Dorsales océaniques : accrétion, fusion partielle et refroidissement de la lithosphère

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Dorsales océaniques : accrétion, fusion partielle et refroidissement

1. Une limite où les plaques s'écartent

Une dorsale océanique est une chaîne volcanique sous-marine longue de plus de 60 000 km, située à la limite entre deux plaques lithosphériques qui s'éloignent l'une de l'autre (limite divergente). Elle se repère par un relief élevé, une activité sismique de faible magnitude et de faible profondeur, un flux thermique important et une circulation d'eau chaude dans la croûte (hydrothermalisme). Sur les dorsales lentes, un fossé axial (rift) entaille le sommet ; sur les dorsales rapides, le relief est plus doux.

2. L'accrétion : fabriquer de la lithosphère océanique

Quand les plaques s'écartent, du magma monte et comble l'espace libéré : c'est l'accrétion océanique. La croûte neuve se structure de haut en bas : des basaltes en coussins (refroidis vite au contact de l'eau, texture microlitique), un complexe de filons de dolérite, puis des gabbros (refroidis lentement en profondeur, texture grenue). Ces roches ont une composition chimique voisine ; ce sont les conditions de refroidissement qui changent la texture. Sous la croûte se trouve le manteau, formé de péridotite.

Les anomalies magnétiques et les âges des basaltes sont distribués symétriquement de part et d'autre de l'axe, avec des âges croissants quand on s'éloigne. On définit la demi-vitesse d'expansion : distance à l'axe divisée par l'âge, sur un seul flanc. La vitesse totale d'écartement des deux plaques vaut la somme des deux demi-vitesses, soit le double si l'expansion est symétrique. Utile : 1 km par million d'années équivaut à 1 mm par an.

3. L'origine du magma : fusion partielle par décompression

Le manteau sous la dorsale est une péridotite (olivine et pyroxènes) à l'état solide. L'asthénosphère n'est pas un océan de magma : c'est une roche solide qui se déforme très lentement. Sous l'axe, elle remonte par convection. Cette remontée est assez rapide pour que la roche perde peu de chaleur : sa température baisse de quelques dizaines de degrés seulement. En revanche, la pression diminue nettement, et la température du solidus (début de fusion) de la péridotite baisse beaucoup plus vite. À partir d'une certaine profondeur, la température de la roche dépasse le solidus : la fusion commence.

La fusion est partielle : seuls quelques pourcents à une vingtaine de pourcents de la roche fondent. Le liquide, de composition basaltique, est moins dense que le solide : il s'en sépare, monte et alimente une chambre magmatique peu volumineuse, plutôt faite de cristaux et de liquide interstitiel que d'un grand lac de magma. Le résidu solide, appauvri, reste dans le manteau.

4. Le refroidissement de la lithosphère

En s'éloignant de l'axe, la lithosphère océanique perd de la chaleur par conduction et par circulation d'eau. Le flux thermique diminue, l'isotherme d'environ 1300 °C qui limite la lithosphère s'enfonce, et la lithosphère s'épaissit par transformation de la base de l'asthénosphère refroidie. La roche se contracte et sa masse volumique augmente. Elle s'enfonce donc davantage dans l'asthénosphère : c'est la subsidence thermique. La profondeur du plancher croît avec l'âge, vite au début, puis plus lentement. Une lithosphère ancienne, froide et dense, peut finir par plonger en subduction.

Exemple analysé

Un basalte prélevé à 360 km de l'axe, sur le flanc ouest, est daté de 12 Ma. Demi-vitesse : 360 ÷ 12 = 30 km/Ma, soit 30 mm/an. Si le flanc est présente la même vitesse, la vitesse totale est de 60 mm/an. Ce basalte est né à l'axe par fusion partielle, puis s'est éloigné en se refroidissant : son plancher est plus profond qu'à l'axe.

Le piège

Deux erreurs sont fréquentes. La première : croire que le manteau fond parce qu'il est plus chaud sous la dorsale. La cause principale est la décompression, pas un apport de chaleur. La seconde : confondre la demi-vitesse avec la vitesse totale d'écartement, ce qui fausse le calcul de la largeur de l'océan d'un facteur 2.

