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Croûte océanique plongeant sous une plaque continentale

Définition

La subduction est l'un des phénomènes tectoniques majeurs, engendré par le phénomène de convergence lithosphérique, à la surface de la Terre: elle est à l'origine de la majorité des séismes, des éruptions volcaniques les plus destructrices, et des reliefs les plus spectaculaires.

La subduction est le processus d'enfoncemet d'une plaque tectonique sous une autre plaque tectonique de densité plus faible. On parle de subduction dans le cas d'une plaque océanique s'enfonçant sous une plaque continentale, ou sous une autre plaque océanique plus récente.

Les marqueurs de la subduction

Les reliefs positifs

Les arcs magmatiques

À l'arrière d'une zone de subduction intra-océanique, on observe des arcs insulaires magmatiques. Ils correspondent à des massifs exclusivement volcaniques et d'altitude modeste, soit environ 2 000 mètres, comme les Antilles.

Les chaînes de montagnes du type Cordillère

Dans le cas d'une subduction océan/continent, on trouve les plus grands dénivelés de la planète (15 km entre la fosse et la cordillère)

Les prismes d'accrétion

Certaines fosses de subduction sont comblées par un prisme d'accrétion sédimentaire. C’est un corps sédimentaire qui se forme par décollement et déformation des sédiments de la plaque en subduction lors du frottement de la plaque qui reste en surface. Dans certaines fosses, la masse de sédiments est insuffisante pour former un prisme car la plaque de subduction plonge très brutalement.

Les reliefs négatifs

Les fosses

Le plongement de la plaque peut s'effectuer grâce à une flexure de la lithosphère qui crée une dépression en surface appelé fosse de subduction (entre 8 et 10 km)

Les bassins d'arrière arc

Il s'agit de cuvettes que l’on observe parfois derrière les îles volcaniques.

Les marqueurs géologiques

L'activité sismique

Les zones de subduction concentrent la majeure partie de l'activité sismique sur la Terre. Ce sont des séismes superficiels dont la profondeur du foyer est inférieure à 100 km. Les séismes plus profonds ont une caractéristique remarquable. En effet, la profondeur de leur foyer augmente lorsque l’on s'éloigne de la plaque océanique subduite. Ces séismes se produisent le long d'une surface bien délimité, le plan de Bénioff, qui se raccorde à la plaque plongeante.

Les anomalies thermiques et gravimétriques

Le long d'une zone de subduction, la mesure de la quantité de chaleur qui sort de la terre (flux thermique) montre deux anomalies, l'une négative au niveau de la fosse de subduction, et l'autre positive au niveau de l'arc volcanique: la plaque en subduction s'enfonce plus vite qu'elle ne s'échauffe dans le manteau. À ce matériel froid correspond un faible flux thermique. L'anomalie positive au niveau de l'arc volcanique traduit une remontée de matériaux chauds.

L'activité magmatique

On trouve des chaînes de volcans actifs là où le plan de Bénioff atteint 150 km. Les éruptions de ces volcans ont un dynamisme explosif. Ce type d'éruption est typique des laves riches en eau. Les roches volcaniques engendrées par ce volcanisme sont essentiellement les andésites et les rhyolites.

• Rhyolite :Roche volcanique, riche en silice, qui accompagne les andésites dans certaines zones de subduction. Elle possède une composition proche du granite

Composants minéraux : quartz, feldspaths potassique, plagioclase, minéraux ferromagnésiens hydroxylés (la biotite et l'amphibole).

• Andésite : Roche volcanique contenant des plagioclases et des amphiboles, caractéristiques du magmatisme associé à la subduction.

Composants minéraux : plagioclase, biotite, amphibole et pyroxène.

On trouve aussi des roches plutoniques à structure grenue résultant de la solidification lente du magma en profondeur. Ces roches appartiennent à la famille des granitoïdes.
Minéraux caractéristiques : quartz, plagioclase, biotite et amphibole

Si le magmatisme des dorsales engendre la croûte océanique, celui des zones de subduction engendre des roches dont la composition se rapproche de la croûte continentale.

Les déformations de la lithosphère

La subduction entraîne des déformations de la plaque chevauchante. Ces déformations sont différentes suivant les caractéristiques de la zone de subduction. Au niveau des zones de subduction océanique/continentale, la plongée d'une lithosphère assez jeune, c'est-à-dire peu dense, avec un pendage assez faible conduit à la formation de chaînes de montagnes très élevées, par raccourcissement de la croûte de la plaque chevauchante. Au niveau d'une zone de subduction océanique/océanique, la lithosphère de la plaque subduite plonge avec un fort pendage et déclenche la formation d’un bassin d'arrière arc. Le phénomène de subduction peut également entrainer la formation d’un prisme d'accrétion, qui est rare dans les zones de subductions à fort pendage, entre la fosse et l'arc insulaire.

