force de poussée aux dorsales

Géologie
MailMan
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force de poussée aux dorsales

Messagepar MailMan » 11 févr. 2012, 09:44

Bonjour,

les foces de poussée aux dosales seraient ("seraient" ou "sont" ?) dûes à la gravité qui s'exerce sur l'intumescence thermique de la lithosphère océanique. Et si mes souvenirs sont bons, certains estime que cette poussée fournit 10% de la force nécessaire aux déplcements horizontaux. Ca ce sont mes souvenirs d'université mais je me souviens aussi que cela ne faisait pa l'unanimité des professeurs.

Aujourd'hui existe t'il un bilan, même très approximatif, des forces qui font se déplacer notre lithosphère ? Force de poussée aux dorsales, forces de "slab pull", friction ou forces de frottement exercées par la LVZ et d'autres ?

Georges CEULENEER
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Re: force de poussée aux dorsales

Messagepar Georges CEULENEER » 19 févr. 2012, 09:53

Bonjour,

Nous sommes manifestement de la même génération car votre question me rappelle bien des souvenirs de cours et TD du début des années 1980. C'était avec le professeur Frank Richter, de l'université de Chicago, qui était venu passer quelques mois à la fac d'Orsay. Il s'avère que Frank Richter, avec d'autres chercheurs de l'époque comme Turcotte et Schubert, auteurs d'un célèbre traité de géodynamique, fut à l'origine de cette approche quantitative et très "ingéniérie" de l'étude de la tectonique des plaques. Il introduisit ces notions de slab pull, ridge push et autre basal drag que vous évoquez... Ces notions ont beaucoup vieilli. Aujourd'hui, on ne traite plus la lithosphère comme une poutre élastique ou rigide-plastique posée sur un fluide plus ou moins visqueux, dans un espace à deux dimensions (celui de nos feuilles de TD...). Les progrès de la modélisation mathématique permettent d'intégrer la lithosphère dans le contexte plus général de la convection mantellique. Dans les modèles 3-D de convection, la lithosphère est une des couches limites thermiques du système convectif. Pour une illustration, je vous renvoie aux dossiers de La Recherche n°25 de novembre 2006, qui comporte un article sur la production des magmas et la convection dans la Terre, avec une illustration d'un modèle convectif 3D dû à mon collègue Marc Monnereau.

Pour répondre à votre question, concernant le bilan des forces, on considère qu'en effet le slab pull est le moteur essentiel de la tectonique des plaques. En termes plus modernes, on dit que l'organisation de la convection mantellique est gouvernée par les courants descendants, cad la plongée des plaques froides. Autrement dit, la convection mantellique est essentiellement mue par un chauffage interne diffus (dû à la désintégration des éléments radioactifs dispersés dans le manteau) et par le refroidissement en surface. Le chauffage par le bas (transfert de la chaleur du noyau, héritée de l'accrétion de notre planète il y a 4,5 milliards d'années, vers le manteau) serait une composante mineure (mais c'est un question encore très discutée par les spécialistes). Les dorsales océaniques semblent des structures relativement passives, des zones de déchirures géométriquement nécessaires mais pas directement liées à la géométrie convective générale, comme le sont les zones de subduction, et peut-être les points chauds.

Philippe COSENTINO
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Re: force de poussée aux dorsales

Messagepar Philippe COSENTINO » 19 févr. 2012, 10:12

Résumé très intéressant et très synthétique !

jjanin
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Re: force de poussée aux dorsales

Messagepar jjanin » 19 févr. 2012, 11:46

Oui, le problème est que chronologiquement on enseigne d'abord ce qui se passe au niveau des dorsales et ensuite ce qui se passe au niveau des zones de subduction.
Du coup on a tendance à utiliser l'argument du globe à circonférence fixe (il faut bien que l'ouverture océanique soit "compensée" quelque part) et on arrive à introduire les zones de subduction. Mais dans l'esprit des élèves, ce raccourci fait germer l'idée que la subduction est une conséquence de l'accrétion.
Cette année en 1S, je n'ai pas réussi à organiser mon cours pour éviter cet écueil car je ne l'avais pas anticipé. Comment faire ?
JJ

Frederic Labaune
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Re: force de poussée aux dorsales

Messagepar Frederic Labaune » 19 févr. 2012, 12:26

Oui, on est encore à l'ouverture des océans avant de les fermer, mais nous sommes dans un contexte de démarche historique.
Il est clairement indiqué depuis quelques années sur le site de "Planète Terre" (ENS de Lyon) que c'est la subduction qui est le moteur principal du mouvement des plaques (et ce qui se passe dans le manteau, suit).
Les nouveaux programmes sont d'ores et déjà obsolètes vis à vis de la représentation de ce qui se passe dans le manteau, mais à notre niveau, à celui des lycéens, est-ce important ? est-ce abordable ?

