, autour de Rockall et de Hatton. Plus au nord-ouest, la mer du Labrador et la baie de Baffin recoupent en droite ligne des cratons et des chaînes plus anciennes. Les vieilles structures guident les rifts ultérieurs, mais pas toujours : une faiblesse refroidie depuis plus de 30 à 50 Ma peut être devenue résistante, et un nouveau rift peut suivre la fabrique plus profonde du manteau plutôt que la suture crustale. Le cycle de Wilson est un guide, non une loi.

Tous les cycles n’ouvrent pas un océan large. Beaucoup d’orogènes ferment des océans embryonnaires, des rifts à peine ouverts à l’expansion, d’une largeur inférieure à environ $500\,\mathrm{km}$ : les Alpes, les Pyrénées, la plus grande partie de la chaîne varisque d’Europe occidentale. D’autres ferment de larges océans matures, comme les Calédonides scandinaves. La différence apparaît à la fin : une chaîne qui a fermé un océan large portait un arc de longue durée, qui a vidé le manteau sous-jacent de sa partie fusible ; son effondrement fut pauvre en magma, comme dans les Calédonides. Une chaîne qui a fermé un bassin étroit repose sur un manteau fertile ; son effondrement peut être riche en magma, comme dans la chaîne varisque, où le Moho est aujourd’hui plat et la croûte inférieure stratifiée, lue comme du basalte sous-plaqué sous la croûte, ou comme une croûte inférieure cisaillée pendant qu’elle était chaude. En quelques dizaines de Ma, les anomalies thermiques d’une chaîne s’estompent ; ses structures demeurent.

15.3 Supercontinents

Définition 15.6 (Supercontinent ; cycle des supercontinents)

Un supercontinent est une masse continentale qui rassemble la plus grande part de la croûte continentale terrestre en un seul bloc. Le cycle des supercontinents est l’assemblage épisodique des continents en un supercontinent, suivi de sa fragmentation ultérieure, répétée au fil de l’histoire de la Terre.

La Pangée, que Wegener a reconstituée et que les volumes scolaires ont décrite, a existé d’environ 325 à 200 Ma. D’autres supercontinents ont été proposés : Pannotia, vers 620 à 580 Ma, dont l’existence est discutée ; Rodinia, vers 950 à 800 Ma ; Nuna, aussi appelé Columbia, vers 1.6 à 1.4 Ga ; et, plus douteux, Kenorland vers 2.7 à 2.5 Ga, et Ur vers 3.0 Ga. Ils semblent s’être assemblés et fragmentés à des intervalles d’environ 500 Ma depuis peut-être la fin de l’Archéen. Le cycle a été relié aux âges des orogenèses, aux pics d’âge des granites et des grains de zircon qu’ils contiennent, à la croissance de la croûte, aux grandes provinces magmatiques, au niveau de la mer et au climat : l’assemblage d’un supercontinent tend à coïncider avec un refroidissement.

Le cycle est-il vraiment périodique ? Les milieux des intervalles du graphique sont séparés de 400, 1100, 625, 275 et 337.5 Ma : en moyenne environ 550, mais dispersés d’un facteur quatre. « Environ un demi-milliard d’années » est une tendance, non une horloge, et les supercontinents plus anciens reposent sur des indices ténus.

15.4 Des montagnes aux plaines

Qu’est-ce qui transforme une chaîne comme l’Himalaya en collines basses de Bretagne ? Le volume scolaire a construit un modèle : les rivières usent une chaîne à une vitesse proportionnelle à son altitude moyenne, $kh$, et chaque mètre retiré du sommet est en partie restitué par le rebond isostatique, si bien que seule la fraction $f = (\rho_m - \rho_c)/\rho_m$ de cette masse est perdue sous forme de hauteur. L’altitude moyenne décroît alors selon

avec le temps caractéristique $\tau = 1/(kf)$. Dans les grands bassins de latitude moyenne, le taux de dénudation est proportionnel au relief moyen et, sans soulèvement, le relief tomberait au dixième de sa valeur en environ 11 Ma : $k = \ln 10/11 \approx 0.21$ par Ma. Avec les masses volumiques 2700 et $3300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, $f = 0.18$ et $\tau \approx 26\,\mathrm{Ma}$ : une chaîne haute de $3\,\mathrm{km}$ se dresse encore à $1\,\mathrm{km}$ de hauteur environ 30 Ma plus tard, et s’abaisse sous $300\,\mathrm{m}$ après environ 60 Ma.

