Exercices: Le cycle de Wilson

Qu'est-ce que le cycle de Wilson ? Indiquer par quel processus géologique il commence et par quel événement il se termine.

La mer Rouge et l'océan Atlantique représentent des étapes différentes du cycle de Wilson. Indiquer lequel des deux se trouve à une étape plus précoce et justifier la réponse.

Qu'est-ce qu'un rift continental et dans quel type de limite entre plaques se forme-t-il ?

Quels deux types de limites entre plaques interviennent, respectivement, dans l'ouverture et dans la fermeture d'un océan au cours du cycle de Wilson ? Justifier la réponse.

Qu'est-ce qu'une dorsale océanique et à quelles étapes du cycle de Wilson apparaît-elle ? Quel type de roche s'y forme ?

L'Atlantique est considéré comme un océan « mature ». Citer deux caractéristiques qui justifient cette considération, comme sa largeur ou le type de marges qui le bordent.

Qu'est-ce qu'une marge continentale passive et en quoi se distingue-t-elle d'une marge active ? Associer chaque type à une étape du cycle de Wilson.

Quel âge maximal ont les roches du fond océanique actuel et pourquoi n'existe-t-il pas de fonds océaniques aussi anciens que les noyaux les plus vieux des continents ?

Les cinq vignettes du schéma (a–e) montrent, dans le désordre, cinq étapes du cycle de Wilson. Les classer chronologiquement, de l'ouverture d'un rift à la formation d'une chaîne de montagnes, et citer un exemple actuel de chaque étape.

L'océan Pacifique est le plus vaste de la planète et pourtant, on le considère comme un océan « en régression » dans le cycle de Wilson. Expliquer ce qui se passe sur ses bords et qui justifie cette affirmation.

Lorsque la subduction consomme entièrement le fond océanique qui sépare deux continents, quel événement met fin au cycle et quel type de relief se forme-t-il ? Donner un exemple actuel.

La vallée du Rift d'Afrique orientale présente du volcanisme, des fossés tectoniques et des lacs allongés. Expliquer quelle étape du cycle de Wilson elle représente et ce qui pourrait se produire si l'extension se poursuivait pendant des millions d'années.

Les ophiolites sont des fragments de croûte et de manteau océaniques incorporés aux chaînes de montagnes. Expliquer ce qu'elles sont, comment elles sont arrivées sur les continents (obduction) et ce qu'elles démontrent sur l'existence d'océans disparus.

Un océan s'ouvre à raison de $3\ \text{cm/an}$ de chaque côté pendant $60\ \text{Ma}$. Calculer la largeur atteinte à la fin de cette période, exprimée en kilomètres, et indiquer de quel océan actuel elle se rapprocherait.

Dans les sutures d'anciennes collisions, on décrit des mélanges, des ophiolites et des roches métamorphiques de haute pression. Expliquer ce qu'est une zone de suture et pourquoi ces trois éléments révèlent un océan fermé.

La Méditerranée conserve une subduction active en Calabre et dans l'arc hellénique. Situer cette mer dans le cycle de Wilson et expliquer quelles observations permettent de lui attribuer cette étape.

Une équipe de prospection géologique cartographie à l'intérieur d'une masse cratonique continentale une bande linéaire de plusieurs centaines de kilomètres où coexistent :

1. Un alignement de péridotites serpentinisées, de gabbros lités et de laves en coussins encaissés dans des sédiments pélagiques déformés.

2. Des schistes bleus et des éclogites à grenat qui marquent un métamorphisme de haute pression et basse température ($P > 1,5\ \text{GPa}$, $T < 450\ ^\circ\text{C}$).

3. De part et d'autre de cette bande, des roches sédimentaires de plateforme continentale peu profonde avec des fossiles marins paléozoïques appartenant à des provinces biologiques complètement différentes et sans lien entre elles.

1. a) Démontrer, en raisonnant à partir de chacune de ces trois observations, pourquoi cet alignement représente une zone de suture fossile correspondant à la fermeture complète d'un cycle de Wilson (comme dans l'Oural ou les Appalaches) et non une simple fracture intraplaque ou un rift continental naissant.
2. b) Reconstituer la chronologie relative des processus tectoniques qui ont eu lieu dans cette région, en expliquant quelles données supplémentaires (par exemple, la position de restes d'un arc magmatique ou d'un prisme d'accrétion par rapport à la suture) permettraient d'établir la polarité initiale de la subduction, et en analysant le rôle de la flottabilité de la lithosphère dans l'achèvement de l'orogène.

On analyse deux sondages dans la croûte océanique de l'Atlantique nord le long d'un profil perpendiculaire à la dorsale médio-atlantique :

• Sondage A ($600\ \text{km}$ à l'ouest de l'axe) : croûte basaltique datée de $40\ \text{Ma}$, recouverte de $250\ \text{m}$ de sédiments pélagiques.