Vocabulaire à retenir

• Solidus : courbe température-pression au-dessus de laquelle la roche commence à fondre.
• Fusion partielle : fusion d'une fraction seulement de la roche.
• Subsidence thermique : enfoncement du plancher dû au refroidissement.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Exercices

Situation-problème. Des océanographes étudient une dorsale où deux plaques s'écartent. Ils disposent d'un profil perpendiculaire à l'axe, côté est, et d'un modèle de remontée du manteau sous l'axe. Ils veulent comprendre pourquoi le plancher océanique devient plus profond et moins chaud quand on s'éloigne de l'axe, et d'où vient le magma qui fabrique la croûte neuve. Vous exploitez les deux documents pour reconstituer la chaîne de phénomènes, de la remontée du manteau jusqu'au refroidissement de la lithosphère.

Document 1 : profil du plancher océanique

Données pédagogiques simplifiées. Les âges sont déterminés grâce aux anomalies magnétiques et à la datation de basaltes. Les flux thermiques sont mesurés dans des zones peu perturbées par la circulation d'eau. Des mesures faites sur le flanc ouest donnent les mêmes âges aux mêmes distances de l'axe.

Document 2 : remontée d'une particule de péridotite sous l'axe

Données pédagogiques simplifiées. Une particule de péridotite solide remonte lentement par convection sous l'axe. Elle remonte assez vite pour que sa température varie peu. On compare, à chaque profondeur, sa température à celle du solidus de la péridotite. Le taux de fusion partielle est la fraction de roche devenue liquide.

Exercice 1 : vitesse d'expansion et évolution du plancher

1. Décrivez l'évolution de la profondeur et du flux thermique quand l'âge augmente (document 1).
2. Calculez, pour les quatre lignes hors de l'axe, la demi-vitesse d'expansion en km/Ma puis en mm/an. Concluez sur sa constance.
3. Déduisez la vitesse totale d'écartement des deux plaques, puis la largeur d'océan créée en 40 Ma.
4. Calculez l'augmentation de profondeur par million d'années entre 0 et 4 Ma, puis entre 20 et 40 Ma. Comparez.

Exercice 2 : origine du magma

1. À chaque profondeur du document 2, comparez la température de la particule au solidus. Entre quelles profondeurs la fusion débute-t-elle ?
2. Par interpolation linéaire entre 50 km et 30 km, estimez la profondeur de début de fusion.
3. Calculez de combien la particule se refroidit entre 100 km et 10 km, et de combien le solidus baisse. Calculez aussi l'écart entre température et solidus à 10 km. Déduisez le mécanisme de la fusion.
4. Expliquez pourquoi on parle de fusion partielle et pourquoi le manteau sous la dorsale n'est pas un océan de magma.

Exercice 3 : confrontation des documents et argumentation

1. Un élève affirme que le plancher s'approfondit « parce que du magma s'accumule en profondeur sur les côtés ». Discutez cette idée avec les données du document 1 et proposez une explication reliant flux thermique et profondeur.
2. Estimez l'âge d'un point situé à 750 km de l'axe. Estimez sa profondeur par interpolation linéaire entre 20 et 40 Ma, puis discutez la fiabilité de ce résultat.
3. Rédigez une synthèse de 5 à 8 lignes reliant le document 2 (production du magma) et le document 1 (évolution du plancher), avec les mots décompression, fusion partielle, accrétion, refroidissement et densité.
4. Précisez deux limites des conclusions que permettent ces documents.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. La profondeur passe de 2500 m à l'axe à 4700 m à 40 Ma : le plancher s'approfondit avec l'âge, rapidement au début puis plus lentement. Le flux thermique diminue de 230 à 60 mW/m² : le plancher âgé est plus froid.
2. Demi-vitesse = distance ÷ âge : 100 ÷ 4 = 25 km/Ma ; 250 ÷ 10 = 25 km/Ma ; 500 ÷ 20 = 25 km/Ma ; 1000 ÷ 40 = 25 km/Ma. Comme 1 km/Ma = 1 mm/an, la demi-vitesse est de 25 mm/an. Elle est constante sur ce profil : l'expansion a été régulière pendant 40 Ma.
3. Les âges sont identiques sur le flanc ouest, donc l'expansion est symétrique : vitesse totale = 2 × 25 = 50 mm/an. En 40 Ma, la largeur créée est 50 mm/an × 40 Ma = 2000 km (2 × 1000 km). Piège : utiliser 25 mm/an donnerait 1000 km seulement.
4. Entre 0 et 4 Ma : (3200 − 2500) ÷ 4 = 175 m/Ma. Entre 20 et 40 Ma : (4700 − 4100) ÷ 20 = 30 m/Ma. L'enfoncement est près de six fois plus rapide près de l'axe : le refroidissement est le plus intense là où la lithosphère est jeune.

