Le magmatisme en zone de subduction : une production de nouveaux matériaux continentaux

Les océans peuvent être bordés par des marges actives (activité sismique et volcanique), correspondant à des zones au niveau desquelles la lithosphère océanique plonge dans l'asthénosphère. C'est le cas de l'océan Pacifique par exemple. Les zones de subduction sont le siège d'une importante activité magmatique qui aboutit à la production de croûte continentale, par des mécanismes liés aux transformations minéralogiques de la plaque plongeante.
1. Un volcanisme explosif
Au Japon, dans les îles de la Sonde, dans les Andes…, des volcans sont associés à des éruptions célèbres comme celle du Krakatoa (1885).
Ainsi l'île de Java se trouve à l'aplomb d'une subduction de la plaque indo-australienne sous la plaque eurasiatique, à une vitesse moyenne de 7 cm/an depuis plus de 40 Ma.
Dans les zones de subduction, des volcans émettent des laves souvent visqueuses. L'accumulation d'une forte pression dans la chambre magmatique peut déclencher une éruption explosive. Les nuées ardentes qui peuvent en résulter sont très destructrices et le panache de cendres peut atteindre plusieurs dizaines de kilomètres
2. Des zones d'accrétion continentale
Les roches issues du magmatisme des zones de subduction peuvent présenter des compositions chimiques proches mais sont de deux types :
  • Des andésites, roches associées au volcanisme explosif, qui contiennent des phénocristaux dont de nombreux feldspaths plagioclases. Ce sont des roches volcaniques, qui ont une structure de pâte avec des cristaux peu voire pas visibles. Elles proviennent du refroidissement rapide du magma à la surface. En lame mince, on peut observer de petits cristaux emprisonnés dans un verre : on parle de structure microlitique.
  • Des granodiorites, roches plutoniques formées de quartz, feldspaths plagioclases, micas et amphiboles, faisant partie des granitoïdes. Le magma a refroidi lentement (pendant plusieurs dizaines de milliers d'années), en profondeur, les minéraux ont eu le temps de cristalliser : la structure est dite « grenue » (grains visibles à l'œil nu). En lame mince observée au microscope, on voit une structure entièrement cristallisée (pas de verre, les cristaux sont jointifs).
Une grande partie des magmas cristallise en profondeur sous la forme de granitoïdes, que l'érosion finit par mettre à jour. Ces roches forment donc de la nouvelle croûte continentale : on parle d'accrétion continentale.
3. L'origine des magmas
Au niveau des zones de subduction, trois catégories de séismes sont détectées : à foyers peu profonds (inférieurs à 70 km de profondeur), à foyers intermédiaires et à foyers profonds (supérieurs à 350 km). Les séismes sont alignés selon un plan de subduction, qui indique l'orientation géographique du plongement de la lithosphère : le plan de Benioff-Wadati
L'étude de la composition chimique des granitoïdes des zones de subduction montre qu'ils sont issus du refroidissement d'un magma d'origine mantellique. Ceci suggère une fusion partielle des péridotites à l'aplomb des zones d'activité volcanique, c'est-à-dire dans le manteau de la plaque chevauchante. Or les conditions de pression et de température qui règnent au niveau des zones de subduction ne permettent pas d'envisager une fusion partielle des péridotites (le solidus ne recoupe pas le géotherme), à moins que celles-ci ne soient hydratées.
Diagramme pression/ température
Le magmatisme en zone de subduction : une production de nouveaux matériaux continentaux - illustration 1
D'après Comprendre et enseigner la planète Terre, Caron-Ophrys
L'origine de l'eau
Depuis sa formation au niveau de la dorsale, la lithosphère océanique qui entre en subduction s'est hydratée : elle est riche en minéraux hydroxylés (OH). Entraînées en profondeur, les roches subissent une forte augmentation de pression mais une faible augmentation de température, car la subduction est plus rapide que le réchauffement de la lithosphère, les roches ayant une mauvaise conductibilité thermique. On parle de métamorphisme haute pression – « basse température ».
