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LA LITHOSPHERE & L'ASTHENOSPHERE

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Lithosphère & asthénosphère.

LA LITHOSPHERE

Couche externe du globe terrestre, épaisse de 100 à 200 km, rigide, constituée par la croûte et une partie du manteau supérieur, et limitée en profondeur par l'asthénosphère. La lithosphère, surplombe l'asthénosphère.

La lithosphère, relativement rigide sur des échelles de temps de l'ordre de 1 à 10 Ma, repose sur l'asthénosphère, solide mais ductile, plus facilement déformable car constituée de roches dans des conditions physico-mécaniques (pression, température, donc vitesse de déformation accrue), menant à une viscosité relativement faible.

Composée des deux types de croûtes, la continentale et l'océanique, la lithosphère existe sous deux types correspondants : la lithosphère continentale, épaisse de 60 km jusqu'à parfois 200 km, âgée de plusieurs milliards d'années et segmentée selon l'histoire des provinces continentales, et la lithosphère océanique, organisée continûment (sinon latéralement au niveau des failles transformantes) selon l'âge de la croûte océanique qu'elle porte, et donc en fonction de la distance à la dorsale, de moindre épaisseur, de quasiment 0 km au niveau de l'axe magmatique des dorsales, de l'ordre d'environ 10 km dès que sortie de la zone tecto-magmatique des dorsales jusqu'à un maximum de 60 à 80 km au niveau des zones de subduction pour un âge maximal de l'ordre de 100 à 175 Ma.

Étymologie

 

Le terme lithosphère vient du grec ancien : λίθος (líthos, « pierre ») et de σφαῖρα (sphaîra, « balle, ballon, globe ») (www.cnrtl.fr (consulté le 2 janvier 2021). Littéralement, le terme lithosphère signifie : le « globe de pierre ».

Composition

À l'intérieur de la lithosphère, la croûte terrestre est séparée du manteau supérieur par la discontinuité de Mohorovicic (plus communément appelée « Moho »), discontinuité marquée par une modification de la vitesse de propagation des ondes sismiques, correspondant à un changement drastique du matériau composant ces unités, à savoir : des roches ultramafiques pour le manteau lithosphérique, des roches de type basaltiques pour la croûte océanique, des roches de type granulitiques pour la croûte continentale inférieure, la croûte continentale supérieure étant, elle, de nature granitoïde.

La limite lithosphère-asthénosphère correspond à une limite rhéologique située à l'intérieur du manteau supérieur : de part et d'autre, ce sont les mêmes roches, de même composition chimique, mais du fait des variations de conditions physico-mécaniques, les comportements mécanique et thermique sont différents, passant, en remontant, d'une rhéologie de type fluide et un transport thermique advectif jusqu'au sommet de l'asthénosphère, à une rhéologie rigide et un transport thermique conductif à partir de la base de la lithosphère.

Pour les besoins des modélisations, la limite entre lithosphère et asthénosphère est généralement définie par l'isotherme à 1 300 °C.

Le passage croûte-manteau, lui, est plus superficiel (il se situe au cœur de la lithosphère), et correspond à un changement de composition chimique et de minéralogie des roches.

Le transfert de chaleur dans la lithosphère se fait par conduction thermique à l'opposé du transfert de chaleur par convection dans l'asthénosphère. Le gradient de température est plus élevé dans la lithosphère (entre 10 et 30 °C/km) que dans l'asthénosphère (0,3 °C/km) (Pierre Thomas – 2001).

La transformation d'un manteau rigide dans la lithosphère, en un manteau plus déformable (ductile) dans l'asthénosphère, est responsable d'une diminution de la vitesse et d'une atténuation marquée des ondes sismiques P et S au niveau de la « low velocity zone ».

Cinétiques internes de la lithosphère

Les plaques composant la lithosphère sont animées de mouvements relatifs de divergence, de convergence ou de décrochement (de coulissage).

Les mouvements de divergence traduisent un éloignement de deux plaques l'une par rapport à l'autre au niveau d'une dorsale ; la convergence, un rapprochement des deux plaques. La convergence peut être une subduction, une plaque passe au-dessous d'une autre. Il existe deux cas de subduction, une convergence d'une plaque continentale et océanique, avec formation d'une cordillère ou d'un arc insulaire. Dans le second cas la convergence se fait entre deux plaques océaniques avec création d'un arc insulaire ou d'un arc insulaire double et d'une mer marginale formé par le remplissage d'un bassin arrière-arc. Dans le cas de deux plaques continentales, les deux plaques entrent en collision avec un blocage local de la convergence ce qui donne naissance à une chaîne de collision.

