Chapitre 10 — La subduction · Topic 1 : Mécanismes et conséquences de la subduction · Leçon 1.1
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- décrire la géographie d’une zone de subduction : fosse, arc volcanique, plan de Wadati-Benioff ;
- expliquer pourquoi la lithosphère océanique âgée est celle qui subducte ;
- décrire la distribution des séismes dans une zone de subduction (plan de Wadati-Benioff) ;
- expliquer l’absence de séismes au-delà de ~700 km de profondeur ;
- construire un argument scientifique pour identifier une zone de subduction à partir de la sismicité.
🧭 Plan de la leçon
- Pourquoi la lithosphère océanique subducte-t-elle ?
- La géographie d’une zone de subduction
- Le plan de Wadati-Benioff : distribution des foyers sismiques
- Limites de la sismicité : pourquoi pas de séismes > 700 km ?
- Argument scientifique : identifier une subduction à partir de la sismicité
1. Pourquoi la lithosphère océanique subducte-t-elle ?
La subduction est le plongement d’une plaque lithosphérique dans le manteau. Elle se produit quand une lithosphère océanique vieillie et dense entre en contact avec une autre plaque, moins dense.
La lithosphère continentale a une densité de ~2,7-2,9 g/cm³ — moins dense que l’asthénosphère (~3,2 g/cm³). Elle « flotte » donc sur le manteau et ne peut pas subducter.
La lithosphère océanique vieillie a une densité de ~3,2-3,3 g/cm³ — légèrement supérieure à l’asthénosphère. Quand elle entre en contact avec une plaque moins dense (continentale ou océanique plus jeune), elle plonge spontanément dans le manteau sous l’effet de cette différence de densité. Le slab pull (tirage du slab dense) est l’une des forces motrices les plus importantes de la tectonique des plaques.
2. La géographie d’une zone de subduction
Fosse océanique : dépression bathymétrique profonde (−6 000 à −11 000 m) marquant l’entrée du panneau plongeant dans le manteau. C’est la structure la plus profonde des océans (ex : fosse des Mariannes, −11 022 m ; fosse du Japon, −9 000 m ; fosse du Pérou-Chili).
Arc volcanique : alignement de volcans parallèle à la fosse, situé à ~100-200 km au-dessus du panneau plongeant. Il peut être :
- Insulaire (arc d’îles) quand la plaque chevauchante est océanique : ex. Japon, Antilles, Mariannes.
- Continental quand la plaque chevauchante est continentale : ex. Andes (Amérique du Sud).
Prisme d’accrétion : accumulation de sédiments raclés sur le panneau plongeant, entassés à la base de la plaque chevauchante.
3. Le plan de Wadati-Benioff : distribution des foyers sismiques
Dans les zones de subduction, les foyers sismiques ne sont pas distribués de façon aléatoire. En reportant leur position sur une coupe perpendiculaire à la fosse, ils s’alignent selon un plan incliné : le plan de Wadati-Benioff.
Les foyers sismiques s’alignent en suivant la surface du panneau plongeant (slab) depuis la fosse en surface jusqu’à environ 700 km de profondeur sous l’arc volcanique. Ils révèlent ainsi la géométrie du slab.
Distribution par profondeur :
- Séismes superficiels (0-70 km) : dans la zone de flexion/fracture à la fosse, au contact entre les deux plaques (chevauchement) → failles inverses, tsunamis possibles.
- Séismes intermédiaires (70-300 km) : dans le panneau plongeant lui-même, en réponse aux contraintes extensives et compressives lors du plongement.
- Séismes profonds (300-700 km) : dans les parties profondes du slab, liés aux transformations minéralogiques et à la déshydratation.
Les mécanismes précis au foyer (type de faille, orientation des contraintes, mécanisme de génération des séismes profonds par déshydratation) ne sont pas au programme de Première. On retiendra simplement que les séismes tracent le panneau plongeant et que ceux au-delà de 300 km sont liés aux transformations du slab.
4. Limites de la sismicité : pourquoi pas de séismes > 700 km ?
En dessous de ~700 km de profondeur, les séismes disparaissent. Deux raisons complémentaires :
1. Comportement ductile : à 700 km, la pression et la température sont si élevées que le slab, même froid, devient suffisamment ductile pour se déformer sans rupture cassante. Sans rupture, pas de séisme.
