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les déformations de la lithosphère européenne

mis à jour le 18/04/2003


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Au cours d'un TPE en classe de première, un groupe d'élèves a traité les mesures de vitesses de plaques lithoshériques effectuées par GPS. Les déformations horizontales et verticales de la lithosphère européenne ont été évaluées, représentées et modélisées de façon analogique.

mots clés : GPS, lithosphère, déformation isostasie, collision, tectonique, pesanteur, principe d'Archimède


Classes de Première S3 et S5 du lycée Jean Perrin de Rezé (Loire-Atlantique)

Présenté dans le cadre des TPE par Chloé ANFRAY, Ronan CALVEZ, Guillaume DEFOIX, Vincent LE GALL, Romain NEUVILLE, Clémence PAGNOUX, Victor PRAUD.

Encadrement : François CORDELLIER, professeur de SVT, Annick LANGLAIS, professeur de Mathématiques, Bertrand MABILLAIS, professeur de physique-chimie.


Origine du projet :

Le programme de première scientifique inclut de la géologie ; l'envie d'approfondir et de compléter les connaissances acquises dans ce domaine nous a poussés à travailler sur les déformations de la lithosphère européenne. Lors d'une sortie de géologie nous avons été amenés à utiliser des récepteurs pour la localisation de sites. D'autre part, nous savions que cette technique était très employée par les géologues pour calculer les vitesses de plaques. Ainsi nous avons pensé à nous servir de données GPS pour évaluer les mouvements et les déformations horizontales et verticales de la croûte terrestre. Une fois ces résultats obtenus, il nous a paru nécessaire d'expliquer ces phénomènes par des modélisations analogiques. Ces modélisations mettent en jeu des lois physiques telles que la poussée d'Archimède pour expliquer le rebond glaciaire.

Sommaire :

Les techniques utilisées
Les mouvements horizontaux absolus de la plaque européenne
Les mouvements de déformations internes de la plaque européenne
Les mouvements verticaux
Modélisation du rebond post-glaciaire.
Modélisation de l'orogenèse alpine

English version

LES TECHNIQUES UTILISEES

Le GPS

Le GPS (Global Positionning System) est un outil qui sert à calculer la position d'un objet à partir de satellites gravitant autour de la Terre. Ainsi les récepteurs des stations reçoivent des signaux émis par des satellites. En utilisant des récepteurs sophistiqués, la précision de la mesure atteint le millimètre. L'enregistrement en continu de la position de la balise qui est scellée à la lithosphère, permet de connaître la vitesse de déplacement de la lithosphère par rapport à sa position moyenne pendant la période d'étude.

Ci-contre une station permanente au Nord de l'Europe.

Avec l'autorisation du site du site EUREF : http://epncb.oma.be/

Cette technique très précise est utile pour calculer les vitesses des plaques lithosphériques en latitude (Vel lat) en longitude (Vel long) et en altitude (Vel alt). Ces trois valeurs correspondent au coefficient directeur des droites de régression linéaire. Pour chaque point de mesure le serveur de la NASA :
http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html
fournit les courbes brutes et les valeurs de vitesse qui sont calculées en millimètres par an. Ici la station METS près d'Helsinki s'est déplacée de 12,07 mm par an vers le Nord, 20,01 mm/an vers l'Est. Elle s'est élevée de 4,56 mm/an durant les 10 dernières années.

 

Le traitement des données

 

Nous avons téléchargé le tableau des résultats sur le site :
http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html Ces données étant fournies au format texte nous les avons retranscrites dans un tableur Excel qui permet de faires des tris et des opérations de calcul de vitesses relatives.

Après sélection des stations correspondant à l'Europe nous avons tracé chaque vecteur vitesse en composant la vitesse latitudinale (Vel lat) avec la vitesse longitudinale (Vel long). Ici il s'agit des tracés correspondant à la station SFER de San Fernando dans le sud de l'Espagne (agrandie).

Ceci a été réalisé avec le logiciel de dessin vectoriel OpenOffice.org 1.1 sur un fond de carte présentant la localisation des stations. L'échelle choisie pour l'édition sur papier des cartes est de 1 mm pour 1 mm/an

Les résultats sont présentés sur un fond de carte donnant la position des principales stations GPS européennes.

Cette carte a été extraite du site EUREF : http://epncb.oma.be

Les résultats correspondent à la carte des vitesses absolues ou des vitesses relatives. Une technique proche a permis de tracer les vecteurs vitesses altimétriques.

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LES MOUVEMENTS HORIZONTAUX ABSOLUS DE LA LITHOSPHERE EUROPENNE

Voici la carte des vitesses absolues que nous avons établie à l'aide de données GPS récoltées sur le site de la NASA

Les vitesses absolues ont été représentées sur un fond de carte de l'Europe sous la forme de vecteurs tracés à l'aide d'un logiciel de dessin vectoriel.

L'échelle sur le document sur papier est d'environ 1 mm pour 1 mm/an.