Le même rebond explique pourquoi les vieilles chaînes exposent leurs racines. Pour ramener une croûte épaissie de $H$ à $T$ au niveau de la mer, toute l’épaisseur en excès $T - H$ doit être érodée, alors que l’altitude moyenne n’était que $(T - H)f$ : environ 5.5 fois plus de roche est enlevée que la hauteur de la chaîne. Les roches qui étaient à 20 ou $30\,\mathrm{km}$ de profondeur dans la racine remontent à la surface : les migmatites, granites et gneiss de haut degré des vieux massifs, comme ceux du Massif central.

La chaîne varisque, dont les dernières collisions ont pris fin vers 290 Ma, avait été aplanie en pénéplaine pendant le Permien et le Trias, en une soixantaine de Ma, ce que donne le modèle. L’effondrement peut accélérer le processus : l’extension d’une croûte épaissie, comme Tibet aujourd’hui, l’amincit directement, sans attendre les rivières. À Siccar Point, des graviers du Dévonien supérieur reposent sur des couches siluriennes plissées lors des collisions calédoniennes, sur une ancienne surface émergée qui conserve un certain relief entre les couches dures et les couches tendres.

Sur le terrain — Lire une discordance angulaire

Les géologues qui étudient une discordance angulaire comme celle de Siccar Point commencent par mesurer l’attitude des couches situées sous et au-dessus de la surface, direction et pendage, en de nombreux endroits. Ils cherchent la polarité des couches inférieures, grâce au granoclassement ou aux marques de base des couches, car des couches plissées peuvent être renversées. Ils examinent la surface elle-même : son relief, les altérations sous-jacentes, les galets des roches plus anciennes dans le conglomérat qui la recouvre. Puis ils datent : les fossiles les plus jeunes situés en dessous donnent l’âge avant lequel le plissement n’a pu se produire, les fossiles les plus anciens situés au-dessus donnent l’âge avant lequel il avait eu lieu et le terrain avait été érodé. L’intervalle entre les deux bornes encadre l’orogenèse. À Siccar Point, les couches inférieures sont du Silurien inférieur et les supérieures du Dévonien supérieur, et le plissement, le soulèvement et l’érosion calédoniens s’insèrent entre les deux ; l’inclinaison douce des couches supérieures est plus récente encore, varisque.

Exercices

Données : $g = 9.8\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}$ ; masses volumiques de la croûte et du manteau $2700\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ et $3300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ ; croûte normale $H = 35\,\mathrm{km}$ ; âges des bases du Silurien, du Dévonien et du Carbonifère, 443.1, 419.6 et $358.9\,\mathrm{Ma}$, du Trias $251.9\,\mathrm{Ma}$.

Exercice 15.1 ★

Les marges de l’Iapetus se sont disloquées vers $600\,\mathrm{Ma}$ ; la principale collision calédonienne, la scandienne, s’est achevée vers $400\,\mathrm{Ma}$ ; la première collision arc–continent avec Laurentia a commencé vers $480\,\mathrm{Ma}$. (a) Combien de temps a duré l’ensemble du cycle de l’Iapetus ? (b) Combien de temps ont duré les collisions ? (c) Pourquoi ne faut-il pas employer « calédonien » pour désigner un âge ?

Solution

Solution de Exercice 15.1.

(a) $600 - 400 = 200\,\mathrm{Ma}$, depuis le rifting des marges jusqu’à la dernière collision. (b) $480 - 400 = 80\,\mathrm{Ma}$. (c) L’orogenèse calédonienne est un ensemble de phases étalées sur près de 200 Ma, et chaque phase a commencé à des moments différents selon les lieux : le mot désigne un océan et sa chaîne, non un moment. Un âge se donne par l’échelle stratigraphique ou en Ma.

