La formation des chaînes de montagnes

Introduction

Les chaînes de montagnes sont des reliefs d’altitude rassemblant plusieurs montagnes, sommets, pics… La formation des chaînes de montagnes est liée à la tectonique des plaques.

• Quelles sont les conditions de formation des chaînes de montagne ?
  
• Quelles sont les déformations accompagnants la formation des chaînes de montagnes ?
  

I – La mise en évidence de la relation entre la formation des chaînes de montagnes et la tectonique des plaques

1 – Rappel

a – Structure de la terre (figure 1)

La lithosphère constitue la partie superficielle de la terre, elle se compose de la croûte terrestre (continentale et océanique) et d’une partie du manteau supérieur.
La croûte continentale est essentiellement constituée par le Granite, et la croûte océanique est essentiellement constituée par le Basalte, et le manteau est constitué par la péridotite.
Au-dessous de la lithosphère se trouve l’asthénosphère, qui constitue la partie ductile du manteau.

b – Les plaques tectoniques

La figure 2 représente la répartition des séismes et des volcans sur la surface du globe terrestre, et la figure 3 représente les limites des plaques tectoniques. À l’aide de ces deux figures :
Q-1 – Déterminez une définition à la plaque tectonique.
Q-2 – Déterminez les types de contacts entre les plaques tectoniques.

R-1 – La plaque tectonique est un large fragment lithosphérique de faible activité sismique et volcanique, mais qui est limitée par des ceintures serrées et actives (séismes et volcans).

R-2 – Il existe 3 types de contacts entre les plaques océaniques :

• Zones de convergence : au niveau des zones de subduction et de collision.
  
• Zones de divergence : au niveau des dorsales océaniques.
  
• Les frontières transformantes.
  

2 – Relation entre les chaînes de montagnes et la tectonique des plaques

La figure 4 représente la répartition des chaînes de montagnes récentes.

Q-1 – À l’aide des figures 3 et 4, Déterminez la position des chaînes montagnes récentes.
Q-2 – Déterminez les types des chaînes de montagne.

R-1 – On remarque que les chaînes de montagnes récentes se situent au niveau des zones de convergence entre les plaques tectoniques.

R-2 – Selon la position de formation des chaînes de montagnes, on distingue 3 types :

• Les chaînes de subduction : se forme au niveau des zones de subduction (Chaîne des Andes).
  
• Les chaînes de collision : se forme au niveau des zones de collision (Chaîne de l'Himalaya).
  
• Les chaînes d’obduction : se forme au niveau des zones d’obduction (Chaîne d’Oman).
  

II – Les chaînes de montagnes et leur relation avec la tectonique des plaques

1 – Les chaînes de subduction : les Andes comme exemple

a – Les caractéristiques des chaînes de subduction

Pour mettre en évidence les caractéristiques des chaînes de subduction, on propose l’étude des données suivantes :
La figure 5 représente quelques caractéristiques structurales et géologiques observées au niveau du continent d’Amérique du Sud.

Q-1 – Que peut-on conclure de la comparaison entre la marge Ouest et la marge Est de l’Amérique du Sud ?

La figure 6 représente la profondeur des foyers des séismes au niveau de l'Ouest du continent d’Amérique Sud.

Q-2 – Interprétez les résultats représentés par cette figure.

La figure 7 représente la répartition des isothermes, courbes d’égales températures (en °C), dans la Lithosphère au niveau de la zone de subduction.

Q-3 – Interprétez les données de cette figure.

R-1 – La marge ouest est caractérisée par :

• La présence d’une chaîne de montagne côtière de largeur étroite, qui s’étend du nord au sud tout le long de la côte occidentale.
  
• La présence de fosse océanique dont la profondeur peut dépasser 8 000 m : fosse Pérou-chili.
  
• La présence d’une activité sismique et volcanique intense : on parle de marge active ; les volcans sont de types explosifs caractérisés par des éruptions fortement explosives.
  

De ces remarques, on peut conclure que les chaînes de subductions se forment au niveau des marges actives des continents.