Modèle de tracé des isothermes (lignes d'égale température) dans une zone de subduction (en coupe)
Le magmatisme en zone de subduction : une production de nouveaux matériaux continentaux - illustration 2
Les transformations minéralogiques liées à la subduction de la lithosphère
Au cours de la subduction, les minéraux de la lithosphère océanique vont subir une transformation à l'état solide : c'est le métamorphisme. De nouvelles roches métamorphiques, issues de ces transformations minéralogiques, apparaissent et sont caractéristiques des zones de subduction :
  • schistes bleus avec présence de glaucophane (amphibole bleue de haute pression et de faible température) ;
  • éclogites avec présence de pyroxène de haute pression (jadéite) et de grenat.
Deux réactions du métamorphisme sont engendrées par l'augmentation de pression :
(1) plagioclase + chlorite* + actinote* → glaucophane + eau
(2) plagioclase + glaucophane → grenat + jadéite + eau
* chlorite et actinote sont des minéraux hydratés présents dans la lithosphère océanique qui entre en subduction
Les minéraux caractéristiques de la subduction (glaucophane, jadéite, grenat) sont moins riches en eau que les minéraux d'origine : les réactions caractéristiques du métamorphisme de haute pression – basse température entraînent une libération d'eau.
L'eau percole dans le manteau de la plaque chevauchante et abaisse le point de fusion des péridotites. Entre 80 et 180 km de profondeur, le « solidus humide » croise le géotherme de subduction : il y a fusion partielle et production de magma, à l'origine des andésites et granitoïdes.
Schéma bilan du magmatisme en zone de subduction
Le magmatisme en zone de subduction : une production de nouveaux matériaux continentaux - illustration 3
Exercice n°1Exercice n°2Exercice n°3Exercice n°4Exercice n°5
Ce qui est attendu…
  • Savoir exploiter les résultats de modélisations numériques de fusion partielle des roches.
  • Savoir comparer les compositions minéralogiques d'un basalte et d'une andésite.
  • Savoir expliquer l'origine des magmas à l'origine des roches caractéristiques des zones de subduction.
  • Schématiser une zone de subduction en coupe pour expliquer l'origine du magmatisme.
Les zones de subduction :
Cochez la bonne réponse.
sont qualifiées de « marges actives ».
présentent un volcanisme de type effusif.
présentent des volcans sur la plaque lithosphérique plongeante.
Les zones de subduction présentent un volcanisme de type explosif et les volcans sont situés sur la plaque lithosphérique chevauchante.
L'activité magmatique des zones de subduction :
Cochez la bonne réponse.
permet la production de croûte océanique.
est liée, notamment, à la déshydratation des minéraux des roches de la plaque plongeante.
est liée, notamment, à la déshydratation des péridotites du manteau de la plaque chevauchante.
est liée, notamment, à la fusion partielle des péridotites de la plaque subduite.
L'activité magmatique des zones de subduction permet la production de la croûte continentale. Elle est due, notamment, à la déshydratation des minéraux des roches de la plaque plongeante. L'eau libérée passe dans le manteau de la plaque chevauchante, ce qui entraîne l'hydratation des péridotites et donc leur fusion partielle, à l'origine du magma.
Les roches volcaniques des zones de subduction :
Cochez la (ou les) bonne(s) réponse(s).
sont des roches microlitiques.
sont principalement des diorites et des granodiorites.
représentent la majeure partie des roches formées dans ces zones.
sont issues du même magma que les roches plutoniques des zones de subduction.
Les roches volcaniques des zones de subduction sont principalement des andésites et des rhyolithes, de structure microlitique. Elles ne représentent qu'une petite partie des roches formées dans les zones de subduction car la majeure partie du magma cristallise en profondeur pour donner des roches plutoniques.
Les diorites et les granodiorites :
Cochez la (ou les) bonne(s) réponse(s).
sont des roches plutoniques de type « granitoïde ».
se forment en profondeur par refroidissement lent du magma.
ont une structure microlitique.
ont une composition chimique complètement différente de celle des andésites.
Les diorites et granodiorites ont une structure grenue du fait du refroidissement lent en profondeur. Ces roches sont issues du même magma que les andésites, leurs compositions chimiques sont donc similaires.
Les roches magmatiques des zones de subduction :
Cochez la (ou les) bonne(s) réponse(s).
proviennent du même magma qui s'est enrichit en silice.
n'ont pas subi les mêmes conditions de refroidissement.
ont toutes la même texture.
Les roches magmatiques des zones de subduction proviennent du même magma qui s'est enrichit en silice. Elles ont des textures différentes du fait de leurs vitesses de refroidissement différentes.