Exercice 15.2 ★

Ranger ces situations dans l’ordre du cycle de Wilson et nommer l’étape de chacune : (a) la mer Rouge, un océan étroit entre de jeunes marges en rifting ; (b) l’Himalaya ; (c) le rift est-africain ; (d) l’océan Atlantique, large, à marges passives des deux côtés ; (e) la marge pacifique de l’Amérique du Sud ; (f) les basses collines de Bretagne sur un socle ancien de granite et de gneiss.

Solution

Solution de Exercice 15.2.

(c) le rift est-africain, rifting ; (a) la mer Rouge, un océan jeune ; (d) l’Atlantique, un océan large à marges passives ; (e) la marge pacifique de l’Amérique du Sud, subduction et fermeture d’un océan ; (b) l’Himalaya, collision ; (f) la Bretagne, une chaîne aplanie, après quoi un rifting peut reprendre.

Exercice 15.3 ★

À Siccar Point, des couches du Silurien inférieur reposent sous des couches du Dévonien supérieur. (a) Entre quelles bornes, données ci-dessus, le plissement, le soulèvement et l’érosion ont-ils dû se produire ? (b) Quelle est la durée maximale qu’ils ont pu prendre ? (c) Énumérer dans l’ordre les événements que la falaise enregistre.

Solution

Solution de Exercice 15.3.

(a) Après le dépôt des couches du Silurien inférieur, donc après $443.1\,\mathrm{Ma}$, et avant le dépôt des couches du Dévonien supérieur, donc avant $358.9\,\mathrm{Ma}$, la fin du Dévonien. (b) Moins de $443.1 - 358.9 = 84.2\,\mathrm{Ma}$ ; en fait moins encore, puisque les couches inférieures sont plus jeunes que la base du Silurien et les couches supérieures plus anciennes que son sommet. (c) Dépôt des turbidites grises dans l’océan ; plissement et clivage lors des collisions calédoniennes ; soulèvement et érosion jusqu’à une surface continentale irrégulière ; dépôt de brèches et de conglomérats rouges ; légère bascule lors de l’orogenèse varisque ; l’érosion actuelle, qui entaille la falaise.

Exercice 15.4 ★

Dire si chacun est un terrane, un microcontinent, les deux ou aucun, et pourquoi : (a) Avalonia ; (b) Laurentia ; (c) un arc insulaire accolé à un continent ; (d) la suture de l’Iapetus.

Solution

Solution de Exercice 15.4.

(a) Les deux : un bloc de croûte continentale séparé des continents par des océans pendant qu’il traversait l’Iapetus, et, une fois accolé, un bloc délimité par des failles dont l’histoire diffère de celle de ses voisins. (b) Aucun des deux : un continent, et non un bloc ajouté à un continent. (c) Un terrane, et non un microcontinent : sa croûte est celle d’un arc, non un fragment de continent. (d) Aucun des deux : c’est la limite entre terranes, la trace de l’océan refermé.

Exercice 15.5 ★★

Prendre les milieux des intervalles des supercontinents Ur (3000), Kenorland (2600), Nuna (1500), Rodinia (875), Pannotia (600) et la Pangée (262.5), exprimés en Ma. (a) Calculer les cinq écarts et leur moyenne. (b) Quel est le rapport de l’écart le plus grand à le plus petit ? (c) Retirer Kenorland et Ur, douteux : quel est l’écart moyen des quatre autres ? « un demi-milliard d’années » est-il une période ?

Solution

Solution de Exercice 15.5.

(a) $3000 - 2600 = 400$, $2600 - 1500 = 1100$, $1500 - 875 = 625$, $875 - 600 = 275$, $600 - 262.5 = 337.5$ ; moyenne $2737.5/5 = 547.5\,\mathrm{Ma}$. (b) $1100/275 = 4.0$. (c) $(1500 - 262.5)/3 = 412.5\,\mathrm{Ma}$. La moyenne varie d’un quart lorsque les points douteux sont retirés, et les écarts varient d’un facteur quatre : une récurrence grossière, non une période.

