Cours : Géodynamique interne

Géodynamique interne – Fiche de Cours BCPST1

Matière : Sciences de la Vie et de la Terre (SVT)
Niveau: ** Première année BCPST
Préambule méthodologique : En BCPST, la géodynamique interne ne se limite pas à la description des objets géologiques. Elle repose sur la compréhension des transferts thermiques et mécaniques à l’échelle globale de la Terre, mobilisant la physique et la chimie des matériaux terrestres.

I. Structure thermique et mécanique de la Terre

1. Définitions et gradients

Géotherme (définition) : Courbe représentant l’évolution de la température en fonction de la profondeur $z$ (ou de la pression $P$ ) au sein de la Terre.
Gradient géothermique : $\frac{dT}{dz}$ . Près de la surface, il est en moyenne de $30 \text{ }^\circ\text{C}\cdot\text{km}^{-1}$ , mais il varie fortement selon les contextes géodynamiques.
Conductivité thermique ( $\lambda$ ) : Capacité d’un milieu à transférer la chaleur par conduction (mode dominant dans la lithosphère).

2. Du modèle thermique au modèle mécanique : la rhéologie

La Terre est zonée mécaniquement en fonction du comportement des roches face aux contraintes (ductile vs fragile) et au point de fusion.

Lithosphère : Enveloppe rigide (comportement élastique puis fragile/ductile), mise en évidence par la propagation des ondes sismiques et la flexure lithosphérique. Elle comprend la croûte et le manteau lithosphérique supérieur.
Asthosphère : Enveloppe plus ductile, siège de mouvements convectifs. Sa limite supérieure correspond souvent à l’isotherme $1300 \text{ }^\circ\text{C}$ .

II. Magmatismes et contextes géodynamiques

Le magmatisme est la manifestation en surface ou en profondeur de la fusion partielle du manteau ou de la croûte.

1. Théorème fondamental de la fusion des roches

Une roche du manteau (péridotite) est à l’état solide dans les conditions normales du manteau. Pour obtenir un magma, il faut croiser le solidus de la roche (courbe de début de fusion). Ce croisement peut s’obtenir par trois mécanismes thermodynamiques majeurs :

             Pression (P)
                  ^
                  |      Solidus (Début de fusion)
                  |        \
                  |         \  Fusion par décompression (Dorsale)
                  |          \
                  |           \    Fusion par flux d'eau (Subduction)
                  |            \  /
                  |             \/  Point triple / Conditions modifiées
                  |             /\
                  |            /  \ Fusion par apport thermique (Point chaud)
                  +---------------------> Température (T)

2. Déclenchement de la fusion partielle

Fusion par décompression adiabatique :
- Mécanisme : Remontée rapide d’un matériel mantellique chaud sans échange thermique notable avec l’encaissant ( $\Delta Q = 0$ ). La baisse de pression déplace le point d’état au-delà du solidus.
- Contexte : Dorsales océaniques, rifts continentaux, panaches mantelliques (points chauds).
Fusion par abaissement du solidus (hydratation / flux d’eau) :
- Mécanisme : L’incorporation d’eau (ou de volatils) dans le système perturbe les liaisons chimiques des minéraux silicatés, abaissant considérablement la température du solidus.
- Contexte : Zones de subduction (métamorphisme prograde de la plaque plongeante libérant des fluides dans le manteau sus-jacent).
Fusion par apport thermique (Advection de chaleur) :
- Mécanisme : Injection de magmas basiques chauds (issus du manteau) à la base de la croûte continentale, provoquant la fusion de cette dernière.
- Contexte : Domaines de subduction/collision (anatexie crustale).

III. Rhéologie, tectonique des plaques et cinématique

1. La cinématique des plaques (Bilan global)

La surface de la Terre est découpée en plaques lithosphériques rigides en mouvement les unes par rapport aux autres sur l’asthosphère ductile.

Divergence : Accrétion lithosphérique (dorsales). Le flux géothermique y est maximal.
Convergence : Subduction ou obduction (disparition de lithosphère océanique) et collision (orogenèse).
Décrochement : Conservation de la surface lithosphérique (ex: faille de San Andreas).

2. Moteur de la tectonique des plaques

Le moteur de la machine Terre est thermique : il s’agit de la convection mantellique (évacuation de la chaleur interne par convection à l’état solide).

Forces motrices principales : La traction de la plaque plongeante (slab pull) et la poussée à la dorsale (ridge push). La force prépondérante est le slab pull en raison de la forte densité du panneau plongeant refroidi.

IV. Méthodes en Géodynamique Interne

Étude tomographique (Sismologie) :
- Principe : Mesure des anomalies de vitesse des ondes sismiques ( $P$ et $S$ ).
- Interprétation : Une anomalie de vitesse lente ( $\delta v < 0$ ) traduit un matériel chaud (panache, asthosphère). Une anomalie rapide ( $\delta v > 0$ ) traduit un matériel froid et dense (plaque plongeante lithosphérique).
Tracé des diagrammes P-T-t (Pression-Température-temps) :
- Utilisation des paragenèses minérales métamorphiques pour reconstituer l’histoire thermodynamique d’une roche au cours de son exhumation ou de son enfouissement.

V. Pièges classiques aux concours (À ÉVITER)

Piège 1 (Magmatisme de subduction) : Dire que la fusion dans les zones de subduction est due à une élévation de température. Faux ! C’est un apport d’eau (baisse du solidus) qui provoque la fusion partielle du manteau sus-jacent (le coin du manteau).
Piège 2 (Volcanisme de point chaud) : Confondre point chaud et dorsale. Un point chaud est lié à un panache mantellique profond (origine thermique, potentiellement à l’interface noyau-manteau $D''$ ), indépendant des limites de plaques.
Piège 3 (Confusion croûte/lithosphère) : Ne pas amalgamer croûte et lithosphère. La lithosphère continentale comprend la croûte continentale et le manteau lithosphéricque supérieur. La limite thermique et mécanique ne coïncide pas nécessairement avec la limite chimique (Moho).
Piège 4 (Vocabulaire métamorphique) : Parler de “fusion” pour le métamorphisme. Le métamorphisme est une transformation à l’état solide. S’il y a fusion, on entre dans le domaine du magmatisme (anatexie).