Geodynamics of the Lithosphere

La théorie de la tectonique des plaques apporte un cadre logique à de nombreuses observations géologiques et géophysiques en quantifiant les mouvements horizontaux des plaques dans le présent et le passé. Cette cinématique et les déformations associées sont le résultat de forces agissant sur des roches comportement mécanique complexe. La géodynamique s’attache à expliquer les objets géologiques qui en résultent sur la base des concepts de la physique et de la chimie. C’est donc une discipline quantitative. Elle permet d’expliquer la genèse et l’évolution des grands reliefs terrestres et des structures géologiques associées.

La géodynamique traite des objets géologiques de grande extension spatiale, disons de l’échelle d’une faille active (∼100 km) à celle de la Terre entière (∼6000 km). Dans cet ouvrage, nous insisterons plus particulièrement sur la géodynamique des premiers ∼150 km de la Terre – la “lithosphère” – même si la question de la convection dans le manteau sous-jacent sera traitée dans le chapitre “chaleur et température”. Notre définition de la géodynamique sera donc l’étude des processus physico-chimiques qui fabriquent les grands objets géologiques tels que les chaînes de montagnes (Andes, Alpes, Himalayas, etc.), les grands plateaux continentaux (Altiplano, Tibet, Colorado, etc.), les rifts (rift Est-Africain, Baikal, Basin and Range), ou les grands reliefs océaniques tels que les dorsales et les fosses.

Cet ouvrage est le résultat de la compilation de plusieurs années de cours au Département de Géosciences de l’École normale supérieure. Il a aussi bénéficié de cours donnés à l’Université de Purdue (États Unis) ainsi qu’à l’Université d’État d’Haïti. On ne peux bien rédiger un cours sans l’avoir enseigné, car ce sont les étudiants qui en enrichissent et consolident le contenu par leurs questions et réactions. Je remercie donc ces étudiants, d’abord pour leur écoute, mais aussi pour leurs nombreuses contributions implicites à cet ouvrage. Je remercie aussi les collègues qui ont bien voulu relire et corriger les chapitres sur lesquels ils étaient plus compétents que moi.

Ayant toujours enseigné ce cours à des étudiants d’origine disciplinaire variée – géologie, physique, génie civil, mathématiques, géographie, voire agronomie – l’ouvrage est conçu pour permettre à tous d’en suivre le contenu, pour peu qu’ils disposent d’un bagage de physique et mathématiques de niveau licence 2 ou classe préparatoire scientifique. Ceci à l’exclusion du premier chapitre descriptif “Objets de la géodynamique”, qui peut, pour les étudiants qui ne souhaitent pas utiliser d’équations, constituer un contenu qualitatif déjà utile. Pour les autres, notamment ceux qui n’auraient pas de formation préalable en sciences de la Terre, ce premier chapitre permettra de mettre en place d’un vocabulaire commun sur la Terre et la tectonique des plaques.

TABLE DES MATIERES

1  Les objets de la géodynamique 

1.1  Introduction

1.2  L’objet Terre

1.3  La lithosphère

1.4  Le modèle tectonique global 

1.5  Principaux contextes

1.6  Bref historique de la tectonique des plaques

2  Cinématique des plaques rigides

2.1  Introduction.

2.2  Sur une Terre plate

2.3  Sur une Terre sphérique

2.4  Modèles cinématiques instantanés

2.5  Le repère des points chauds

2.6  La condition de non-rotation globale

3  Forces et rhéologie

3.1  Introduction

3.2  Forces et contraintes

3.3  Équilibre hydrostatique

3.4  Lois de déformation 

4  Pesanteur et géoïde 

4.1  Introduction

4.2  La pesanteur terrestre

4.3  Le potentiel de pesanteur et le géoïde

4.4  Les altitudes

4.5  Les anomalies de pesanteur

4.6  Le géoïde à l’isostasie

4.7  Mesure du champ de pesanteur terrestre.

5. Elasticité et flexure

5.1  Elasticité

5.2  Flexure

5.3  L’équation de la flexure

5.4  Applications

6 Chaleur et température

6.1  Introduction

6.2  Quelques ordres de grandeur

6.3  Conduction

6.4  Production de chaleur

6.5  Le géotherme de la lithosphère continentale

6.6  Refroidissement d’un demi-espace

6.8  Convection

7. Dynamique de la lithosphère continentale

7.1  Croissance d’une chaine de montagne très simplifiée 

7.2  Déformation d’une lithosphère continentale en une dimension

7.3  Une chaîne de montagnes simplifiée à l’équilibre dynamique

7.4  En trois dimensions

7.5  Application à l’Asie 

8. Failles et séismes