Exercices: De la dérive des continents à la tectonique des plaques

Qui était Alfred Wegener et que proposait son hypothèse de la dérive des continents ? Expliquer pourquoi la communauté scientifique de son époque l'a rejetée malgré les preuves qu'il apportait.

Résumer les trois preuves classiques de la dérive des continents — emboîtement des côtes, fossiles communs et paléoclimats — en donnant un exemple concret pour chacune.

Qu'était la Pangée et quand a-t-elle commencé à se fragmenter ? Indiquer quel océan s'est progressivement ouvert à mesure que l'Amérique se séparait de l'Europe et de l'Afrique.

Expliquer ce qu'est le paléomagnétisme et comment les roches magmatiques, en se refroidissant, « photographient » la direction du champ magnétique terrestre au moment de leur formation.

Qu'est-ce qu'une dorsale océanique ? Décrire le processus qui se produit dans son axe, le type de roche qui s'y forme et sa relation avec l'expansion des fonds océaniques.

Expliquer la différence entre continent et plaque lithosphérique, et justifier, avec l'exemple de la plaque sud-américaine, pourquoi une même plaque peut porter un demi-continent et un demi-océan.

Le Mesosaurus, un reptile d'eau douce, n'est retrouvé fossilisé que dans l'est de l'Amérique du Sud et le sud de l'Afrique. Expliquer pourquoi il n'a pas pu traverser l'Atlantique à la nage et quelle conclusion Wegener a tirée de cette répartition.

Dans des roches de régions aujourd'hui tropicales (Inde, Afrique australe, Amérique du Sud), on trouve des stries glaciaires datant d'environ $300$ millions d'années. Expliquer ce qu'elles indiquent sur la position qu'occupaient alors ces continents et comment elles s'intègrent dans une seule calotte polaire si on les rassemble.

Le schéma montre les bandes magnétiques du fond océanique de part et d'autre d'une dorsale, avec l'âge des roches. a) Expliquer pourquoi les bandes sont symétriques et ce qu'indique l'augmentation de l'âge à mesure qu'on s'éloigne de la dorsale. b) Justifier comment cette donnée, inconnue de Wegener, a fait renaître la dérive des continents sous la forme de l'expansion des fonds océaniques.

L'expansion de l'Atlantique progresse à un rythme moyen de $2{,}5\ \text{cm}$ par an. Calculer de combien de kilomètres l'océan s'est élargi au cours des $80$ derniers millions d'années et expliquer pourquoi ce chiffre n'est qu'une approximation.

Expliquer la différence entre la dérive des continents de Wegener et la théorie actuelle de la tectonique des plaques : ce qui se déplace réellement dans chaque modèle et sur quelle couche.

L'Islande se sépare en deux à un rythme d'environ $2\ \text{cm}$ par an le long de la dorsale qui la traverse. a) Calculer de combien de mètres l'île s'élargira en $1\,000$ ans et de combien de kilomètres en un million d'années. b) Expliquer pourquoi l'Islande concentre un volcanisme actif précisément sur cette fracture.

L'épaisseur des sédiments du fond océanique augmente à mesure qu'on s'éloigne des dorsales, et aucun fond océanique n'a plus d'environ $200$ millions d'années, contre des continents avec des roches de près de $4\,000$ millions d'années. Expliquer comment ces deux données s'accordent avec l'expansion océanique et avec l'existence de zones où la lithosphère est détruite.

Les trajectoires de « dérive apparente des pôles » calculées pour l'Europe et pour l'Amérique du Nord sont différentes, comme si chaque continent avait vu le pôle se déplacer selon un chemin différent. Expliquer pourquoi cette contradiction disparaît si ce sont les continents qui se sont déplacés chacun de leur côté.

Lors de la reconstitution de l'emboîtement de l'Amérique du Sud et de l'Afrique, l'ajustement est bien meilleur si l'on assemble les bords des plateformes continentales et non les lignes de côte actuelles. Expliquer pourquoi (l'érosion, la sédimentation et les variations du niveau de la mer modifient la côte) et ce que représente réellement le bord de la plateforme.

La ligne de Wallace, entre les îles indonésiennes de Bali et de Lombok, sépare des faunes asiatiques de faunes australiennes malgré leur proximité. Relier cette frontière biogéographique à l'histoire tectonique de la région (rapprochement des plateformes de la Sonde et de Sahul et grande profondeur du détroit) et expliquer pourquoi les espèces ne l'ont pas franchie.

Une équipe de géologie analyse une colonne stratigraphique et structurale dans la péninsule ibérique et documente la superposition d'événements suivante :

1. Un socle basal de schistes et de gneiss intensément plissés avec des intrusions granitiques datées d'environ 305 Ma.

2. En discordance sur le socle, des couches continentales de grès rouges et d'évaporites du Trias (230 Ma), sur lesquelles reposent de puissantes épaisseurs de calcaires et de dolomies marines avec une faune d'eaux chaudes du Jurassique et du Crétacé.

3. Des structures de chevauchement et des nappes de charriage actives il y a 25 Ma, qui empilent et déforment les calcaires mésozoïques et les sédiments tertiaires, donnant naissance à un relief montagneux.

