Les chaînes de montagnes récentes et la tectonique des plaques

1. Qu'est-ce qu'une chaîne de montagnes récente ?

Une chaîne de montagnes (ou orogène) est une zone de reliefs élevés, longue et étroite, formée par une déformation intense de la lithosphère. Les chaînes récentes (Alpes, Himalaya, Andes...) se sont formées pendant les dernières dizaines de millions d'années. Elles sont encore actives : on y enregistre des séismes et leurs reliefs sont encore jeunes, peu usés par l'érosion, contrairement aux chaînes très anciennes.

Elles se trouvent aux limites de plaques convergentes, c'est-à-dire là où deux plaques se rapprochent. Ce qui se passe dépend de la nature des lithosphères qui se rencontrent :

• la lithosphère océanique est refroidie et dense : en vieillissant, elle devient plus dense que l'asthénosphère sous-jacente et peut s'enfoncer dans le manteau (c'est la subduction) ;
• la lithosphère continentale contient une croûte légère (densité voisine de 2,7) : elle flotte et ne s'enfonce pas facilement dans le manteau.

2. Les chaînes de subduction (type andin)

Le long de la côte ouest de l'Amérique du Sud, la lithosphère océanique de la plaque Nazca plonge sous la plaque Amérique du Sud. Cette marge active présente un ensemble de caractères :

• une fosse océanique très profonde (jusqu'à environ 8 km sous le niveau de la mer), qui marque l'endroit où la plaque plonge ;
• un plan de Benioff : les foyers des séismes s'alignent sur un plan incliné, de la fosse vers le continent, de plus en plus profonds (jusqu'à environ 700 km). Ce plan dessine la lithosphère plongeante ;
• un volcanisme explosif, de type andésitique, organisé en arc (arc volcanique) à une certaine distance de la fosse ;
• des granitoïdes (granodiorites, diorites) qui cristallisent en profondeur et forment de grands massifs (batholites) ;
• un prisme d'accrétion (sédiments raclés et empilés devant la plaque chevauchante) et un métamorphisme de haute pression et basse température dans la plaque plongeante (schistes bleus, éclogites) ;
• une compression de la plaque chevauchante : plis, failles inverses, épaississement crustal (la croûte atteint 60 à 70 km sous les hautes Andes centrales).

3. Les chaînes de collision (Alpes, Himalaya)

Une chaîne de collision naît de la fermeture d'un océan. Les étapes sont les suivantes :

1. Ouverture d'un océan par écartement de deux continents (rift, puis dorsale) ;
2. Subduction de la lithosphère océanique sous l'un des continents (marge active), ce qui rapproche les deux continents ;
3. Fermeture de l'océan : les deux continents se rencontrent. La croûte continentale, légère, résiste à l'enfoncement dans le manteau : la convergence se poursuit par raccourcissement et épaississement de la croûte ;
4. Relief élevé, puis démantèlement par l'érosion (les débris sont déposés dans les bassins voisins).

La collision Inde-Eurasie en est un exemple : elle a commencé il y a environ 50 Ma, et l'Inde continue d'avancer vers le nord à quelques centimètres par an (environ 4 à 5 cm/an). Les Alpes résultent de la fermeture de l'océan alpin (une branche de la Téthys) entre les continents européen et africain.

Les indices d'une chaîne de collision sont :

• une zone de suture, étroite bande qui marque l'ancien océan et qui contient des ophiolites ;
• des déformations de compression : plis, failles inverses, chevauchements, nappes de charriage ;
• un épaississement crustal : le Moho est très profond (environ 50 à 55 km sous les Alpes, jusqu'à 70 km et plus sous l'Himalaya et le Tibet, contre environ 30 à 35 km pour une croûte continentale normale) : c'est la racine crustale ;
• une anomalie de Bouguer négative : la croûte épaissie, moins dense que le manteau qu'elle remplace, crée un déficit de masse ;
• un métamorphisme régional (haute pression au début, puis haute température) et des granites d'anatexie (voir les chapitres suivants) ;
• des séismes plutôt superficiels, sans plan de Benioff profond, et pas de volcanisme actif lié à la chaîne.