Exercice 15.6 ★★

Un océan large de $3000\,\mathrm{km}$ commence à être subduit à une marge à $70\,\mathrm{mm}$ par an, tandis que sa dorsale s’étend à $25\,\mathrm{mm}$ par an. (a) Combien de temps faut-il pour qu’il se referme ? (b) Combien de temps si l’expansion cesse aussitôt ? (c) Le mouvement de quelle plaque fixe la vitesse de fermeture après que la dorsale a été subduite ?

Solution

Solution de Exercice 15.6.

(a) $3000/(70 - 25) = 66.7\,\mathrm{Ma}$. (b) $3000/70 = 42.9\,\mathrm{Ma}$. (c) Une fois la dorsale subduite, le plancher océanique qui reste appartient à la plaque éloignée, qui porte le continent lointain : la vitesse de fermeture est la vitesse de cette plaque par rapport à la fosse.

Exercice 15.7 ★★

Supposons que la fusion crustale commence vers $700\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et que la surface soit à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. (a) À quelle profondeur cette température est-elle atteinte le long d’un gradient de $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ par kilomètre ? De $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ par kilomètre ? (b) Quelle chaîne, les Alpes ou la chaîne varisque, devrait alors mettre à nu des migmatites et des granites d’origine crustale ? (c) Pourquoi un gradient fixe surestime-t-il la profondeur dans le premier cas ?

Solution

Solution de Exercice 15.7.

(a) $700/8 = 87.5\,\mathrm{km}$ ; $700/30 = 23.3\,\mathrm{km}$. (b) La chaîne varisque : à $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ par kilomètre, la croûte moyenne fond ; à $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ par kilomètre la température de fusion se situe sous la base d’une croûte même épaissie. (c) Le gradient faible décrit des roches entraînées vite vers le bas dans une zone de subduction, avant de pouvoir se réchauffer. Les roches qui restent profondément enfouies dans une croûte épaissie se réchauffent vers un géotherme normal en quelques Ma, et peuvent alors atteindre la fusion à plus faible profondeur.

Exercice 15.8 ★★

Les collisions varisques se sont achevées vers $290\,\mathrm{Ma}$ ; une pénéplaine s’était formée au Permien et au Trias. Utiliser le modèle de décroissance du chapitre, $\tau = 26.3\,\mathrm{Ma}$. (a) Combien de temps met une chaîne pour passer d’une altitude moyenne de $3\,\mathrm{km}$ à $0.3\,\mathrm{km}$ ? (b) À quel âge cela serait-il le cas ? (c) Quel temps caractéristique l’y amènerait-il d’ici la base du Trias ? (d) Quel processus peut raccourcir ce délai ?

Solution

Solution de Exercice 15.8.

(a) $\tau\ln(3/0.3) = 26.3\times2.303 = 60.6\,\mathrm{Ma}$. (b) $290 - 60.6 = 229\,\mathrm{Ma}$, au Trias supérieur. (c) $\tau = (290 - 251.9)/\ln10 = 16.5\,\mathrm{Ma}$. (d) L’effondrement extensif de la croûte épaissie, qui l’amincit et abaisse directement sa surface ; également une vitesse d’érosion plus forte, un climat plus humide ou des roches plus tendres, ou une altitude de départ plus basse.

Exercice 15.9 ★★

(a) Expliquer pourquoi la suture de l’Iapetus dans le nord de l’Angleterre et le centre de l’Irlande, et la croûte laurentienne près de Rockall, montrent que l’Atlantique ne s’est pas rouvert exactement le long de l’ancienne suture. (b) Qu’est-ce qu’un géologue s’attendrait à trouver dans le vieux socle, de part et d’autre de la suture en Irlande ? (c) Les Appalaches avaient été déformées jusqu’au Permien inférieur ; le rifting a commencé environ 80 Ma après l’orogenèse. Comparer avec les 30 à 50 Ma au bout desquels une zone refroidie peut devenir trop résistante pour se réactiver.

Solution

Solution de Exercice 15.9.

