Ens. spécifique
Le domaine continental et sa dynamique
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svtT_1706_01_00C
Afrique • Juin 2017
pratique du raisonnement scientifique
Exercice 2 • 5 points
La Sierra Nevada, ancienne zone de subduction
La Sierra Nevada s'étire sur environ 700 km et longe la « Vallée de la Mort » en Californie.
Cette chaîne de montagnes renferme des volcans aujourd'hui inactifs, comme ceux d'Aurora-Bodie, mais aussi un vaste batholithe (en marron foncé sur la carte de droite) constitué de roches grenues formées en profondeur.
▶ À partir de l'exploitation des documents proposés et de vos connaissances, exposez les arguments permettant de montrer que la région de la Sierra Nevada est une ancienne zone de subduction.
document 1 Les roches magmatiques trouvées à l'affleurement dans la Sierra Nevada
a. Les roches volcaniques d'Aurora-Bodie
| Photographie d'une lame de roche volcanique observée au microscope polarisant (lumière polarisée analysée) | Schéma interprétatif de la photographie |
|---|---|
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ph © Christian Nicollet |
|
D'après Christian Nicollet
b. Composition minéralogique des principales roches magmatiques
document 2 Le batholithe de la Sierra Nevada
a. Cartographie de l'affleurement du batholithe de la Sierra Nevada
Le batholithe de la Sierra Nevada est notamment constitué de granodiorite, une roche de la famille des granitoïdes.
b. Coupe géologique C-D
D'après G. Zandt et al., Nature, 2004 J. W. Shervais, Geosphere, 2005 J. Saleeby et al., Geosphere, 2012.
c. Diagramme pression-température et champs de stabilité des minéraux susceptibles de se former dans une croûte océanique
document 3 Tomographie sismique à l'aplomb de la Sierra Nevada
La tomographie sismique est utilisée en géophysique. Cette technique utilise l'enregistrement de l'arrivée des ondes sismiques émises lors de tremblements de terre.
L'interprétation des temps d'arrivée, les uns relativement aux autres et en différents lieux, permet de remonter aux variations des vitesses de propagation de ces ondes à l'intérieur du globe terrestre.
Les ondes qui accusent un retard par rapport aux autres ont traversé une zone plus chaude et moins dense.
Celles qui ont accéléré ont traversé une zone moins chaude et plus dense.
D'après J. Unruh et al., Geosphere, 2014
Les clés du sujet
Comprendre le sujet
Le libellé du sujet est sans ambiguïté. Les documents fournis portent sur les caractéristiques pétrographiques des roches de la Sierra Nevada, sur la structure de la région à l'ouest en Californie et sur les données de tomographie sismique : il s'agit d'en extraire des informations qui sont des marqueurs des zones de subduction.
Les informations révèlent une subduction ancienne où une plaque a subducté sous la plaque américaine chevauchante (sans précisions sur la plaque subduite). Il faut donc, dans l'exploitation des documents, être guidé par vos connaissances sur les marqueurs de la subduction.
Bien entendu, puisqu'il s'agit d'une subduction passée, il n'y a pas de données sur la profondeur des foyers sismiques.
Mobiliser ses connaissances
La déshydratation des matériaux de la croûte océanique subduite libère de l'eau qui provoque la fusion partielle de la péridotite mantellique de la plaque chevauchante.
Une fraction des magmas arrive en surface et est à l'origine d'un volcanisme souvent explosif, où les roches résultant de la solidification de la lave sont des andésites. Mais la plus grande partie cristallise en profondeur et donne des roches à structure grenue de type granitoïde.
Corrigé
Introduction
La Sierra Nevada est une chaîne de montagnes située sur la plaque nord-américaine elle témoigne d'une histoire où les géologues trouvent des indices caractéristiques d'une zone de subduction. Nous allons exploiter les documents proposés afin de retrouver ces indices.
I. Les indices d'un magmatisme propre aux zones de subduction
A. Les roches volcaniques d'Aurora-Bodie
Ces roches volcaniques présentent (document 1a) une structure microlithique caractéristique des roches volcaniques. Les minéraux visibles sont des cristaux de feldspaths plagioclases, de biotite, de microcristaux, d'amphibole et de pyroxènes.
Le document 1b permet d'identifier ces roches volcaniques : l'association amphibole, biotite, pyroxènes et plagioclases ne se trouve que dans une andésite. La roche caractéristique d'Aurora-Bodie est donc une andésite. Cela est confirmé par l'absence de feldspaths potassiques, dont on peut déduire que cette roche ne peut être considérée comme une rhyolite ou une dacite. Cette roche ne peut pas non plus être un basalte car elle ne possède pas d'olivine ni de pyroxènes en quantité importante.
B. Les batholites de la Sierra Nevada
La Sierra Nevada est constituée, comme le montre le document 2b, d'un grand nombre de plutons de granitoïdes dont certains affleurent à la surface et d'autres restent enfouis. La présence de roches volcaniques de type andésitique et celle de roches plutoniques grenues de type granitoïde sont les indices d'un magmatisme de zone de subduction, magmatisme localisé sur la plaque chevauchante lors d'une subduction. La plaque nord-américaine peut donc avoir été la plaque chevauchante d'une zone de subduction.
II. Les indices de l'ancienne subduction d'une croûte océanique
La partie gauche du document 2b montre l'existence d'une croûte océanique sous une croûte continentale jusqu'à une profondeur d'environ 25 km. Cette situation en profondeur de la croûte océanique ne peut s'expliquer que par un phénomène de subduction.
En outre, cette croûte océanique est surmontée de roches à glaucophane, minéral qui n'est stable qu'à partir d'environ 15 km de profondeur. Ces roches qui surmontent la croûte océanique peuvent être au moins en partie celles formant un prisme d'accrétion, entraînées lors de la subduction.
L'existence possible d'un prisme d'accrétion est un indice d'une subduction.
III. L'existence d'une plaque fossile en profondeur
La tomographie sismique (document 3) indique l'existence dans le manteau d'une région où la vitesse des ondes sismiques est supérieure à la normale. Sous la Sierra Nevada, cette zone atteint une profondeur de 250 km.
Cela s'explique en évoquant l'existence d'une zone plus froide et plus dense que le manteau environnant.
Au cours d'une subduction, la plaque plongeante est froide et ne se réchauffe que lentement, gardant ainsi son individualité par rapport au manteau de la plaque chevauchante. La zone ainsi caractérisée est le reste d'une ancienne plaque lithosphérique qui a subducté.
On peut noter la présence d'une zone où la vitesse des ondes sismiques est anormalement lente sous la Sierra Nevada, donc au-dessus de la plaque en subduction fossile. Cela peut être interprété comme la marque d'une activité magmatique passée, liée à la subduction.
Conclusion
La région de la Sierra Nevada présente donc un certain nombre de caractéristiques qui sont autant d'indices de l'existence, dans le passé, d'une zone de subduction :
l'existence d'une plaque plongeante fossile (document 3)
des traces d'un magmatisme caractéristique d'une zone de subduction : volcanisme andésitique et nombreux plutons de granitoïdes (document 1)
les traces d'une subduction d'une croûte océanique sous la plaque nord-américaine (document 2).
L'ensemble de ces indices témoigne que la Sierra Nevada est une ancienne zone de subduction.