• Sondage B ($1\,800\ \text{km}$ à l'ouest de l'axe, près de la marge passive nord-américaine) : croûte basaltique datée de $150\ \text{Ma}$, recouverte de $3\,200\ \text{m}$ de sédiments.

Un élève affirme que, comme la croûte en B est presque quatre fois plus vieille qu'en A, le taux d'expansion du bassin a dû quadrupler au cours des $40\ \text{Ma}$ derniers.

1. a) Évaluer de façon critique l'affirmation de l'élève en calculant et en comparant les taux moyens de demi-expansion dans les intervalles $0-40\ \text{Ma}$ et $40-150\ \text{Ma}$. La dynamique d'ouverture est-elle restée à peu près constante ?
2. b) Justifier pourquoi l'épaisseur sédimentaire en B est plus de douze fois supérieure à celle de A (et non proportionnelle à l'âge seul), en la reliant à la subsidence thermique de la lithosphère océanique au fur et à mesure de sa maturation dans le cycle de Wilson.
3. c) Dans la marge B, la lithosphère océanique est déjà plus dense que l'asthénosphère sous-jacente. Pourquoi ne subducte-t-elle pas spontanément et immédiatement ? Expliquer quel seuil mécanique doit être franchi pour passer à la phase de fermeture.

La mer Méditerranée est souvent classée dans le cycle de Wilson comme un bassin en phase de sénescence ou de régression terminale. Pourtant, les données géodynamiques actuelles montrent une contradiction apparente :

1. En Méditerranée orientale persistent des reliques de lithosphère océanique mésozoïque en cours de consommation dans la fosse hellénique.

2. En Méditerranée occidentale (mer Tyrrhénienne et bassin algéro-provençal) existent de petits bassins à croûte océanique très jeune (moins de $10\ \text{Ma}$) et un amincissement lithosphérique actif.

3. La convergence entre l'Afrique et l'Eurasie est très lente (à peine $4-5\ \text{mm/an}$ vers le NO).

1. a) Résoudre le paradoxe apparent : comment l'ouverture de bassins océaniques d'arrière-arc peut-elle coexister avec un contexte global de fermeture et de convergence continentale ?
2. b) Prévoir l'évolution géodynamique de la Méditerranée dans les $50\ \text{Ma}$ à venir : détailler ce qu'il adviendra des reliques océaniques, des bassins marginaux, et quel type d'orogène résultera de la collision finale entre le nord de l'Afrique et le sud de l'Europe.
3. c) Quels types de roches et quelles structures tectoniques s'attendre à trouver dans le futur orogène comme témoins de l'ancien fond océanique et de l'actuel arc volcanique éolien ?

Le profil géologique transversal d'une marge continentale atlantique typique révèle la superposition tectono-stratigraphique suivante :

• À la base, des failles normales listriques qui délimitent des blocs basculés (demi-grabens) remplis de séries continentales rouges (« red beds ») et d'évaporites du Trias supérieur-Jurassique inférieur.

• Au-dessus, scellant les failles et recouvrant en discordance à la fois les blocs continentaux et la croûte océanique basaltique adjacente, se dispose un puissant prisme de sédiments marins silicoclastiques et carbonatés non déformés du Crétacé et du Cénozoïque.

1. a) Déduire à quelles étapes du cycle de Wilson correspondent la séquence sédimentaire basale (« syn-rift ») et la séquence supérieure (« post-rift » ou « drift »), en justifiant quels changements du régime thermique et de l'état de contraintes expliquent cette transition.
2. b) Un modèle géodynamique propose que dans les $30\ \text{Ma}$ à venir, cette marge passive se transforme en marge active par subduction spontanée. Discuter la viabilité mécanique de ce processus : quelles forces résistantes empêchent la rupture lithosphérique et dans quelle zone précise de la marge la plaque a-t-elle le plus de chances de se découpler pour initier une subduction ?
3. c) Prévoir la séquence d'événements tectoniques, magmatiques et métamorphiques que subirait cette marge si une zone de subduction à vergence vers le continent s'installait avant la collision finale.

Dans une coupe transversale des Alpes centrales et occidentales, on identifie trois grands ensembles tectoniques superposés sous forme de nappes de charriage :

1. À la base, des écailles de croûte continentale européenne déformée avec un métamorphisme de pression intermédiaire.

2. Chevauchant la croûte européenne, un complexe de schistes verts, de schistes bleus et d'éclogites avec des péridotites serpentinisées et des métaradiolarites.

3. Au sommet, des chevauchements avec des roches continentales provenant du microcontinent d'Apulie (promontoire africain).

1. a) Interpréter l'origine de l'ensemble intermédiaire : pourquoi coexistent des roches de faciès éclogitique (haute pression et basse température) avec des séquences d'affinité océanique, et quelle étape du cycle de Wilson documentent-elles ?
2. b) Justifier pourquoi il n'existe actuellement pas de volcanisme de subduction actif dans la chaîne alpine (à la différence des Andes), en déduisant à quel moment exact du cycle de Wilson se trouvent aujourd'hui les Alpes.
3. c) Sachant que la lithosphère océanique est dense et tend à s'enfoncer dans le manteau, expliquer par quel mécanisme physique des fragments de l'ancien fond marin de la Téthys ont pu atteindre plus de $3\,000\ \text{m}$ d'altitude dans la chaîne au lieu d'être entièrement subductés.