Critères de réussite : unités correctes, conversion km/Ma vers mm/an justifiée, distinction demi-vitesse et vitesse totale.

Exercice 2 : correction

1. À 100, 70 et 50 km, la température de la particule est inférieure au solidus (1350 < 1500 ; 1345 < 1420 ; 1340 < 1360) : la roche reste solide. À 30 et 10 km, elle dépasse le solidus (1335 > 1290 ; 1330 > 1210) : il y a fusion. Elle débute entre 50 et 30 km.
2. L'écart température moins solidus vaut −20 °C à 50 km et +45 °C à 30 km, soit une variation de 65 °C sur 20 km. Il s'annule à 50 − 20 × (20 ÷ 65) ≈ 44 km. Ce n'est qu'une estimation, car les variations ne sont pas strictement linéaires.
3. La particule passe de 1350 à 1330 °C : elle se refroidit de 20 °C. Le solidus passe de 1500 à 1210 °C : il baisse de 290 °C. À 10 km, l'écart vaut 1330 − 1210 = 120 °C. Le solidus baisse beaucoup plus que la température de la particule, donc la fusion résulte de la baisse de pression (décompression) et non d'un réchauffement.
4. À 10 km, le taux de fusion est de 15 % : 85 % de la roche reste solide. La fusion est donc partielle. Le liquide basaltique, moins dense, s'extrait et monte. Le manteau reste une roche solide qui se déforme lentement ; le magma est un liquide minoritaire. Limite : le modèle est simplifié, la composition réelle et la présence d'eau modifient le solidus.

Critères de réussite : comparaison chiffrée température et solidus, calcul d'interpolation détaillé, mot décompression bien employé.

Exercice 3 : correction

1. Si du magma s'accumulait, le flux thermique ne baisserait pas régulièrement avec l'âge. Les données montrent au contraire une baisse de 230 à 60 mW/m², signe d'une lithosphère qui se refroidit. Une roche froide se contracte, sa masse volumique augmente, et elle s'enfonce davantage dans l'asthénosphère moins dense. Le magma produit à l'axe se solidifie rapidement dans la croûte et n'explique pas l'approfondissement. La corrélation entre flux et profondeur seule ne prouve pas la cause ; c'est la physique de la contraction thermique qui fournit le mécanisme.
2. Âge = 750 ÷ 25 = 30 Ma. Profondeur interpolée : 4100 + (4700 − 4100) ÷ 2 = 4400 m. Ce résultat est un ordre de grandeur : la profondeur n'augmente pas linéairement avec l'âge (l'enfoncement ralentit), donc la valeur réelle est probablement un peu supérieure à 4400 m. Un point de mesure supplémentaire serait nécessaire.
3. Synthèse attendue : sous l'axe, le manteau solide remonte, sa pression diminue (décompression), il franchit le solidus et subit une fusion partielle. Le liquide basaltique, moins dense, monte et construit la croûte neuve par accrétion. Les plaques s'écartant à 50 mm/an, le plancher s'éloigne de l'axe et se refroidit : le flux thermique baisse, la densité augmente et le plancher s'enfonce.
4. Limites possibles : un seul profil de cinq points ne prouve pas que ces valeurs valent pour toutes les dorsales (vitesses et températures varient) ; la vitesse est supposée constante entre les points ; le modèle du document 2 est simplifié ; une corrélation n'établit pas à elle seule une causalité.

Critères de réussite : argumentation appuyée sur des valeurs, vocabulaire exact, limites explicitement formulées.