(a) La suture, trace de l’Iapetus, se trouve à terre en Grande-Bretagne et en Irlande, à l’est de l’Atlantique ; la croûte de Laurentia, venue du côté lointain de l’Iapetus, se trouve près de Rockall, du côté européen. Le nouveau rift s’est ouvert à l’ouest de l’ancienne suture : il s’est ouvert près d’elle, non le long d’elle. (b) Au nord de la suture, socle et couverture de la marge laurentienne ; au sud, ceux d’Avalonia, aux histoires différentes et, au Paléozoïque inférieur, aux faunes différentes. (c) Le rifting est survenu après 80 Ma, soit plus que les 30 à 50 Ma au bout desquels une zone refroidie peut être devenue résistante ; pourtant l’Atlantique central a bien suivi les Appalaches. La chaleur d’une chaîne s’estompe ; ses failles, fabriques et compositions demeurent et peuvent encore guider un rift.

Exercice 15.10 ★★★

Un océan large de $3000\,\mathrm{km}$ a sa dorsale au milieu, à $1500\,\mathrm{km}$ d’une fosse qui consomme la plaque de son côté à $70\,\mathrm{mm}$ par an ; la dorsale s’étend à $40\,\mathrm{mm}$ par an, symétriquement. (a) À quelle vitesse la dorsale s’approche-t-elle de la fosse ? (b) Quand atteint-elle la fosse ? (c) Quelle est alors la largeur de l’océan ? (d) Que devient l’arc volcanique lorsqu’une dorsale est subduite ?

Solution

Solution de Exercice 15.10.

(a) $70 - 40/2 = 50\,\mathrm{mm}$ par an. (b) $1500\,\mathrm{km}/50\,\mathrm{km}\,\mathrm{Ma}^{-1} = 30\,\mathrm{Ma}$. (c) L’océan se rétrécit à $70 - 40 = 30\,\mathrm{mm}$ par an : $3000 - 30\times30 = 2100\,\mathrm{km}$. (d) Une lithosphère jeune et chaude arrive alors à la fosse, et aucune plaque vieille et froide ne se déshydrate plus sous l’arc : le magmatisme de l’arc change ou s’arrête.

Exercice 15.11 ★★★

Une collision épaissit une croûte de $35\,\mathrm{km}$ à $60\,\mathrm{km}$, compensée à la manière d’Airy. (a) Quelle est l’altitude moyenne, d’après la Proposition 14.4 ? (b) Quelle quantité de roche l’érosion doit-elle enlever pour ramener la surface au niveau de la mer avec une croûte d’épaisseur normale ? (c) Quelle était la pression lithostatique sur les roches qui finissent à la surface ? (d) Dans quel faciès métamorphique ont-elles pu se recristalliser ?

Solution

Solution de Exercice 15.11.

(a) $h = \Delta T(\rho_m - \rho_c)/\rho_m = 25\times600/3300 = 4.5\,\mathrm{km}$. (b) Il faut enlever toute la surépaisseur, $25\,\mathrm{km}$, soit 5.5 fois la hauteur de la chaîne. (c) $2700\times9.8\times25\,000 = 6.6 \times 10^{8}\,\mathrm{Pa}$, soit environ $0.66\,\mathrm{GPa}$. (d) À environ $0.7\,\mathrm{GPa}$ et aux températures de la racine d’une croûte épaissie, plusieurs centaines de degrés, le faciès à amphibolites ou celui à granulites : les gneiss et les migmatites des vieux massifs.

Exercice 15.12 ★★★

Après la rencontre de deux continents, la convergence se poursuit à $30\,\mathrm{mm}$ par an pendant $10\,\mathrm{Ma}$. Le raccourcissement est absorbé par une chaîne qui finit large de $300\,\mathrm{km}$, dans une croûte qui était épaisse de $35\,\mathrm{km}$. (a) En utilisant la Proposition 14.8, trouver l’épaisseur crustale. (b) Trouver l’altitude d’Airy et la racine. (c) En utilisant la Proposition 14.5, calculer l’énergie potentielle en excès et la comparer à celle du Tibet, $6.1 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$. (d) Que doit-il se produire ensuite ?

Solution

Solution de Exercice 15.12.