1. a) Déduire à quel contexte géodynamique et à quelle orogenèse correspond le socle basal (1), en justifiant s'il représente la formation ou la rupture de la Pangée.
2. b) Expliquer la signification géodynamique de la transition entre les sédiments triasiques et les calcaires jurassico-crétacés (2), en la reliant à l'ouverture de la Téthys et de l'Atlantique.
3. c) Interpréter l'origine tectonique de la déformation tertiaire (3) : quelle orogenèse représente-t-elle, quelles masses continentales entrent en collision et quelle est sa relation avec la genèse et la configuration de la Méditerranée actuelle ?

Analyser le tableau suivant avec des données cinématiques et géométriques de quatre plaques lithosphériques :

1. a) Justifier, à partir de la corrélation de ces données, quel mécanisme (« slab pull » ou traction de la plaque qui subducte, face au « ridge push » ou poussée de la dorsale) exerce le contrôle dominant sur la vitesse des plaques.
2. b) Si la poussée de la dorsale était le moteur principal, quelles vitesses relatives s'attendrait-on à trouver pour la plaque Antarctique par rapport à la plaque Pacifique ? Expliquer la raison physique pour laquelle la poussée de la dorsale ne suffit pas à déplacer des plaques à grande vitesse.
3. c) Expliquer pourquoi la plaque Africaine se déplace lentement bien qu'elle soit en grande partie entourée de dorsales et de convection mantellique ascendante, en analysant l'effet de la traînée basale et des racines continentales épaisses.

En 1960, avant que la tectonique des plaques ne soit acceptée, un partisan du fixisme géologique affirmait :

« La croûte océanique est un bassin permanent et passif où des sédiments se sont accumulés de manière ininterrompue depuis le Précambrien ; l'idée que les continents se déplacent est une fantaisie sans base physique. »

1. a) Si l'affirmation du fixiste était vraie, quelle épaisseur relative et quel âge devraient avoir les sédiments et les roches du fond océanique ? Justifier pourquoi les données réelles obtenues par sondages et carottages océaniques (absence de croûte marine antérieure à 180 Ma et sédiments étonnamment minces près des dorsales) ont complètement invalidé le modèle fixiste.
2. b) Expliquer comment les cartes bathymétriques élaborées par Marie Tharp et la découverte de la vallée de rift axiale de la dorsale médio-atlantique ont obligé à réinterpréter le rôle du fond océanique dans la dynamique terrestre.
3. c) À partir de ce cas historique, évaluer pourquoi l'hypothèse de Wegener de 1915 n'a pas pu s'imposer comme théorie scientifique à l'époque et quel rôle décisif le développement de nouvelles technologies (sonar, magnétométrie marine) a joué dans le changement de paradigme.

Sur un transect de l'Atlantique sud perpendiculaire à l'axe de la dorsale médio-atlantique, trois points clés de la croûte basaltique, symétrique de part et d'autre du rift, ont été datés :

• L'anomalie magnétique C5 (10 Ma d'ancienneté) se situe à 200 km à l'est et à 200 km à l'ouest de la dorsale.

• L'anomalie magnétique C34 (84 Ma d'ancienneté) se situe à 1 400 km de chaque côté de la dorsale.

• La limite croûte océanique-croûte continentale (bord du rifting initial, daté de 130 Ma) se trouve à 3 000 km de chaque côté.

1. a) Calculer la vitesse d'ouverture totale de l'océan Atlantique sud (exprimée en cm/an) pour les trois intervalles de temps : (i) de 130 Ma à 84 Ma, (ii) de 84 Ma à 10 Ma, et (iii) de 10 Ma à l'actuel.
2. b) Interpréter les résultats calculés : la vitesse d'expansion du fond océanique dans l'Atlantique sud a-t-elle été constante ? Expliquer comment l'analyse des anomalies magnétiques révèle ces accélérations ou décélérations.
3. c) Deux stations de positionnement géodésique spatial (GNSS/GPS) situées à Fortaleza (Brésil) et à Libreville (Gabon) enregistrent aujourd'hui que la distance intercontinentale augmente au rythme de 3,8 cm/an. Comparer cette donnée avec le taux géologique récent calculé et justifier quel avantage apporte la technologie GNSS/VLBI par rapport à l'enregistrement paléomagnétique dans l'étude de la cinématique des plaques.

Analyser les données géodynamiques comparatives suivantes entre deux grands orogènes de collision actifs :

• Système Himalaya-Tibet : taux de convergence : ~4,5 cm/an. Épaisseur crustale maximale : 75 km. Altitude moyenne du plateau : 4 500 m. Lithologie impliquée : collision frontale d'un craton précambrien froid, dense et rigide (plaque indienne) contre l'Eurasie.

• Système des Alpes : taux de convergence : ~0,5 cm/an. Épaisseur crustale maximale : 50 km. Altitude moyenne de l'orogène : 2 000 m. Lithologie impliquée : collision oblique et complexe de microplaques détachées (bloc d'Apulie/Adriatique) contre la marge européenne.