4. Les indices tectoniques de la compression

Une roche soumise à des forces se déforme. Selon les conditions (température, pression, vitesse de déformation, nature de la roche), la déformation est ductile (la roche se plie sans se casser) ou cassante (elle se rompt).

Les plis. Un pli est une ondulation des couches. Un anticlinal est un pli en voûte : les couches les plus anciennes sont au cœur. Un synclinal est un pli en creux : les couches les plus récentes sont au cœur (si la série n'est pas renversée). Selon l'inclinaison du plan axial, on distingue les plis droits, déjetés (ou déversés) et couchés. Plus la compression est forte, plus les plis sont serrés et couchés.

Les failles. Une faille est une cassure le long de laquelle les deux blocs ont glissé l'un par rapport à l'autre.

Un chevauchement est une faille inverse à faible pendage, avec un déplacement important : un ensemble rocheux est poussé sur un autre.

Comment reconnaître une nappe ? Par un contact anormal où des terrains plus anciens recouvrent des terrains plus récents, ce qui contredit l'ordre normal des couches (les plus anciennes sont en bas). L'érosion peut aussi découper la nappe :

• une fenêtre est un endroit où l'érosion a percé la nappe et laisse voir l'autochtone, entouré par la nappe ;
• une klippe est un lambeau isolé de la nappe, entouré par l'autochtone.

Mesurer le raccourcissement. On « déplie » une couche plissée (ou on retire les déplacements le long des failles) pour trouver sa longueur initiale $L_0$. Si sa longueur actuelle est $L$ :

5. Les ophiolites, témoins d'un océan disparu

La séquence complète, de haut en bas, est la suivante :

Cette séquence est celle de la lithosphère océanique formée à une dorsale (croûte d'environ 7 km d'épaisseur). Retrouvée sur un continent, elle prouve qu'un océan a existé dans la région.

6. Les chaînes d'obduction

Le résultat est une nappe ophiolitique étendue, posée sur des terrains continentaux (par exemple les sédiments d'une marge continentale). Les exemples classiques sont la nappe ophiolitique d'Oman et celle de Nouvelle-Calédonie. Contrairement à une chaîne de collision, la croûte continentale n'est pas fortement épaissie et il n'y a pas de volcanisme associé. Le mécanisme exact de l'obduction fait encore l'objet de discussions ; on retient le résultat : un océan est en partie conservé sur le continent.

7. Synthèse comparative

Méthode 1 : Identifier le type de chaîne à partir d'indices

1. Cherche d'abord les séismes et le volcanisme : un plan de Benioff profond et un arc volcanique andésitique indiquent une subduction.
2. Cherche ensuite la suture : ophiolites en lambeaux, nappes, racine crustale, anomalie de Bouguer négative indiquent une collision.
3. Une grande nappe d'ophiolite posée sur une marge continentale sans racine épaisse indique une obduction.
4. Conclus en citant au moins deux indices et le mouvement des plaques.

Exemple. Fosse de 8 km, séismes jusqu'à 600 km, andésites : subduction. Ophiolites alignées et croûte de 55 km : collision.

Méthode 2 : Lire un document de tectonique (plis, failles, nappes)

1. Décris ce que tu vois : forme des couches (pli ?), plan de cassure (faille ?), âges des terrains.
2. Compare l'ordre des âges avec l'ordre normal : si des terrains anciens recouvrent des terrains récents, le contact est anormal.
3. Déduis le type de contrainte : plis et failles inverses signifient compression ; failles normales signifient extension.
4. Conclus : raccourcissement, nappe, collision...

Exemple. Des calcaires de 240 Ma reposent sur des marnes de 45 Ma par un contact presque horizontal : c'est un contact anormal, qui évoque une nappe de charriage (à confirmer avec d'autres documents).