R-2 – On remarque que la profondeur des foyers augmente lorsqu'on se déplace de la fosse océanique vers l’intérieur du continent d’Amérique du Sud, c’est une répartition inclinée des foyers suivant le plan de Bénioff. Cette répartition est due à l’enfoncement de la plaque océanique en dessous de la plaque continentale, donnant naissance aux séismes.

R-3 – Au niveau de la zone de subduction, on remarque que les isothermes sont inclinés vers la profondeur (anomalie négative), ce qui indique qu’il y a un refroidissement de la zone de subduction. Cette chute de température est due à l’enfoncement de la plaque océanique froide, et L’équilibre thermique ne peut pas se faire, car la vitesse de subduction est trop rapide.

Remarque : On constate une deuxième anomalie, les isothermes remontent, il s’agit d’une anomalie thermique positive due à la remontée d’un magma très chaud (volcans).

Conclusion : Les marges actives sont toujours marquées par des activités géologiques importantes. Sismicité importante, anomalies de flux de chaleur et volcanisme explosif. Ces activités géologiques ont permis de tracer la signature de la plaque plongeante sous la plaque chevauchante, on parle de zones de subduction. Ainsi, la plaque océanique (Nazca) plus dense et moins épaisse s’enfonce d’une façon inclinée sous la plaque continentale (Amérique de Sud) moins dense et plus épaisse.

b – Magmatisme des zones de subduction

Les chaînes de subduction se caractérisent par la présence de la roche d’andésite. Pour connaître plus cette roche, on propose les données suivantes :
La figure (1-a) présente la structure de la roche d’andésite.

Q-1 – Déterminez la structure de cette roche et déduisez les conditions de sa solidification.
La figure (2) présente l’axe du volcanisme andésitique dans des régions différentes.
Q-2 – Déterminez la profondeur de la formation du volcanisme andésitique.
La figure (3) présente les conditions de la fusion expérimentale de la péridotite en présence et en absence d’eau.
Q-3 – Déterminez, graphiquement, le point de formation du magma andésitique.
Q-4 – Déterminez l’état physique de la péridotite dans ce point.
Q-5 – Expliquez la formation du magma à ce niveau.

R-1 – L’andésite se caractérise par une structure microlitique. Elle contient, essentiellement, de petits cristaux (les microlites) dispersés dans du verre (Matière amorphe). Elle contient aussi quelques grands cristaux, comme le plagioclase et le pyroxène.
La formation de la roche d’andésite se fait en deux étapes :

• solidification rapide sur la surface, qui donne le verre et les microlites
  
• une période de solidification lente en profondeur qui a donné les grands cristaux.
  

R-2 – Le magma andésitique se forme toujours dans une profondeur approximative de 150 km.

R-3 – La température de la profondeur de formation du magma andésitique est d’environ 1200C.

R-4 – La péridotite est en état solide en absence d’eau, et en état liquide en présence d’eau.

R-5 – La formation du magma andésitique peut être expliqué comme suivant :

• Quand la croûte océanique s’enfonce en dessous de la croûte continentale, elle est soumise à une grande température et pression, ce qui provoque sa perte d’eau.
  
• L’eau perdue par la croûte océanique s'accumule à une profondeur approximative de 150 km, ce qui provoque la fusion partielle de la péridotite qui constitue le manteau supérieur, et ainsi la formation du magma andésitique.
  

c – Les étapes de formation des chaînes de subduction

À partir des informations précédentes, et à l’aide de la figure (9), décrivez les étapes de la formation des chaînes de subduction (Les Andes comme exemple).

La cordillère des Andes est le résultat du rapprochement et enfouissement (subduction) de plaques océaniques plus denses sous la plaque lithosphérique continentale d’Amérique du Sud moins dense et qui se produit par étapes :

• D'abord, suite aux contraintes tectoniques compressives, la plaque océanique devient plus dense, se brise et s’enfonce lentement sous la lithosphère continentale.
  
• Dans la zone d’affrontement, se crée une fosse. Et, les sédiments marins, recouvrant la plaque plongeante, seront rabotés et raclés par la plaque chevauchante, ceci conduit à la formation du prisme d’accrétion.
  
