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Transformations minéralogiques des roches de la croute océanique, de leur création à leur subduction.

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Objectif(s)

Comprendre comment les transformations minéralogiques de la croûte océanique entretiennent la subduction.

Points clés

Depuis leur formation jusqu'à leur subduction, les roches de la lithosphère océanique et plus particulièrement les roches de la croûte océanique vont subir des transformations minéralogiques qui ont pour conséquence d'augmenter la densité de ces roches et donc de la lithosphère océanique.
Cette augmentation de densité est le moteur de la subduction.

Il existe une expansion océanique et pourtant le diamètre de la Terre est constant. On ne trouve pas de marges passives en tout point du globe. Il est donc évident que la lithosphère océanique doit disparaître dans les profondeurs du globe. Cette disparition se fait par le phénomène de subduction et compense la création qui se fait par accrétion au niveau des dorsales.

1. La densification des plaques océaniques, moteur de la subduction

La subduction constitue l’un des principaux moteurs de la tectonique des plaques.
Le moteur de cette subduction est lié à la différence de densité entre la lithosphère océanique et le manteau asthénosphérique sur lequel elle repose.
Une plaque va être subductée lorsque son poids est trop important.

La densité d’une plaque océanique n’est pas constante. La densité dépend directement de la température de la plaque. La température d’une plaque océanique n’a de cesse de diminuer en s'éloignant de son point de naissance : la dorsale.

Plus la plaque s’éloigne de la dorsale, plus elle est froide et plus elle est dense.

Doc. n° 1 : Évolution de la densité et de la température de la lithosphère océanique en fonction de la distance à la dorsale.

Lorsqu’elle atteint une densité critique, supérieure à celle de l'asthénosphère, la plaque plonge.
L’augmentation de la densité est directement liée à l’âge de la plaque. En effet, plus une plaque est ancienne, plus elle s’est éloignée de la dorsale.

Généralement, lorsque la plaque est âgée de 50 Ma, sa densité est telle qu’elle plonge. C’est pour cela que l’âge de la croûte océanique n’excède pas 200 Ma.

Doc. n° 2 : Densité de la lithosphère océanique et subduction.

2. Les transformations minéralogiques des roches de la croûte océanique entretiennent la subduction

a. Composition minéralogique des roches de la croûte océanique

La lithosphère océanique constitue l'ensemble de la croûte océanique avec la partie supérieure du manteau. Ces 2 unités sont séparées par la discontinuité de MOHO. Cette lithosphère océanique présente une épaisseur moyenne de 7 à 10 km.

D'un point de vue pétrologique (les roches), la croûte océanique est recouverte par une fine couche de sédiments marins puis on trouve des basaltes en coussin (pillow-lavas) ; enfin, plus en profondeur, on trouve des gabbros.
Le tout repose sur le manteau lithosphérique constitué de péridotites.

Doc. n° 3a : Coupe des roches de la lithosphère océanique.

Structure	Composition minéralogique	Vitesse de refroidissement
Microlithique À l'œil nu, existence de gros cristaux visibles (phénocristaux) dans une pâte non cristallisée (structure hémicristalline). Au microscope, de grands cristaux et petits cristaux sont visibles dans une pâte non cristallisée apparaissant avec des teintes très vives en lumière polarisée analysée (structure microlithique)	Basalte (contenant des phénocristaux d'olivines)	Refroidissement rapide Roche volcanique d'origine superficielle
Grenue Cristaux visibles à l'œil nu. L'ensemble de la roche est entièrement cristallisé.	Gabbro	Refroidissement lent Roche plutonique d'origine profonde

Doc. n° 3b : Composition minéralogique des principales roches de la croûte océanique.

Ces minéraux vont subir des transformations tout au long du déplacement des roches depuis leur naissance au niveau de la dorsale jusqu'à leur entrée en subduction. Ce sont les modifications des conditions de pression et de température qui sont à l'origine de ces transformations minéralogiques suivant le diagramme suivant :

Doc. n° 4 : Domaines de stabilité de quelques associations de minéraux de la croûte océanique.

Il en découle une augmentation de la densité des roches (moteur de la subduction).

Roche	Composition minéralogique	Densité
Métagabbro 1	plagioclase pyroxène relique chlorite actinote	2,9
Métagabbro 2	plagioclase pyroxène relique glaucophane	3,1
Métagabbro 3	grenat jadéite glaucophane quartz	3,5

Doc. n° 5 : Caractéristiques de trois métagabbros de la lithosphère océanique (un métagabbro est un gabbro ayant subi des transformations minéralogiques).

b. Hydratation des roches de la croûte océanique

La croûte océanique depuis sa création jusqu'à son arrivée dans la zone de subduction va incorporer de l'eau issue de l'océan. Ceci est lié à l'apparition de fissures dans cette croûte qui permettent l'infiltration de l'eau.

Au niveau des roches, cela se traduit par la transformation de certains minéraux. Cette transformation est liée à l'eau mais aussi à la diminution de la température et à l'éloignement de la dorsale.

Ainsi, les roches des plaques subductées subissent un ensemble de transformations à l'état solide : on parle de « métamorphisme ».
Le métamorphisme est différent selon les conditions de pressions et de températures auxquelles il se produit, on parle de « faciès métamorphiques ».

Dans un premier temps, il se produit un apport d'eau et une diminution de la température (liée à l'éloignement de la dorsale).

Au niveau minéralogique (voir sur le document bilan), on a :

(1) plagioclases + pyroxènes + eau = hornblende (amphibole)
(2) plagioclases + hornblende + eau = actinote + chlorite

Le faciès métamorphique traduit un refroidissement et une hydratation, c’est le faciès schiste vert (métagabbro 1 du doc. 5), on parle de « métamorphisme hydrothermal ».

c. Deshydratation des roches de la croute océanique

La plaque subductée va s'enfoncer, en ne récupérant que peu de chaleur, elle va traverser de nouveaux faciès métamorphiques.
L'enfouissement des roches (augmentation de la profondeur) se traduit par une déshydratation de la croûte, eau évacuée vers le manteau qui sera alors hydraté et ainsi susceptible d'entrer en fusion partielle (à l'origine du magma). Les minéraux se déshydratent et se compactent pour devenir encore plus denses.

Au niveau minéralogique on a :
(3) et (4) plagioclase + chlorite + actinote = glaucophane + eau
Les roches traversent ainsi le faciès schiste bleu (métagabbro 2 du doc. 5).

(5) glaucophane + plagioclases = grenat + jadéite + eau
Les roches traversent le faciès éclogite (métagabbro 3 du doc. 5).