Le moteur de la subduction

La lithosphère océanique formée à la dorsale est peu épaisse et chaude. En s'éloignant de la dorsale, elle se refroidit par conduction tout comme l'asthénosphère, située en dessous. Sachant que la limite entre l'asthénosphère et la lithosphère n'est que physique (puisque la lithosphère est plus rigide que l'asthénosphère), la partie supérieure du manteau asthénosphérique devient du manteau lithosphérique.
La lithosphère océanique, en s'éloignant de la dorsale, s'épaissit au dépends de l'asthénosphère.Tout matériau soumis à un refroidissement voit sa densité augmenter, ainsi le manteau lithosphérique est plus dense que le manteau asthénosphérique.
Une lithosphère âgée, donc épaisse et grande, s'enfonce spontanément dans l'asthénosphère. Cette force de traction liée à l'enfoncement de la lithosphère océanique est le moteur essentiel du mouvement des plaques.

Le métamorphisme de la lithosphère océanique

Le métamorphisme de la lithosphère océanique repose sur la présence de minéraux hydroxylés (surtout la croûte) dans la lithosphère qui rentre en subduction. Leur présence s'explique si on remonte l'histoire de la lithosphère océanique jusqu'à la naissance de la dorsale.

1. La croûte formée par refroidissement du magma émis aux dorsales est soumise à des forces extensives et se fracture. Il se produit alors une augmentation de la circulation de l'eau de mer. Les gabbros de la croûte sont encore à une température élevée (entre 600 et 800 °C). Dans ces conditions, des réactions à l'état solide ont lieu entre les minéraux du gabbro et l'eau de mer.

Pyroxène + plagioclases +

Début d’une formule chimique

H₂O

Fin d’une formule chimique

==> Amphibole

La fabrication de nouveaux minéraux pour la recristallisation à l'état solide porte le nom de métamorphisme. On parle ici de métamorphisme hydrothermal (lié à la circulation de l'eau) de haute température et de basse pression. Les gabbros sont devenus des métagabbros hydroxylés. La réaction de métamorphisme est généralement incomplète, la nouvelle roche formée contient des minéraux incomplètement transformés et le nouveau minéral est un métagabbro à amphibole (ou schiste vert).

1. En s'éloignant de la dorsale, la croûte terrestre se refroidit. Il se forme de nouveaux minéraux hydroxylés, la chlorite et l'actinote. Les roches nouvellement formées sont donc des métagabbros à chlorite et actinote (ou schiste vert). La réaction est donc :

Plagioclases + amphibole +

Début d’une formule chimique

H₂O

Fin d’une formule chimique

==> chlorite + actinote

1. En plongeant dans le manteau, la lithosphère subduite se réchauffe lentement pendant sa progression mais subit surtout des pression de plus en plus forte. Les minéraux des métagabbros sont de nouveau en état instable. Il s'effectue un nouveau métamorphisme dit de haute pression et de basse température. De nouveau minéraux apparaissent : une amphibole bleue (ou glaucophane ou schiste bleue) puis le métagabbro devient une éclogite, qui est une roche formée par l'association de deux minéraux anhydres que sont le grenat (de couleur rouge) et la jadéite (de couleur verte). Ainsi, les réactions de métamorphisme affectant la croûte subduite libère de l'eau préalablement apportée aux minéraux grâce au métamorphisme hydrothermal.

Le magmatisme associé au phénomène de subduction

À mesure que la plaque plonge dans le manteau, sa pression augmente et l'eau contenue dans la croûte océanique a tendance à s'échapper par deux phénomènes :

• À partir de 50 km de profondeur, l'eau devient de la vapeur qui hydrate le manteau chevauchant
• Vers 100 km de profondeur, les réactions de métamorphismes conduisent à la déshydratation des minéraux, notamment vers le passage du schiste bleu vers l'éclogite.

L'addition d'eau dans le manteau de la plaque chevauchante a pour effet d'abaisser la température de fusion et cela pour toutes les pressions. Le magma produit est moins dense que le manteau, qui lui a donné naissance. Il peut donc migrer vers la surface.