La quantité de lithosphère à la surface de la Terre est toujours la même, les mouvements de convergence et de divergence se compensent.

 

La partie supérieure de la lithosphère, qui réagit chimiquement à l'atmosphère, l'hydrosphère et la biosphère à travers le processus de formation des sols est appelée pédosphère. 

LITHOSPHERE CONTINENTALE

Le concept de lithosphère continentale est apparu avec le modèle de la tectonique des plaques, qui découpe la surface du globe en grandes plaques lithosphériques. La lithosphère continentale est composée de la croûte continentale et du manteau lithosphérique. Elle correspond, à la portion de la plaque lithosphérique qui est émergée (29 % de la surface terrestre) ce à quoi il faut ajouter le plateau continental ainsi que le talus ce qui représente au total une surface correspondant à 45 % de la surface terrestre ( Maurice Renard, et al. - 2015).

La lithosphère continentale est caractérisée par une épaisseur variant de 150 à 200 km suivant les endroits. La croûte continentale possède une densité de 2,7 alors que le manteau lithosphérique possède lui une densité de 3,3. Ces deux surfaces appartiennent à la lithosphère.

Elle est composée de la croûte continentale (≈ 30 km d'épaisseur) et d'une partie du manteau supérieur : le manteau lithosphérique. La discontinuité qui sépare ces deux compartiments s'appelle la discontinuité de Andrija Mohorovičić (généralement abrégée Moho). Cette discontinuité caractérise un changement de vitesse des ondes sismiques.

Schéma, lithosphère, asthénosphère et tectonique des plaques.j

LITHOSPHERE OCEANIQUE

La lithosphère océanique est formée par la croûte océanique et le manteau lithosphérique sous-jacent. Elle repose sur la partie visqueuse (plastique) du manteau supérieur, l'asthénosphère, et se situe (sauf rarissime exception) sous l’océan, formant le plancher océanique.

La croûte océanique est plus dense que la croute continentale, avec une masse volumique moyenne de 2,9 g/cm3 (contre 2,7 g/cm3 pour la croute continentale). Elle est composée de roches mafiques, riches en fer et en magnésium comme les gabbros et de basaltes.

Le manteau lithosphérique est composé de péridotites et a une densité de 3,3 g/cm3.

La lithosphère océanique se crée au niveau des dorsales. Du fait de son mode de formation, elle est d'abord peu épaisse, puis, s'épaissit en s'éloignant de la dorsale et vieillit en refroidissant. L’épaississement s'effectuant dans la zone sous-jacente, côté du manteau, par refroidissement de la partie du manteau supérieur immédiatement sous la croûte, mais aussi du côté de la croûte, par sédimentation. La partie crustale de la lithosphère océanique est épaisse généralement de moins de 10 km, sa portion mantellique qui s'épaissit en vieillissant et peut atteindre 80 km d'épaisseur.


La lithosphère océanique reste moins épaisse que la lithosphère continentale.

Le refroidissement induit une augmentation progressive de la densité de la lithosphère. Lorsque cette dernière dépasse la densité de l'asthénosphère sous-jacente, l'équilibre devient instable et la lithosphère océanique qui « flotte » sur l'asthénosphère peut entrer en subduction, c'est-à-dire plonger dans le manteau terrestre et disparaître. La majeure partie de la lithosphère océanique actuelle est âgée de moins de 200 millions d'années, car elle disparaît dans le manteau asthénosphérique lors de la subduction pendant qu'une lithosphère océanique nouvelle se forme au niveau des dorsales par accrétion. Dans le cas d'une obduction, cependant, des portions de la plaque océanique ne disparaissent pas mais peuvent être poussés en surface dans une orogenèse et former une nappe de charriage. La croûte océanique reposant sur de la croûte continentale est alors constituée d'ophiolites caractéristiques.

Sources

  1. Pierre Thomas, « Convection, gradient thermique et géotherme » [archive], sur http://planet-terre.ens-lyon.fr [archive], ENS de Lyon, 15 novembre 2001 (consulté le 17 décembre 2017

  2. Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin, Marc de Rafelis (2015). Eléments de géologie - 15e édition du Pomerol. Sciences Sup, Dunod.

L'ASTHENOSPERE

L'asthénosphère (du grec ἀσθένης (asthénes), sans résistance) est la partie ductile du manteau supérieur terrestre. Elle s'étend de la lithosphère jusqu'au manteau inférieur sur 700 kilomètres1. Les plaques lithosphériques reposent sur l'asthénosphère formée de roche solide mais moins rigide et déformable.