2. Transformations minéralogiques : à environ 660 km (zone de transition manteau supérieur/inférieur), les minéraux du slab se transforment en minéraux de haute pression. Ces transformations libèrent l’eau et les contraintes accumulées, et peuvent stabiliser le slab dans un comportement ductile.
5. Argument scientifique : identifier une subduction à partir de la sismicité
Question : Une coupe sismologique perpendiculaire à la côte ouest de l’Amérique du Sud montre une fosse océanique à −8 000 m au large des côtes. Les foyers sismiques se répartissent de la façon suivante : en surface (~20 km) sous la fosse, puis progressivement plus profonds jusqu’à 600 km, en s’éloignant vers l’est sous le continent. Les volcans andins sont situés à ~200 km à l’est de la fosse. Que révèle ce profil de sismicité ?
Données : La distribution des foyers sismiques s’aligne sur un plan incliné (plan de Wadati-Benioff) qui plonge vers l’est depuis la fosse jusqu’à 600 km de profondeur. Les séismes peu profonds (0-70 km) se trouvent près de la fosse ; les séismes profonds (300-600 km) se trouvent sous le continent. Les volcans sont positionnés juste au-dessus de la zone de séismes à ~100-150 km de profondeur.
Conclusion : Ce profil est caractéristique d’une zone de subduction. Le plan de Wadati-Benioff révèle le panneau plongeant (slab) : la plaque Nazca (océanique) plonge vers l’est sous la plaque Sud-Américaine (continentale). Les volcans andins sont positionnés à l’aplomb de la zone de déshydratation du slab (~100-150 km), où l’eau libérée par le panneau déclenche la fusion partielle du coin de manteau sus-jacent et alimente le volcanisme.
« Le plan de Wadati-Benioff est l’alignement des foyers sismiques le long du panneau plongeant, depuis la fosse (surface) jusqu’à ~700 km de profondeur. Il révèle la géométrie du slab en subduction. L’arc volcanique se situe au-dessus de la zone de déshydratation du slab. »
🧠 À retenir absolument
- La lithosphère océanique âgée (dense) subducte ; la lithosphère continentale (légère) ne subducte pas.
- Fosse océanique = dépression bathymétrique marquant l’entrée de la subduction.
- Plan de Wadati-Benioff = alignement des foyers sismiques le long du panneau plongeant, de la fosse jusqu’à ~700 km.
- Pas de séismes au-delà de 700 km : le slab devient ductile sous l’effet de la pression et de la température.
❓ Questions fréquentes
Pourquoi les subductions de lithosphère océanique sous continentale créent-elles des Andes, mais celles sous océanique des archipels d’îles ?
Quand une lithosphère océanique plonge sous une plaque continentale, le volcanisme se produit au sein de la croûte continentale épaisse. Les magmas traversent et parfois assimilent cette croûte, créant des chaînes de volcans continentaux (les Andes). Quand une lithosphère plonge sous une autre lithosphère océanique, il n’y a pas de croûte continentale épaisse — les volcans émergent depuis le fond océanique, créant des arcs d’îles volcaniques (Japon, Antilles, Mariannes, Philippines).
Les tsunamis sont-ils toujours liés à des zones de subduction ?
Principalement, oui. La majorité des tsunamis les plus destructeurs (Sumatra 2004, Japon 2011) résultent de séismes superficiels de chevauchement (megathrust earthquakes) dans les zones de subduction. Ces séismes déplacent verticalement une grande surface du plancher océanique sur plusieurs mètres, générant l’onde. D’autres mécanismes peuvent générer des tsunamis (effondrements sous-marins, éruptions volcaniques), mais les subductions restent la cause principale des grands tsunamis.
Peut-on « voir » le panneau plongeant autrement que par la sismicité ?
Oui, par la tomographie sismique. Les slabs froids produisent des anomalies positives de vitesse (ondes plus rapides dans les zones froides et denses). On peut ainsi suivre le slab en 3D dans le manteau bien au-delà de 700 km — certains slabs atteignent le manteau inférieur voire la base du manteau (~2 891 km). La tomographie sismique confirme et complète le tableau donné par le plan de Wadati-Benioff.