Pour ma part, j'ai amené la notion de lithosphère en m'attardant sur les zones de subduction (comportement cassant, anomalie thermique...) et j'en ai profité pour dire que cette plaque qui plongeait, tirait tout le reste.
Ces tensions finissent par étirer d'autres lithosphères, les amincir (montée de matériel asthénosphèrique) et à l'aide de points chauds (systèmatiques ?), on assiste à des ouvertures d'océans (mise en place de plancher océanique)
Les détails du rifting ne sont plus vraiment au programme (si j'ai bien compris), mais la mise en place du plancher océanique (magmatisme des zones de dorsale - épaississement de la lithosphère océanique, augmentation de densité...) est traitée.

(bon, nous sommes dans un topic où à l'origine seul Mr Ceuleneer devait répondre... il me semble)
Fred SVT inside

Georges CEULENEER
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Re: force de poussée aux dorsales

Messagepar Georges CEULENEER » 19 févr. 2012, 13:50

Cet échange est vraiment intéressant, tant sur le plan scientifique (n'allez surtout pas croire que tout est compris concernant la tectonique des plaques) que sur le plan pédagogique, et je vous en remercie. C'est vrai qu'historiquement, la compréhension de ce qu'on appelait "l'expansion des fonds océaniques" a précédé quelque peu celle de la subduction, et qu'on a plus ou moins inconsciemment voulu tout expliquer par le fonctionnement des seules dorsales, et donc confondu les causes et les effets (les dorsales et la création des océans sont, selon le paradigme actuel, une conséquence et non la cause de la tectonique des plaques). Sur le plan scientifique, les choses évoluent assez vite car les images de tomographie sismique du manteau n'arrêtent pas de gagner en résolution. Ce gain en résolution résulte du fait que l'on traite le signal de façon de plus en plus sophistiquée (en particulier en intégrant les phénomènes de dispersion anélastique, d'anisotropie, etc...), parce que les capacités de calcul des ordinateurs ne cessent de croître, et puis tout simplement ... parce que de nouveaux séismes viennent accroître nos bases de données. Rappelez-vous qu'à l'origine, la subduction fut introduite du fait de l'existence des plans de Bénioff (approfondissement des foyers des séismes). On n'avait jamais vu de plaque plongeante! Actuellement, on visualise très bien certaines d'entre elles (et plus seulement de plan de Bénioff). La visualisation des zones chaudes (et donc des courants montants) est plus ardue, les contrastes de vitesse étant moins importants. Mais il semble bien qu'il n'y ait point systématiquement de racines à faible vitesse (chaudes et/ou partiellement fondues?) sous les dorsales alors que de telles racines sont observées sous la plupart des points chauds. Cela est cohérent avec le fait que les dorsales sont des zones très mobiles. Par exemple, si l'on considère en première approximation que l'Eurasie et l'Afrique sont fixes dans un référentiel point chaud, cela implique de les Amériques ont une vitesse de dérive "absolue" de l'ordre de 3 cm/an vers l'ouest... et donc que la dorsale Medio-Atlantique se déplace vers l'ouest d'environ 1,5 cm/an... puisqu'elle reste au milieu de l'océan, et qu'elle n'est donc pas enracinée au niveau d'une zone chaude du manteau. L'Islande sera bientôt un point chaud hors-axe, comme les Açores...