• Les roches de la croûte océanique plongeante subissent en profondeur des pressions et des températures de plus en plus grandes, elles se transforment et libèrent l’eau qui crée les conditions de fusion partielle de la péridotite avec production d’un magma Andésitique.
  
• Surrection d’un relief (chaîne de montagne) par un épaississement de la croûte continentale. Cet épaississement est lié à un raccourcissement (et un empilement) causé par les contraintes tectoniques compressives.
  

Conclusion : Les zones de subduction sont des frontières convergentes où la lithosphère océanique plonge dans l’asthénosphère, elles sont associées à une déformation de la croûte continentale donnant naissance à des chaînes de subduction présentant des caractéristiques structurales, géophysiques, pétrographiques et tectoniques (voir précédemment).

Remarque :
Zone de subduction océanique : convergence entre deux plaques océaniques : la plus dense, généralement la plus vieille, s’enfonce sous l'autre pour former une zone de subduction.

2 – Les chaîne d’obduction

a – Les caractéristiques structurales pétrographiques des chaînes d’obduction

La figure (a) présente l’emplacement géographique de la chaîne d’Al Hajar, tandis que la figure (b) est une carte géologique simplifiée de cette chaîne.
La figure (c) présente une colonne du complexe ophiolitique.
La figure (d) présente une coupe simplifiée des chaînes d’Al Hajar.

Q-1 – Dégagez les caractéristiques de la chaîne d’Al Hajar.
Q-2 – À partir des données de la coupe géologique, proposez une explication sur la relation entre cette chaîne et la tectonique des plaques.

R-1 – Caractéristiques des chaînes d’Al Hajar :

• Caractéristiques pétrographiques : de vastes affleurements d’un complexe ophiolitique (500 km) avec à l’avant dans le continent des sédiments marins : radiolarites.
  
• Caractéristiques structurales et tectoniques : présence de plis, de failles inverses et des nappes de charriages (complexe Hawasna : formée de sédiments marins).
  

R-2 – D’après la coupe géologique, on constate des formations de la croûte océanique qui surmontent et chevauchent la croûte continentale (socle granitique) ceci s’oppose à la subduction, on parle d’obduction.
On peut expliquer que l’obduction est la conséquence du blocage d’une subduction et chevauchement de la plaque océanique sur le continent.

Bilan : Dans certaines circonstances, la croûte océanique ne s’enfonce pas sous le continent, mais vient au contraire le chevaucher, d’où le terme d’obduction et donne naissance aux chaînes d’obduction caractérisées par la présence des ophiolites qui témoignent d’un blocage de subduction (voir caractéristiques précédemment).

b – Les étapes de la formation des chaînes de montagnes d’Oman

Les coupes suivantes montrent la succession des événements aboutissant à la formation de la chaîne d’obduction d’Oman.

Q – Décrivez les étapes de formation de cette chaîne.

R –

• Avant –100 Ma : dans l’océan Téthys se sont déposés les sédiments radiolarites sur des basaltes en coussin, cette période est caractérisée par l’action des forces compressives (rapprochement de la plaque africaine à la plaque Eurasienne) ; la plaque océanique subit une grande cassure (faille) suivi d’une subduction intra-océanique.
  
• –85 Ma : le phénomène de subduction se poursuit et progressivement le continent se rapproche à la zone de subduction et le domaine marin disparaît. Arrivant à la zone de subduction, et de faite de sa faible densité, la lithosphère continentale ne s’enfonce pas sous la lithosphère océanique, ce qui entraîne le blocage de la subduction.
  
• Du –5 Ma à l’actuel : l’effet des forces compressives se poursuit poussant la croûte océanique et une partie du manteau à glisser sur la lithosphère continentale : c’est l’obduction poussant devant elle les sédiments marins pour de grandes distances pour former des nappes de charriages.
  

Bilan :

• Le phénomène d’obduction est à l’origine de la formation des chaînes d’obduction.
  
• L’obduction est la conséquence d’un blocage de la subduction qui entraîne la croûte océanique et une partie du manteau à glisser et chevaucher sur la lithosphère continentale, poussant devant elle les sédiments du fond marin.
  