Méthode 3 : Calculer un raccourcissement ou une vitesse

1. Écris la formule : raccourcissement $= L_0 - L$, taux $= (L_0 - L)/L_0$.
2. Pour une vitesse, utilise $v = \text{distance} / \text{durée}$ et convertis : 1 cm/an = 10 km/Ma et 1 mm/an = 1 km/Ma.
3. Vérifie l'ordre de grandeur : une vitesse de collision se compte en cm/an, un raccourcissement local en mm/an.

Exemple. 36 km en 18 Ma : $36 / 18 = 2$ km/Ma, soit 2 mm/an.

Méthode 4 : Dater un événement par encadrement

1. Cherche le terrain le plus récent affecté par l'événement : l'événement est plus récent que lui.
2. Cherche le terrain le plus ancien non affecté (qui le recouvre en discordance, sans déformation) : l'événement est plus ancien que lui.
3. L'événement est donc compris entre ces deux âges ; la durée maximale est leur différence.

Méthode 5 : Exploiter un document, rédiger la réponse

1. Pour décrire, cite les valeurs avec leurs unités et dis comment elles varient (augmentent, diminuent, restent constantes).
2. Pour comparer, mets en regard deux ensembles de valeurs avec les mêmes unités.
3. Pour déduire, écris « donc » et relie la donnée à la conclusion en une phrase.
4. Pour expliquer, fais appel à tes connaissances (subduction, épaississement...) et termine par une phrase de synthèse.

• Confondre subduction et collision : la subduction s'accompagne d'un plan de Benioff profond et d'un volcanisme d'arc ; la collision n'a ni l'un ni l'autre. Cite toujours au moins deux indices.
• Dire que la lithosphère continentale s'enfonce comme l'océanique : elle est légère et résiste à l'enfoncement. Au lieu de plonger, la croûte se raccourcit et s'épaissit (racine crustale).
• Confondre failles normale et inverse : normale = extension (le bloc supérieur descend) ; inverse = compression (le bloc supérieur monte et surplombe).
• Prendre une nappe de charriage pour un simple pli ou une faille verticale : une nappe a un contact anormal à faible pendage et déplace des terrains sur des dizaines de kilomètres, avec des terrains anciens sur des terrains récents.
• Confondre fenêtre et klippe : la fenêtre montre l'autochtone au milieu de la nappe ; la klippe est un lambeau de nappe isolé sur l'autochtone.
• Dire qu'une ophiolite est une roche continentale : c'est un morceau de lithosphère océanique, qui prouve l'existence passée d'un océan.
• Se tromper d'unité : 1 cm/an = 10 km/Ma ; 1 mm/an = 1 km/Ma. Convertis avant de calculer une durée.
• Inverser le raccourcissement : il se calcule par $L_0 - L$ (puis divisé par $L_0$), et non $L - L_0$ ni $L / L_0$.

• Les chaînes récentes se forment aux limites de plaques convergentes : subduction, collision, obduction.
• Chaîne de subduction (Andes) : fosse profonde, plan de Benioff, volcanisme andésitique en arc, granitoïdes, métamorphisme de haute pression et basse température.
• Le magmatisme de subduction vient de la fusion partielle du manteau hydraté par l'eau libérée par la plaque plongeante.
• Chaîne de collision (Alpes, Himalaya) : suture avec ophiolites, plis, failles inverses, nappes de charriage, épaississement crustal (racine), anomalie de Bouguer négative, métamorphisme et granites d'anatexie.
• Faille inverse, chevauchement, nappe : indices de compression. Une nappe se reconnaît à un contact anormal (terrains anciens sur terrains récents).
• Une ophiolite est un fragment de lithosphère océanique sur un continent : sédiments profonds, basaltes en coussins, filons de dolérite, gabbros, péridotites.
• Obduction : une nappe ophiolitique est poussée sur la marge continentale (Oman) ; la croûte continentale n'est pas fortement épaissie.
• Raccourcissement $= L_0 - L$ ; 1 cm/an = 10 km/Ma ; on encadre un âge entre le terrain le plus récent affecté et le terrain le plus ancien non affecté.