Sur le plan pédagogique, je vous conseille, plutôt que d'introduire séparément les dorsales et les zones de subduction, de commencer vos cours par une réflexion générale sur la convection dans le manteau. Des principes très simples: la terre est chaude pour deux raisons: elle n'a pas encore évacué la chaleur emprisonnée lors de la genèse de la planète (radioactivité plus importante, chaleur résultant de la compression de la nébuleuse protoplanétaire, des chocs entre planétésimaux,...). Cette chaleur a servi a faire la première grand différenciation planétaire cad la formation du noyau. Ce noyau s'est retrouvé isolé par le manteau, c'est pour cela qu'il se refroidit si lentement... de l'ordre d'une centaine de degrés par milliard d'années.... Pourquoi la terre se refroidit-elle, au fait? Et bien tout simplement pour se mettre en équilibre avec la température extérieure, celle qui règne à l'ombre sur la Lune, de l'ordre de -100°C si je me souviens bien (à vérifier!). En plus d'être chauffée par le bas (évacuation de la chaleur du noyau), le manteau est chauffé par l'intérieur (radioactivité). En fait on croit que c'est cette deuxième source de chaleur qui domine, mais la proportion de chauffage par le bas et de chauffage interne reste une des grandes inconnues de la géophysique. Une façon de le faire réaliser aux élèves, c'est l'incertitude sur la température à l'interface noyau/manteau (les hypothèses vont de 3000°C à 6000°C). S'il y a beaucoup de chauffage par le bas, cette interface est chaude. Les données expérimentales sur les transformations de phase et la fusion des roches à très haute pression privilégient plutôt la fourchette froide. La conduction de la chaleur étant très lente dans les roches, il est plus efficace pour le manteau d'évacuer la chaleur en se mettant à fluer, cad que ce sont les roches elles-même qui, en convectant, transportent la chaleur vers le haut et renouvellent en permanence l'interface entre la profondeur de la terre et l'univers qu'est la lithosphère (c'est l'expansion des fonds océaniques). Quand le moteur de la convection est le refroidissement par le haut, ce qui structure la convection c'est la plongée des courants froids, comme dans le bol de chocolat chaud le matin, ou dans le bol de soupe miso au resto japonais où l'on voit se dessiner des formes plus ou moins hexagonales.

Ensuite, c'est toujours bien pour les élèves de savoir comment la science s'est construite, cad de raconter l'histoire des découvertes, mais il faut dans ce cas là bien leur dire qu'on n'est pas dans la logique pure, mais dans la démarche historique, avec tout ce que cela comporte d'errance, de tâtonnement, de modèles qui ont précédé l'acquisition de certaines données... cad de choses qui étaient logiques dans leur contexte et ne le sont plus...

Frederic Labaune
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Re: force de poussée aux dorsales

Messagepar Frederic Labaune » 19 févr. 2012, 14:23

Bonjour.

Merci pour cette intervention supplémentaire.

Georges CEULENEER a écrit :... En plus d'être chauffée par le bas (évacuation de la chaleur du noyau), le manteau est chauffé par l'intérieur (radioactivité). En fait on croit que c'est cette deuxième source de chaleur qui domine, mais la proportion de chauffage par le bas et de chauffage interne reste une des grandes inconnues de la géophysique.


J'aurais tendance à dire - mais je n'y connais pas grand chose - que le noyau ne produit pas plus de chaleur que le manteau (voire même qu'il n'en produit plus car "pauvre" en éléments radioactifs - il reste chaud car sa chaleur initiale ne s'est pas encore totalement évacuée... comme quoi, la convection n'est pas si efficace... normal, on fait ça avec des mouvements solides). Un indicateur de production de chaleur par le noyau serait un "saut" dans le gradient de température quand on passe du manteau au noyau (j'ai bon ? :? )
En tout cas, je répugne à montrer la convection dans le manteau en prenant un bécher d'eau que l'on ferait chauffer par le bas, à montrer la convection dans un liquide (au besoin, avec des particules de thé... j'ai vu faire)
J'ai aussi du mal à sortir le modèle huile colorée, chauffée avec une bougie, qui monte dans une huile incolore... je fais manipuler les élèves... mais ça induit inévitablement des représentations fausses d'un liquide dans le manteau :(
(je sors ce modèle pour illustrer les panaches mantelliques à l'origine de points chauds)
En fait, il faudrait trouver des modèles "solides", uniformément chauds (chaleur produite in situ, dans le manteau) et refroidir la surface, en espérant que cette surface froide, ayant une certaine épaisseur, se décide à plonger dans le solide qui est en dessous -> c'est pas gagné.
Au moins, on pourrait, comme vous le suggérez, montrer une convection en refroidissant la surface d'un liquide (j'aime bien l'idée du chocolat chaux et des structures hexagonales qui se forment à sa surface - bon... c'est un peu opaque... mais c'est à creuser)
Fred SVT inside