• Les chaînes d’obduction présentent des caractéristiques structurales (plis, failles inverses, nappes de charriages) des caractéristiques pétrographiques : complexe ophiolitique composée de basaltes en coussinet, des filons basaltiques, des gabbros et la péridotite.
  

3 – Les chaînes de collisions

a – Caractéristiques tectoniques et pétrographiques

La figure suivante présente une coupe synthétique simplifiée de l’Himalaya sur la transversale AA’.

Q – À l’aide de la coupe géologique, dégagez les caractéristiques tectoniques et pétrographiques de la chaîne de l'Himalaya et leurs significations.

R-

• Caractéristiques pétrographiques :
  
  
• Présence des granitoïdes (pluton granitique) et l’andésite ainsi que le prisme d’accrétion montre une subduction : la lithosphère océanique de la plaque indo-australienne plonge sous la lithosphère continentale de la plaque Eurasienne.
  
• La présence d’ophiolite (non métamorphisée) témoigne d’une obduction. En plus des sédiments du fond marin prouve la suture (fermeture) d’un océan.
  
• Présence des roches métamorphiques caractérisant un métamorphisme régional (HT/HP).
  
• Caractéristiques tectoniques : Plissements, failles inverses, chevauchements et charriages témoignent d’une forte compression lors de la collision de l’inde avec l’Asie provoquant un raccourcissement et un épaississement de la croûte continentale avec augmentation de la profondeur du Moho (>80 km) et surrection des reliefs.
  

Bilan : On déduit donc que l’Himalaya est une chaîne de collision précédée d’une subduction et obduction.

b – Les étapes de formation des chaînes de collision et leur relation avec la tectonique des plaques

La figure suivante présente les différentes étapes de la formation de l’Himalaya.
Q – Décrivez les étapes de la formation de l’Himalaya.

R-

• Avant – 100Ma : L’Inde était séparée de l’Eurasie par l’océan Téthys. La subduction intra-océanique qui s’est produite au fond de l’océan Téthys, par le plongement de la lithosphère océanique propre à la plaque indienne sous la lithosphère océanique de la plaque Eurasienne, favorise le développement d’un magmatisme andésitique de la part de Tibet (andésite, pluton de granitoïde).
  
• À − 90 Ma : Lorsque l’inde arrive au niveau de la subduction, il y a blocage de la subduction entraînant une obduction de la lithosphère océanique liée à l’Eurasie poussant au-devant des sédiments marins (prisme d’accrétion et charriage) chevauchant ainsi la croûte continentale indienne.
  
• Du – 45 Ma à −20 Ma : Les forces compressives se poursuivent, entraînant la fermeture de la Téthys et la collision continentale (confrontation inde – Eurasie). La collision résulte de l’impossibilité de la lithosphère continentale trop légère de s’enfoncer profondément dans le manteau. Le relief résulte d’un épaississement de la croûte continentale suite à un empilement de chevauchements de même sens que la subduction.
  

Bilan :
Les chaînes de collision sont des frontières de convergence marquées par un raccourcissement horizontal de la Lithosphère Continentale, dû aux forces de compression. Ce raccourcissement entraîne des mouvements verticaux à l’origine d’un épaississement de la Lithosphère Continentale. Suivant le contexte géodynamique de la chaîne, on distingue :

• Des chaînes de collision précédée d’une subduction caractérisée par l’absence de suture d’ophiolite.
  
• Des chaînes de collision précédées d’une obduction caractérisée par un complexe ophiolitique jouant le rôle de suture entre les blocs lithosphériques en collision.
  

Conclusion générale :
La formation des chaînes de montagnes est le résultat des mouvements des plaques tectoniques de zones de convergence, elles renferment en elles des indices qui témoignent du contexte géodynamique de leur formation, suivant ces indices, on peut déduire le type de chaîne :

• Chaîne de subduction liée au phénomène de la subduction.
  
• Chaîne d’obduction liée au phénomène d’obduction.
  
• Chaîne de collision liée au phénomène de collision.
  

