Chapitre 9 — Les zones de divergence · Topic 1 : Dorsales et création de la lithosphère océanique · Leçon 1.2
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- décrire le refroidissement et l’épaississement de la lithosphère océanique en s’éloignant de la dorsale ;
- expliquer la densification de la lithosphère et la subsidence des fonds océaniques ;
- relier la densification de la lithosphère océanique à son entrée en subduction ;
- décrire l’hydrothermalisme (fumeurs noirs et blancs) et la serpentinisation ;
- construire un argument scientifique reliant âge, profondeur et densité de la lithosphère.
🧭 Plan de la leçon
- Refroidissement et épaississement de la lithosphère avec l’âge
- Densification et subsidence des fonds océaniques
- Conséquence ultime : la subduction
- L’hydrothermalisme : fumeurs noirs et serpentinisation
- Argument scientifique : relier âge, profondeur et densité
1. Refroidissement et épaississement de la lithosphère avec l’âge
À l’axe de la dorsale, la lithosphère océanique est toute jeune et très mince (~7 km de croûte + manteau lithosphérique quasi-nul). En s’éloignant de la dorsale, elle vieillit, refroidit et s’épaissit.
La base de la lithosphère est définie par l’isotherme ~1 300 °C : c’est la limite entre le comportement cassant (lithosphère froide) et ductile (asthénosphère chaude). En s’éloignant de la dorsale, l’asthénosphère sous-jacente se refroidit par conduction thermique : l’isotherme 1 300 °C descend progressivement, épaississant la lithosphère.
À 50 Ma, la lithosphère océanique atteint environ 80-100 km d’épaisseur, identique à la lithosphère continentale.
2. Densification et subsidence des fonds océaniques
En se refroidissant, les roches se contractent et leur densité augmente. La lithosphère océanique, plus dense et plus froide, s’enfonce progressivement dans l’asthénosphère sous-jacente plus chaude et légère — c’est la subsidence thermique.
Résultat : le plancher océanique s’approfondit avec l’âge. À l’axe d’une dorsale, le fond est à ~2 500-2 700 m de profondeur. À 80-100 Ma, le même fond s’est enfoncé à ~5 000-6 000 m. C’est pourquoi les vieux fonds océaniques sont plus profonds que les dorsales.
| Âge de la lithosphère | Épaisseur approx. | Profondeur des fonds | Densité |
|---|---|---|---|
| 0 Ma (axe dorsale) | ~7 km | ~2 500 m | Faible (chaude) |
| 50 Ma | ~80 km | ~4 500 m | Intermédiaire |
| 100-180 Ma | ~100 km | ~5 500-6 000 m | Élevée (froide) |
3. Conséquence ultime : la subduction
En vieillissant, la lithosphère océanique devient plus dense que l’asthénosphère qu’elle surmonte. Elle tend alors à plonger dans le manteau — c’est le déclenchement de la subduction. La densité de la lithosphère océanique âgée (~3,2-3,3 g/cm³) dépasse celle de l’asthénosphère (~3,2 g/cm³), rendant le plongement spontané.
C’est pourquoi la lithosphère océanique disparaît : toute portion qui n’a pas encore été subductée est soit en cours de déplacement depuis la dorsale, soit très jeune. La croûte océanique ne dépasse pas ~200 Ma.
4. L’hydrothermalisme : fumeurs noirs et serpentinisation
À l’axe et en périphérie des dorsales, l’eau de mer froide s’infiltre dans les fissures de la croûte chaude. Elle se réchauffe au contact des roches chaudes, puis ressort sous forme de sources hydrothermales.
Fumeurs noirs : l’eau de mer s’infiltre profondément, se réchauffe à 350-400 °C, lessive les minéraux des roches (sulfures de fer, cuivre, zinc) et ressort sous forme de geysers sous-marins très chauds. La précipitation des sulfures au contact de l’eau de mer froide crée des nuages noirs caractéristiques. Temperature de sortie : ~350 °C.
Fumeurs blancs : eau moins chaude (~100-300 °C), précipitation de sulfates (anhydrite) blancs. Moins riches en sulfures métalliques.
Les fumeurs noirs abritent des écosystèmes chimiosynthétiques : des bactéries oxydent les sulfures (H₂S) pour produire de l’énergie, constituant la base d’une chaîne alimentaire indépendante de la lumière solaire (vers tubicoles géants, crevettes, crabes…).