Ce concept apparaît à la fin des années 1960 avec la révolution de la tectonique des plaques en même temps que le concept de mésosphère2 (Isaks B et al.). L'asthénosphère est comprise entre la lithosphère et la mésosphère. La profondeur de l'asthénosphère dépend donc directement de l'épaisseur de la lithosphère. Cette dernière varie entre environ 100 km sous les océans (quelques kilomètres au niveau des rifts océaniques) et environ 170 km sous les continents.
La distinction entre ces deux régions se faisant sur des critères de comportement mécanique des roches, le passage d'un domaine à l'autre est souvent défini en utilisant une isotherme. La valeur de cette isotherme suscite le débat dans la communauté scientifique. On pourra trouver 1300 K 3, soit un peu plus de 1 000 °C, ou 1 350 °C 4. À cette température la plupart des roches deviennent assez ductiles, ce qui permet aux lithosphères de se déplacer. La partie supérieure de l'asthénosphère est appelée zone à faible vitesse (souvent abrégée LVZ d'après l'anglais Low Velocity Zone).

La Low Velocity Zone

La LVZ sépare le manteau supérieur en 2 parties. Elle se trouve entre 100 km et 400 km de profondeur. La vitesse des ondes sismiques y est réduite, d’où son nom. Elle correspond à des conditions de températures (isotherme 1300°C) qui rendent les péridotites ductiles.
 

Zone de faible vitesse des ondes sismiques,LVZ.

Sa limite inférieure se situe entre 640 et 700 km, au niveau de la zone intermédiaire qui la sépare du manteau inférieur.
Elle est le siège de déformations plastiques associés à des mécanismes simultanés de glissements de dislocations (discontinuités dans la structure cristalline) et la migration d’ions et de lacunes, un processus nommé fluage par diffusion (en) ou auto-diffusion 5 (François Savatier 2013).


Elle est le siège également d'une convection, mais de nombreux arguments indiquent que cette convection présente une continuité au moins partielle avec la convection du manteau inférieur. On a imaginé que les mouvements de convections de l'asthénosphère étaient la cause du déplacement superficiel des plaques lithosphériques. Les propriétés ductiles de l'asthénosphère, entraînant un découplage mécanique avec la lithosphère, en font néanmoins un mauvais candidat pour cette mise en mouvement. On estime actuellement que le déplacement de la lithosphère et le déplacement de l'asthénosphère sont partie intégrante du système convectif mantellique, et aucun des deux ne saurait être considéré comme la cause de l'autre, si ce n'est à titre subsidiaire.


Composition


L'asthénosphère est composée de péridotite ductile (malléable) à plus de 1 300 °C à sa limite avec la lithosphère. Plus précisément, elle est composée de trois phases minérales silicatées (55 % d'olivine, 28 % de pyroxène, 17 % de grenat) ainsi, éventuellement, qu’une fraction fondue6.
L'asthénosphère permet donc le phénomène de convection (déplacement de matière due à la chaleur).


Définition sismique
 
L'asthénosphère dans le cadre du modèle PREM.
•    La densité moyenne des roches augmente avec la profondeur pour passer de 3,4 à la limite supérieure de l'asthénosphère (avec la lithosphère) à 4 au niveau de sa limite inférieure (avec le manteau inférieur)..
•    La vitesse des ondes sismiques P augmente également avec la profondeur. Elle est de 7,8 km/s au niveau de la lithosphère.
•    La vitesse des ondes sismiques S passe de 4 km/s à 5,5 km/s. La vitesse des ondes sismiques dépend de la rigidité : plus la rigidité est importante plus les ondes sont rapides. 6 (Raymond Ferrandes - 1998)

Sources

  1. Pacifique : le manteau terrestre nous livre un nouveau secret [archive]

  2. ↑ Isaks B., J. Oliver and L. R. Sykes (1992). Seismology and the new global tectonics. J. Geophys. Res., 73, 5855—5899.

  3. ↑ DOI:10.1016/j.epsl.2012.01.001

  4. ↑ Érosion thermique de la lithosphère [archive]

  5. ↑ François Savatier, « L'eau ne lubrifie pas le manteau terrestre » [archive], sur Pour la Science, 28 juin 2013

  6. ↑ Raymond Ferrandes, La chaleur de la terre. De l'origine de la chaleur à l'exploitation des gisements géothermiques, Ademe, 1998, p. 47

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