Lors de leur formation et sous l’effet des forces compressives, les roches subissent des déformations et des déplacements considérables dites déformations tectoniques.

III – Les différents types de déformations tectoniques dans les chaînes de montagne

1 – Les déformations souples, continues ou ductiles : les plis

a – Définition

La figure suivante présente une photo et un schéma de plis.

Q-1 – Donnez une définition aux plis ?
Q-2 – Dégagez les éléments d’un pli.

R-1 – Un pli est une déformation souple continue des couches géologiques, initialement planes, sous forme d’ondulations, en réponse à une contrainte tectonique. On distingue entre :

• Pli anticlinal : un pli convexe dont le centre est occupé par les couches géologiques les plus anciennes.
  
• Pli synclinal : est un pli concave dont les strates géologiques les plus récentes se trouvent dans le cœur du synclinal.
  

R-2 – les éléments d’un pli sont :

• La charnière : est la zone de courbure maximale.
  
• Flanc du pli : est la surface qui raccorde deux charnières successives.
  
• Axe du pli : est la ligne décrivant le lieu de courbure maximale.
  
• Plan axial (ou surface axiale) : est la surface qui relie les axes de plis de toutes les couches plissées.
  

b. Classification des plis

Selon l’inclinaison du plan axial, on distingue différents types de plis, la figure suivante présente les différents types.

2 – Les déformations discontinues (cassantes) : les failles

a – Définition

La faille est déformation discontinue qui est une cassure au niveau des couches de terrain qui s’accompagne d’un déplacement des deux compartiments ainsi créés.

Q – À partir de la figure suivante, déterminez les constituants d’une faille.

R – La faille est constituée par :

• Les 2 compartiments :
  
• Le mur : Compartiment situé en dessous du plan de faille.
  
• Le toit : Compartiment situé au-dessus du plan de faille.
  
• Plan de faille : C’est la surface le long de laquelle les deux compartiments ont glissé.
  
• Miroir de la faille : C’est la partie visible de la faille.
  
• Le rejet de la faille : L’ampleur du déplacement entre les deux compartiments, on distingue :
  
• Rv : rejet vertical.
  
• Rh : rejet horizontal.
  

b – Les types de failles

La figure suivante présente les 3 principaux type de failles.
Q – Décrivez ces 3 types de failles.

R –

• Faille normale : lorsque les roches du toit se déplacent vers le bas par rapport aux roches du mur. Les failles normales se forment lorsque deux blocs de roche s’éloignent l’un de l’autre en raison d’une distension (il y a extension).
  
• Faille inverse : lorsque les roches du toit se déplacent vers le haut par rapport aux roches du mur. Les failles inverses se forment lorsque deux blocs de roche sont poussés l’un vers l’autre en raison d’une compression.
  
• Décrochement : faille le long de laquelle le déplacement relatif s’effectue horizontalement le long du plan de faille séparant des blocs de roche adjacents : et on note décrochement dextre (sens d’aiguille d’une montre) décrochement senestre.
  

3 – Pli-faille, Chevauchement et nappe de charriage

La figure suivante montre des schémas explicatifs du pli-faille, du chevauchement et de la nappe de charriage.

Q – À partir de la figure suivante, décrivez ces déformations tectoniques.

R –

• Pli – faille : pli déversé ou couché dont le flanc inverse a été laminé par une faille inverse.
  
• Chevauchement : est un mouvement tectonique où une série de terrains en recouvre une autre par le biais d’un contact anormal de type faille inverse, généralement de faible inclinaison et d’une portée limitée (quelque Km).
  
• Nappe de charriage : correspondent à des unités tectoniques de beaucoup plus grande dimension, de portée pouvant atteindre plusieurs dizaines à plus de la centaine de Km. Dans ce cas, on distingue l’unité chevauchée restée sur place dite autochtone et l’unité charriée est dite allochtone.
  

Bilan : Plis, failles inverses, chevauchements et nappes de charriages sont des indices d’un épaississement crustal s’expliquant par un raccourcissement de la croûte continentale. Ces épaississements génèrent des reliefs élevés, ce sont des chaînes de collision et de subduction.