D'après la carte EUREF avec autorisation :
http://www.epncb.oma.be

Sur la carte de ces vecteurs représentant les vitesses absolues nous avons remarqué que le déplacement de la lithosphère européenne s'effectue vers le Nord-Est avec un azimut de 40°. L'ensemble de l'Europe se déplace de 6 à 7 cm par an. Le point ANKR (Ankara) se déplace vers le Nord. En effet ce point appartient à la plaque anatolienne et non à la plaque eurasienne ce qui explique sa direction si différente de celle des autres.

Il faut cependant constater que les vitesse calculées ne sont pas identiques d'une station à une autre et cela implique une déformation interne de la lithosphère continentale. Il devient donc indispensable de tenter de représenter les mouvements de déformation de la plaque européenne en calculant le mouvement de chaque point par rapport à un point considéré comme fixe.

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LES MOUVEMENTS DE DEFORMATION INTERNE DE LA PLAQUE EUROPEENNE

En modifiant le tableur Excel précédent nous avons pu calculer les mouvements de chacun des points par rapport à un des points considéré comme fixe. La vitesse relative se calcule de la façon suivante :

Vel lat relative= Vel lat absolue du point étudié - Vel lat absolue du point choisi comme référence
Vel long relative= Vel long absolue du point étudié - Vel long absolue du point choisi comme référence

La composition des vitesses relatives latitudinales et longitudinales permet de tracer le vecteur vitesse relative de chacun des points étudiés.

Sur la première carte des vitesses relatives nous avons choisi notre point de référence dans le nord de la Norvège TRO1 à Trömsø (en bleu).

Sur cette carte , nous observons que la majorité des vecteurs situés au Sud-Est des Alpes sont orientés vers le Nord-Ouest de l'Europe. Plus les stations sont éloignés de TRO1 plus ces vitesses sont grandes alors que les mouvements relatifs des points situés à l'Ouest sont très faibles. On peut donc en conclure que le centre de l'Europe est comprimé. Les Alpes semblent encaisser ces contraintes.

Pour cette seconde carte nous avons choisi un point de référence dans le Sud-Ouest de l'Europe, en Espagne, le point SFER à San Fernando (en bleu).

Nous observons que la majorité des points se déplacent vers l'Ouest excepté le point ANKR correspondant à la ville d'Ankara. Nous remarquons également que les vecteurs correspondant aux stations GPS situées au Sud-Est des Alpes sont plus importants que ceux correspondant à des stations GPS du Nord-Ouest des Alpes . Nous pouvons donc en conclure une nouvelle fois que l'Europe se tasse au niveau des Alpes.

Pour cette troisième carte, notre point de référence est le point de NPLD correspondant à la ville de Teddington en Angleterre (en bleu).

Nous remarquons les mêmes tendances. Nous voyons donc que l'on peut considérer que l'Europe est soumise à une compression de direction Nord-Est - Sud-Ouest et qu'elle est divisée en deux zones qui convergent au niveau des Alpes.

D'après la carte EUREF avec autorisation :
http://www.epncb.oma.be

Les matériaux de la lithosphère étant rigides, il faut étudier les mouvements verticaux de la lithosphère européenne pour comprendre le mécanisme de ce raccourcissement.

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LES MOUVEMENTS VERTICAUX

Nous avons représenté les mouvements verticaux de la lithosphère européenne grâce à des données GPS fournies par la site de la NASA.

Notre travail ne considère ici que la composante verticale (Vel Alt) du déplacement des stations GPS.

Les données traitées graphiquement donnent la variation de la position de la station par rapport à sa position moyenne durant la période considérée en fonction du temps. Ici la station MTES près d'Helsinki s'est élevée de 4,56 mm/an sur 10 ans

Les vecteurs vitesse ont été tracés à l'aide d'un logiciel de dessin vectoriel sur une carte d'Europe. Chaque vecteur représente la vitesse mesurée en un point. Sur le document papier, l'échelle utilisée est de 5 mm pour 1 mm/an. Les mouvements ascendants sont représentés par des flèches noires tandis que les mouvements descendants sont figurées en blanc.

Nous avons remarqué que l'Europe ne se déforme pas de façon homogène. En particulier, on peut observer que la Scandinavie et les Alpes centrales montent. A l'inverse le piémont italien et certaines parties de l'Europe de l'Est ont tendance à s'enfoncer (échelle environ 2,5 mm pour 1 mm/an).

 

Pour mieux voir les tendances générales nous avons tracé à main levée les contours des zones affectées de mouvements ascendants (en rouge) ou de mouvements descendants (en bleu).

D'après la carte EUREF avec autorisation :
http://www.epncb.oma.be

Une recherche documentaire nous a permis de formuler des hypothèses sur l'origine de ces mouvements. Concernant la Scandinavie, l'hypothèse d'un rebond post-glaciaire a été retenue ; quant à la montée des Alpes, on suppose qu'elle résulte de la poursuite de la formation de la chaîne de montagne. Les hypothèses concernant les mouvements descendants sont nombreuses (fossés d'effondrement, accumulation de sédiments, compaction par pompage des nappes d'eau souterraines).