Sous une chaîne de collision récente de $4\,000\ \text{m}$ d'altitude moyenne, les profils de sismique réfraction situent la discontinuité de Mohorovičić à $65\ \text{km}$ de profondeur. Dans le craton adjacent non déformé, le Moho se trouve à $35\ \text{km}$ et le relief est au niveau de la mer. Considérer des densités moyennes constantes de $\rho_c = 2\,700\ \text{kg/m}^3$ pour la croûte et de $\rho_m = 3\,300\ \text{kg/m}^3$ pour le manteau lithosphérique.

1. a) Appliquer le principe d'isostasie d'Airy pour vérifier si la chaîne est en équilibre isostatique. Calculer analytiquement quelle racine crustale ($r$) nécessiterait un relief de $4\,000\ \text{m}$ et comparer l'épaisseur crustale théorique totale avec celle observée par sismique.
2. b) Pendant les $40\ \text{Ma}$ suivants, l'érosion enlève une épaisseur de roche superficielle de $3\,000\ \text{m}$. En considérant uniquement la réponse isostatique d'Airy à cette décharge, sans inclure le réajustement de l'excès de racine détecté à la première question, démontrer pourquoi la chaîne ne perdra pas $3\,000\ \text{m}$ d'altitude moyenne : calculer la valeur du rebond isostatique compensateur et l'altitude finale obtenue.
3. c) Expliquer quelles conséquences pétrologiques et structurales ce processus a à très long terme sur la racine orogénique : quelles roches et quels faciès métamorphiques affleureront lorsque la chaîne sera réduite à une pénéplaine ?

Un navire océanographique enregistre des anomalies magnétiques et des profils bathymétriques le long d'un transect de $900\ \text{km}$ depuis une dorsale océanique jusqu'au talus continental d'un bassin sans fosses océaniques. Les données révèlent :

1. Le taux moyen de demi-expansion à la dorsale a été constant et égal à $1,5\ \text{cm/an}$.

2. À $900\ \text{km}$ de l'axe, la lithosphère océanique a un âge calculé et une épaisseur thermique de $90\ \text{km}$, après s'être refroidie jusqu'à acquérir une densité supérieure à celle de l'asthénosphère sous-jacente.

3. Le contact entre la croûte océanique et la croûte continentale ne présente ni sismicité ni déformation par cisaillement.

1. a) Calculer l'âge de la croûte au contact et déduire à quelle étape du cycle de Wilson se trouve le bassin, en justifiant pourquoi l'absence de fosses ne contredit pas le fait que la lithosphère océanique soit déjà gravitairement instable.
2. b) Supposer que des contraintes compressives intraplaques provoquent la rupture de la marge et le début de la subduction. Prévoir les changements successifs qui seront enregistrés dans la bathymétrie de la marge, dans le régime thermique et dans le style de déformation de la croûte continentale adjacente.
3. c) Comment variera la vitesse nette de déplacement de la plaque océanique à partir du moment où l'extrémité lithosphérique froide pénétrera profondément dans l'asthénosphère ? Justifier en comparant les forces de poussée à la dorsale (« ridge push ») et de traction de la plaque (« slab pull »).

Comparer deux secteurs convergents de la marge de l'océan Pacifique :

• Secteur A (fosse des Mariannes) : subduction de lithosphère océanique jurassique ($\approx 160\ \text{Ma}$) ; fosse proche de $11\,000\ \text{m}$ ; angle du plan de Benioff $>70^\circ$ ; sismicité de couplage modérée et bassin d'arrière-arc en extension active avec lithosphère océanique nouvelle.

• Secteur B (fosse du Chili central) : subduction de lithosphère océanique miocène ($\approx 20\ \text{Ma}$) ; fosse de $8\,000\ \text{m}$ ; angle de Benioff de $20^\circ-30^\circ$ ; mégaséismes de contact interplaque et orogène continental élevé en forte compression.

1. a) Justifier comment l'âge et la densité thermique de la plaque qui subducte déterminent les différences d'angle du plan de Benioff, de profondeur de la fosse et de régime tectonique de l'arrière-arc entre les deux secteurs.
2. b) Expliquer le mécanisme thermodynamique exact qui déclenche la fusion partielle dans le manteau supérieur sous l'arc insulaire des Mariannes, en réfutant l'idée erronée selon laquelle « le magma provient de la fusion par frottement de la croûte océanique qui subducte ».
3. c) À partir du bilan entre la création de lithosphère aux dorsales pacifiques et sa destruction aux limites convergentes qui le bordent, justifier pourquoi le Pacifique illustre l'étape de fermeture (déclin) du cycle de Wilson et prévoir la réorganisation paléogéographique globale lorsque son bassin sera consommé.