1. a) Justifier, à partir des différences de vitesse de convergence, de masse et d'inertie lithosphérique des blocs en contact, pourquoi la croûte sous le Tibet a atteint un épaississement presque double de celui des Alpes.
2. b) Bien que la convergence entre l'Inde et l'Asie reste active, les mesures montrent que le plateau tibétain subit actuellement des failles normales (extension est-ouest) et que les sommets les plus hauts ont atteint un plafond orogénique. Expliquer quel phénomène géodynamique et isostatique (effondrement gravitationnel) freine la croissance verticale indéfinie d'une chaîne de montagnes.
3. c) Prévoir, en le justifiant, l'évolution structurale de l'orogène himalayen au cours des 15 prochains millions d'années si l'Inde poursuit son avancée : vers où migreront les chevauchements actifs et que deviendra la masse rocheuse du plateau ?

Une carte géodynamique de la Méditerranée montre trois caractéristiques remarquables :

1. Des plans de sismicité profonde (zones de Wadati-Benioff) qui plongent sous l'arc hellénique (Grèce) et sous l'arc calabrais (sud de l'Italie), avec des foyers sismiques atteignant 400 km de profondeur.

2. Des chaînes de volcans actifs à magmas explosifs riches en andésites et en dacites en mer Égée (Santorin) et en mer Tyrrhénienne (îles Éoliennes).

3. De jeunes bassins marins (la mer Tyrrhénienne et la mer Égée) dont le fond montre un amincissement crustal et des failles extensives actives, bien que l'Afrique et l'Eurasie se rapprochent globalement d'environ 0,5 cm/an.

1. a) Interpréter, à partir de la sismicité et du volcanisme, quel processus géodynamique opère dans les arcs hellénique et calabrais, en déduisant l'origine et la nature du magma explosif de ces zones.
2. b) Résoudre le paradoxe apparent du point 3 : comment est-il possible qu'il existe des bassins en extension et en ouverture à l'intérieur d'un océan globalement en phase de fermeture tectonique ? (Indice : considérer le recul du plan de subduction ou « slab rollback »).
3. c) Prévoir, en le justifiant, quelle structure orographique et quel type de croûte prédomineront dans la région méditerranéenne dans environ 40 millions d'années si le mouvement convergent se poursuit, et mentionner deux archives géologiques qui attesteront à l'avenir qu'un bassin marin y a existé.

En 1915, les scientifiques défenseurs du fixisme expliquaient la présence de fossiles identiques de Mesosaurus (un reptile d'eau douce du Permien) en Afrique du Sud et au Brésil en postulant l'existence de « ponts continentaux » qui se seraient ensuite effondrés au fond de la mer.

1. a) Appliquer le principe d'isostasie ainsi que la différence de composition et de densité entre la croûte continentale (sial) et le manteau/la croûte océanique (sima) pour montrer pourquoi l'hypothèse fixiste des « ponts effondrés » est physiquement absurde.
2. b) Analyser les stries glaciaires permiennes trouvées en Amérique du Sud, dans le sud de l'Afrique, en Inde et en Australie : justifier pourquoi leur orientation divergente, des côtes actuelles vers l'intérieur du continent, est inexplicable avec des continents fixes, mais devient immédiatement cohérente si l'on reconstitue le supercontinent de la Pangée.
3. c) Évaluer la formule classique : « Wegener avait raison sur le quoi et tort sur le comment ». Détailler quel mécanisme moteur erroné il a proposé pour la dérive des continents et expliquer quel concept tectonique ultérieur a résolu de façon satisfaisante cette erreur physique.

Une équipe de géologie de terrain décrit quatre bassins tectoniques terrestres (A, B, C et D) présentant les caractéristiques lithologiques et structurales suivantes :

• Bassin A : vallée continentale effondrée avec des failles normales en gradins, amincissement de la croûte, volcanisme bimodal (rhyolites et basaltes continentaux) et lacs allongés avec des sédiments fluviatiles et évaporitiques.

• Bassin B : bras de mer étroit aux marges continentales parallèles ; dans son axe central, on observe déjà la formation naissante de plancher océanique basaltique et des sources hydrothermales.

• Bassin C : océan large dont les marges continentales ne présentent ni sismicité ni volcanisme (marges passives), accumulant d'épais prismes sédimentaires sur le plateau et le talus continentaux.

• Bassin D : orogène de collision sans volcanisme actif, avec un Moho situé à plus de 65 km de profondeur, des chevauchements massifs et la présence d'ophiolites (association de péridotites, de gabbros et de laves en coussins) incluses dans les sédiments déformés.

1. a) Déduire à quelle étape du cycle de Wilson correspond chaque bassin (A, B, C et D), en justifiant votre choix à partir de deux critères géologiques observables dans chaque cas.
2. b) Associer un exemple géographique réel et actuel à chacune des quatre étapes décrites.
3. c) À partir de la présence d'ophiolites dans le bassin D et de la dynamique du cycle de Wilson, répondre : pourquoi n'existe-t-il pas de croûte océanique en place de plus de 180 Ma dans les océans actuels, alors que l'on trouve dans les masses continentales des roches de plus de 3 800 Ma ?