Georges CEULENEER
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Re: force de poussée aux dorsales

Messagepar Georges CEULENEER » 26 févr. 2012, 22:39

Vous avez raison, le noyau est probablement très pauvre en éléments radioactifs et la chaleur qui en émane est une chaleur fossile héritée de l'accrétion initiale de la planète. Vous avez également raison quant-au manque d'efficacité de la convection à l'état solide (tout cela se chiffre très précisément, mais cela nous entraînerait un peu loin dans les considérations théoriques). N'oubliez pas cependant que le noyau externe est liquide et que la convection doit y être particulièrement efficace (elle serait entre autre responsable du champ magnétique).

Votre question:

"Un indicateur de production de chaleur par le noyau serait un "saut" dans le gradient de température quand on passe du manteau au noyau (j'ai bon ? :? )"


Oui vous avez bon, l'interface entre le noyau et le manteau peut-être considérée comme imperméable, donc chaque domaine (le noyau et le manteau) peuvent convecter de façon indépendante avec chacun son propre régime thermique.Sachant qu'entre ces deux domaines en convection (le fer-nickel liquide du noyau et la roche du manteau) il y aura toujours une couche limite thermique, sorte de zone de transition d'épaisseur non nulle, donc ce que vous décrivez comme un saut sera malgré tout quelque peu progressif. L'épaisseur de cette couche limite est proportionnelle à la viscosité du fluide, donc, côté noyau (fluide liquide très peu visqueux) la couche limite peut être très fine (quelques km) alors que côté manteau (fluide solide très visqueux) le couche limite sera beaucoup plus épaisse (plutôt de l'ordre de la centaine de km).

Enfin, vous avez raison, il est très difficile de monter, pour les élèves, une manip à la fois pédagogique et aussi proche de la réalité (enfin, de ce qu'on imagine être la réalité) que possible. Les difficultés sont en particulier de respecter ce qu'on appelle les facteurs d'échelle. Si vous réduisez la taille du manteau à celle d'une cuve de quelques mètres de haut, il faudra changer les autres paramètres. Respecter les facteurs d'échelle, c'est une chose qu'un enfant qui joue aux petites voitures fait d'instinct: par exemple s'il veut simuler la chute d'une voiture dans un ravin, il ne va pas laisser tomber la voiture de la table du salon cela va beaucoup trop vite, il va retenir la voiture et faire en sorte que la chute soit beaucoup plus lente. Pour en revenir à la convection dans le manteau terrestre, en termes techniques, il faut que le nombre de Prandtl soit le même dans la nature et dans votre modèle réduit. Le nombre de Prandtl est un nombre sans dimension qui décrit le rapport entre la diffusivité de la quantité de mouvement et la diffusivité thermique. Au plus il est grand, au plus la convection sera efficace. Entre autres paramètres importants qui entrent dans la définition du nombre de Prandtl, il y a la viscosité du fluide et la dimension du domaine convectif. Au plus la viscosité est faible, au plus la diffusion de la quantité de mouvement est efficace (au plus la convection "a de la pèche"). Le nombre de Prandlt dépend du cube de la dimension du domaine convectif. Au plus le domaine est grand, au plus l'évacuation de chaleur par advection (diffusivité de la quantité de mouvement) est efficace par rapport à l'évacuation de chaleur par conduction (diffusivité thermique). Donc, si vous simulez la convection dans une cuve de 3 m, par rapport au manteau épais de 3 km, il faudra utiliser un fluide un milliard de fois moins visqueux que la péridotite proche de son point de fusion. Le miel fera très bien l'affaire. Pour compliquer les choses, bien entendu, il y a tout le détail des lois de fluages, qui ne sont pas franchement identiques entre la roche et le miel... bref de quoi alimenter des sujets de recherche pour des générations de thésards...


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