L’eau de mer en contact avec les péridotites du manteau (principalement l’olivine) provoque une réaction chimique d’hydratation :
Olivine + eau → serpentine + magnétite + chaleur
La serpentinite ainsi formée est une roche verte, hydratée, moins dense que la péridotite originale. Cette réaction est fortement exothermique (libère de la chaleur) et contribue au flux thermique de la dorsale. Les serpentinites contiennent de l’eau structurale qui sera libérée lors de la subduction, jouant un rôle dans la fusion du coin de manteau.
5. Argument scientifique : relier âge, profondeur et densité
Question : Des données de forage et de sismique-réflexion montrent qu’à 200 km de la dorsale médio-atlantique, le plancher océanique est à 3 500 m de profondeur et les basaltes ont 3,5 Ma. À 1 500 km, le plancher est à 4 800 m et les basaltes ont 25 Ma. En quoi ces données illustrent-elles le vieillissement de la lithosphère océanique ?
Données : La profondeur augmente avec la distance à la dorsale : 3 500 m à 200 km (3,5 Ma) contre 4 800 m à 1 500 km (25 Ma). L’âge des basaltes augmente aussi avec la distance : 3,5 Ma vs 25 Ma. La profondeur du fond est donc corrélée positivement à l’âge de la lithosphère.
Conclusion : En vieillissant, la lithosphère océanique refroidit et se densifie : elle s’enfonce dans l’asthénosphère moins dense (subsidence thermique). Plus elle est vieille, plus elle est froide, dense, et profonde. Cette densification progressive explique pourquoi la lithosphère océanique entre en subduction : arrivée à une densité supérieure à l’asthénosphère, elle plonge spontanément dans le manteau.
« En s’éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique vieillit, refroidit, se densifie et s’enfonce (subsidence thermique). La profondeur des fonds est corrélée à l’âge de la lithosphère. Quand la densité de la lithosphère dépasse celle de l’asthénosphère, elle entre en subduction. »
🧠 À retenir absolument
- En s’éloignant de la dorsale, la lithosphère refroidit → se densifie → s’épaissit → s’enfonce (subsidence thermique).
- La profondeur des fonds océaniques augmente avec l’âge de la lithosphère.
- La subduction est déclenchée quand la lithosphère vieillie devient plus dense que l’asthénosphère.
- Hydrothermalisme : eau de mer + croûte chaude → fumeurs noirs (~350 °C) et serpentinisation (olivine → serpentine + eau libérée).
❓ Questions fréquentes
La subsidence thermique des fonds est-elle régulière ?
Elle est régulière pour les jeunes lithosphères (moins de 70 Ma) où la profondeur augmente proportionnellement à la racine carrée de l’âge — ce qui est une prédiction mathématique du modèle de refroidissement conductif. Pour les lithosphères plus vieilles (>70 Ma), la subsidence ralentit, probablement parce que le flux de chaleur provenant du manteau réchauffe légèrement la base de la lithosphère. La relation exacte dépend du modèle utilisé (modèle de plaque vs demi-espace).
Pourquoi les fumeurs noirs sont-ils importants pour la biologie ?
Les écosystèmes des fumeurs noirs sont indépendants de la photosynthèse. La base de la chaîne alimentaire est assurée par des bactéries chimiosynthétiques qui oxydent le sulfure d’hydrogène (H₂S) pour produire de l’énergie organique. Ces bactéries nourrissent des animaux très adaptés : vers tubicoles géants (Riftia), crevettes aveugles, crabes, pieuvres. Ces écosystèmes fascinants montrent que la vie peut exister sans lumière solaire — ce qui ouvre des perspectives astrobiologiques pour des lunes de Jupiter ou Saturne abritant des océans sous-glaciaires.
Les serpentinites jouent-elles un rôle dans la subduction ?
Oui, un rôle majeur. Les serpentinites contiennent de l’eau structurale dans leurs minéraux (serpentine, chlorite). Lors de la subduction, quand la pression et la température augmentent, ces minéraux se déshydratent et libèrent leur eau dans le coin de manteau sus-jacent. Cette eau abaisse le point de fusion des péridotites du coin de manteau → fusion partielle → volcanisme de subduction (andésite, rhyolite). La serpentinisation est donc un maillon essentiel du cycle de l’eau dans la subduction.