(a) $S = 30\times10 = 300\,\mathrm{km}$ ; $W_0 = 300 + 300 = 600\,\mathrm{km}$ ; $T = 35\times600/300 = 70\,\mathrm{km}$. (b) $h = 35\times600/3300 = 6.36\,\mathrm{km}$ ; $r = 4.5h = 28.6\,\mathrm{km}$. (c) $\Delta F = 2700\times9.8\times6364\times(35\,000 + 3182 + 14\,318) = 8.8 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$, 1.4 fois celle du Tibet. (d) Une telle chaîne est plus lourde que le Tibet, qui s’étale déjà : effondrement gravitaire, par extension de ses régions élevées et chevauchements sur ses bords.

Problème 15.1

Problème du week-end — L’Iapetus de sa naissance à sa fermeture

Un océan modèle de type Iapetus s’ouvre entre deux continents, L au nord-ouest et B au sud-est. Le rifting commence à $610\,\mathrm{Ma}$ ; l’expansion océanique à $580\,\mathrm{Ma}$. Sauf indication contraire, $g = 9.8\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}$, $\rho_c = 2700\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, $\rho_m = 3300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ et la croûte normale a pour épaisseur $H = 35\,\mathrm{km}$. L’expansion est symétrique et à vitesse constante.

Partie I — Ouverture.

1. À $500\,\mathrm{Ma}$, du plancher océanique formé à $540\,\mathrm{Ma}$ se trouve à $720\,\mathrm{km}$ de l’axe de la dorsale. Calculer la demi-vitesse d’expansion en millimètres par an.
2. En déduire la vitesse d’expansion totale. À quelle classe de dorsale appartient-elle, parmi les dorsales lentes, rapides et ultralentes ?
3. Quelle était la largeur de l’océan à $540\,\mathrm{Ma}$ ?
4. Quelle était-elle à $500\,\mathrm{Ma}$ ?
5. Quelles hypothèses le modèle a-t-il faites pour obtenir ces largeurs ?
6. Quel est l’âge du plancher océanique le plus ancien à $500\,\mathrm{Ma}$, et où se trouve-t-il ? Pourquoi est-ce un lieu probable du début de la subduction ?

Partie II — Fermeture. À $500\,\mathrm{Ma}$, une zone de subduction commence le long de la marge de L et consomme du plancher océanique à $64\,\mathrm{mm}$ par an par rapport à L ; la dorsale poursuit son expansion.

7. À quelle vitesse l’océan se rétrécit-il ?
8. Si la dorsale s’étendait jusqu’au bout, quand l’océan se fermerait-il ?
9. La dorsale commence au milieu de l’océan. Quand atteint-elle la fosse ?
10. Quelle est alors la largeur de l’océan ?
11. Une fois la dorsale subduite, l’expansion s’arrête et B se rapproche de L à $40\,\mathrm{mm}$ par an. Quand l’océan se referme-t-il ?
12. Comparer avec les âges de la phase scandienne, de 425 à $400\,\mathrm{Ma}$.

Partie III — Collision. Après la collision, la convergence se poursuit à $40\,\mathrm{mm}$ par an pendant $8\,\mathrm{Ma}$ ; le raccourcissement est absorbé par une chaîne qui finit large de $400\,\mathrm{km}$.

13. Quel est ce raccourcissement ?
14. En utilisant la Proposition 14.8, trouver l’épaisseur de la croûte.
15. En utilisant la Proposition 14.4, trouver son altitude moyenne d’Airy et sa racine.
16. Calculer son énergie potentielle en excès et la comparer à celle du Tibet, $6.1 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$.
17. Que doit faire la chaîne ensuite ?

Partie IV — Usure. À $410\,\mathrm{Ma}$, l’effondrement a ramené l’altitude moyenne à $3.0\,\mathrm{km}$. L’érosion suit alors le modèle du chapitre, avec $k = \ln 10/11$ par Ma, et le rebond isostatique.

18. Calculer $f$ et le temps caractéristique $\tau$.
19. Quelle est l’altitude moyenne à $380\,\mathrm{Ma}$ ?
20. Quand l’altitude moyenne descend-elle sous $500\,\mathrm{m}$ ?
21. Quelle épaisseur de croûte est enlevée en plus pendant qu’elle passe de $3.0\,\mathrm{km}$ à $0.5\,\mathrm{km}$ ?
22. Quelle pression lithostatique supportaient, dans la racine, les roches alors exposées ?
23. Des sédiments du Dévonien supérieur reposent sur la chaîne érodée de Siccar Point. Le calendrier du modèle est-il compatible avec cela, sachant que la base du Carbonifère est à $358.9\,\mathrm{Ma}$ ?
24. En résumé, quelle fut la plus grande largeur atteinte par l’océan modèle, en kilomètres ?