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MODELISATION DU "REBOND POST-GLACIAIRE"

La carte Européenne des mouvements altimétriques mesurés par GPS nous montre que la Scandinavie a tendance à remonter avec une vitesse pouvant atteindre 6 mm/an. L'hypothèse a été émise que l'origine de cette élévation de la croûte résulte de la "fonte" de la calotte glaciaire arctique, liée au réchauffement de la planète à la fin de la dernière glaciation. Les conséquences d'une telle perte de masse sont mesurables. En effet, si la masse de la calotte polaire diminue, le continent qui la soutient monte au fur et à mesure que sa charge s'amenuise  : c'est le rééquilibrage isostatique. La nature ductile du manteau lithosphérique et sa très grande viscosité entraînent un rebond non immédiat. C'est ainsi que le manteau exerce une poussée d'Archimède. Le mouvement est ralenti par la très grande viscosité du manteau. Il est donc encore observable de nos jours.

La modélisation analogique d'un tel rebond peut se faire à condition de trouver un milieu très visqueux nécessaire à l'observation du réajustement isostasique. Pour cela nous avons utilisé de la colle à papier peint ainsi qu'un radeau de bois. Au départ de l'expérience le bloc est maintenu enfoncé dans la colle par une pression de la main mimant la poussée exercée par la masse des glaciers. Le film de l'expérience montre que l'ascension se produit progressivement et continue longtemps après la disparition de la surcharge.

voir la vidéo

Des vues espacées précisément de 15 secondes et extraites du vidéogramme permettent de suivre l'ascension du bloc.

A l'instant t = 0 le bloc de bois est relâché. Le tripode surmonté d'une sphère symbolise la station GPS.

L'altitude relative (A) est égale à 0 mm

t = 15 secondes

A = 3 mm

t = 30 secondes

A = 8 mm

t = 45 secondes

A = 10 mm

t = 60 secondes

A = 12 mm

t = 75 secondes

A = 15 mm

t = 90 secondes

A = 19 mm

t = 105 secondes

A = 22 mm

t = 120 secondes

A = 25 mm

t = 135 secondes

A = 30 mm

t = 150 secondes

A = 32 mm

t = 165 secondes

A = 35 mm

t = 180 secondes

A = 37 mm

Les graduations dessinées sur les arêtes du bloc de bois permettent de mesurer l'altitude en fonction du temps.

La représensentation graphique des résultats montre que le soulèvement correspond à une fonction affine dans sa première partie. Lorsque l'on s'approche de l'équilibre le soulèvement ralenti puis il s'arrête à l'équilibre. On peut donc déduire de la confrontation des mesures sur le terrain et du modèle que l'équilibre isostasique n'est pas encore atteint en Scandinavie.

Ce rééquilibrage isostatique peut aussi expliquer pourquoi certaines parties des plaines de l'Europe centrale et du Piémont italien surchargées par les sédiments issus de l'érosion des montagnes connaissent un enfoncement très lent.

Cette explication ne nous a pas parue satisfaisante pour comprendre les mouvements positifs des Alpes centrales.

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MODELISATION DE L'OROGENESE ALPINE

La carte des mouvements horizontaux et verticaux de la lithosphère européenne montre une élévation des Alpes centrales au niveau d'une ancienne frontière entre deux plaques : l'océan qui se trouvait à cet endroit a disparu et les plaques se sont soudées ; cependant on observe toujours des mouvements relatifs horizontaux de l'Europe du Sud-Ouest vers le Nord-Est. Ces mouvements provoqueraient la formation de reliefs au niveau des Alpes.

Nous avons modélisé ce phénomène à l'aide d'un dispositif de simulation analogique en disposant plusieurs couches de plâtre coloré représentant la croûte.
En déplaçant le piston de la droite vers la gauche on simule le mouvement relatif du Sud-Est de l'Europe vers le Nord-Ouest considéré comme fixe.
On observe une élévation et un raccourcissement par rapport au montage d'origine, ainsi que la formation de failles et de plis. Cette expérience permet de confirmer notre hypothèse.
Le raccourcissement entraînent un épaississement de la croûte par plissement et failles et explique les mouvements verticaux positifs de la plupart des stations GPS dans cette zone.

Notre modèle est cependant imparfait car il ne permet pas le rééquilibrage isostasique.

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auteur(s) :

François Cordellier, professeur de SVT au lycée Jean Perrin de Rezé, professeur de SVT au lycée Jean Perrin de Rezé

information(s) pédagogique(s)

niveau : 1ère S, Terminale S

type pédagogique : production d'élève

public visé : enseignant, élève

contexte d'usage : atelier, classe, laboratoire, salle multimedia

référence aux programmes : TPE SVT/Physique-Chimie
Structure, composition et dynamique de la Terre

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sciences de la vie et de la Terre - Rectorat de l'Académie de Nantes