Solution

Solution de Problème 15.1.

1. $720/(540 - 500) = 18\,\mathrm{km}$ par Ma, soit $18\,\mathrm{mm}$ par an. 2. $36\,\mathrm{mm}$ par an : une dorsale à expansion lente (de 20 à $55\,\mathrm{mm}$ par an). 3. $36\times(580 - 540) = 1440\,\mathrm{km}$. 4. $36\times(580 - 500) = 2880\,\mathrm{km}$. 5. Expansion symétrique à vitesse constante, à partir d’une largeur nulle à $580\,\mathrm{Ma}$, et aucune subduction avant $500\,\mathrm{Ma}$. 6. $80\,\mathrm{Ma}$, aux deux bords de l’océan, contre les marges continentales. C’est la lithosphère océanique la plus froide, la plus épaisse et la plus dense de l’océan, la plus prompte à plonger. 7. $64 - 36 = 28\,\mathrm{mm}$ par an. 8. $2880/28 = 102.9\,\mathrm{Ma}$ après $500\,\mathrm{Ma}$ : à $397.1\,\mathrm{Ma}$. 9. La dorsale, à $1440\,\mathrm{km}$ de la fosse, s’en approche à $64 - 18 = 46\,\mathrm{mm}$ par an : après $1440/46 = 31.3\,\mathrm{Ma}$, à $468.7\,\mathrm{Ma}$. 10. $2880 - 28\times31.3 = 2004\,\mathrm{km}$. 11. $2004/40 = 50.1\,\mathrm{Ma}$ plus tard : à $468.7 - 50.1 = 418.6\,\mathrm{Ma}$. 12. Dans l’intervalle de 425 à $400\,\mathrm{Ma}$ de la collision scandienne. 13. $40\times8 = 320\,\mathrm{km}$. 14. $W_0 = 400 + 320 = 720\,\mathrm{km}$ ; $T = 35\times720/400 = 63.0\,\mathrm{km}$. 15. $h = 28\times600/3300 = 5.09\,\mathrm{km}$ ; $r = 4.5\times5.09 = 22.9\,\mathrm{km}$. 16. $\Delta F = 2700\times9.8\times5091\times(35\,000 + 2545 + 11\,455) = 6.60 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$, environ $8\,\%$ de plus que celle du Tibet. 17. Pour cesser de s’élever et de s’étaler : extension et failles normales dans son intérieur élevé, chevauchements sur ses bords, comme le fait le Tibet aujourd’hui. 18. $f = 600/3300 = 0.182$ ; $k = 2.303/11 = 0.209$ par Ma ; $\tau = 1/(kf) = 26.3\,\mathrm{Ma}$. 19. $3.0\,e^{-30/26.3} = 0.96\,\mathrm{km}$. 20. $26.3\ln(3.0/0.5) = 47.1\,\mathrm{Ma}$ après $410\,\mathrm{Ma}$ : à $362.9\,\mathrm{Ma}$. 21. La croûte en excès vaut $h/f$ : $3.0/0.182 = 16.5\,\mathrm{km}$ se réduit à $0.5/0.182 = 2.75\,\mathrm{km}$, donc on enlève $13.75\,\mathrm{km}$ de roche. 22. $2700\times9.8\times13\,750 = 3.6 \times 10^{8}\,\mathrm{Pa}$, soit environ $0.36\,\mathrm{GPa}$. 23. Oui : au Dévonien supérieur, la chaîne du modèle est tombée à environ $1\,\mathrm{km}$ d’altitude moyenne et continue de baisser, avec du relief entre ses vallées et ses crêtes ; des graviers rouges peuvent s’accumuler dans ses creux bien avant $358.9\,\mathrm{Ma}$, comme à Siccar Point, où ils reposent sur une surface dotée de relief. 24. $2880\,\mathrm{km}$, à $500\,\mathrm{Ma}$, au moment où la subduction a commencé.