moteur mode emploi plan du site sommaire




Expérience 1 : une seule plaque, sans convection asthénosphérique
Expérience 2 : une seule plaque, avec convection asthénosphérique
Expérience 3 : deux plaques (dont une plaque arrière-arc libre) avec convection asthénosphérique
Expérience 4 : deux plaques (dont une plaque arrière-arc fixe) avec convection asthénosphérique




CNRS-Géomanips

Après avoir mis en œuvre la subduction de la plaque plongeante, l'expérience est terminée et doit être interprétée.
© Géomanips

En raison des matériaux de forte viscosité employés, les expériences durent très longtemps, jusqu'à 72h. Pour les présenter dans Géomanips, des films ont été montés à partir de photos prises toutes les demi-heures. La rapidité de la subduction ne doit donc pas faire illusion !
Dans les deux premières expériences, nous allons observer le comportement d'une seule plaque, la plaque plongeante (slab en anglais) lorsqu'elle subduit dans l'asthénosphère.
Dans les deux suivantes, deux plaques seront en jeu.



 

Expérience 1 : une seule plaque, sans convection asthénosphérique
Expérience 2 : une seule plaque, avec convection asthénosphérique
Expérience 3 : deux plaques (dont une plaque arrière-arc libre) avec convection asthénosphérique
Expérience 4 : deux plaques (dont une plaque arrière-arc fixe) avec convection asthénosphérique



Expérience 1

À travers cette expérience simple, nous allons essayer de comprendre le comportement de la plaque plongeante au cours de la subduction.

Nous observons, en début d'expérience, que l'initiation de la subduction est marquée par une légère inflexion de l'extrémité du slab dans l'asthénosphère, sans que cela n'entraîne de déplacement horizontal de la lithosphère. Cette légère inflexion est à l'origine de l'initiation du recul de la fosse de subduction.

En milieu d'expérience, nous remarquons que l'angle de plongement de la plaque lithosphérique dans l'asthénosphère est d'environ 45°, angle qui semble se stabiliser autour de cette valeur.

Le plongement de la plaque a pour résultat de générer un recul de la fosse relativement important, ainsi qu'un grand mouvement asthénosphérique situé en avant de la plaque en subduction.

Enfin, nous pouvons noter que nous n'observons toujours pas de déplacement horizontal de la plaque lithosphérique.

Lorsque l'expérience se poursuit, nous remarquons que la plaque lithosphérique semble maintenant glisser dans l'asthénosphère, toujours selon un angle de 45°. Ce glissement entraîne un déplacement horizontal de la plaque lithosphérique, déplacement qui semble s'accélérer jusqu'au moment où le
slab entre en contact avec le manteau inférieur (ici représenté en orange).

Ce déplacement horizontal de la lithosphère est la cause de l'arrêt du recul de la fosse qui reste néanmoins très important; le plongement lithosphérique continue de générer un grand système convectif asthénosphérique situé en avant de la zone de subduction.

Cette expérience montre clairement qu'une plaque lithosphérique plonge par le simple fait de la différence de densité qu'elle présente avec l'asthénosphère : c'est le moteur de la subduction. Le déplacement horizontal de cette plaque ne semble néanmoins s'effectuer que lorsque son extrémité plongeante est ancrée, c'est-à-dire glisse dans l'asthénosphère.

 


Dans cette expérience, la seule force en action est le poids de la plaque. Au début de l'expérience, la plaque est immobile et c'est la zone de flexuration ou subduction qui recule et migre vers l'océan. Le résultat est le suivant : la plaque dense s'enfonce, sans migration horizontale. C'est l'asthénosphère sous la lithosphère océanique qui, dans ce cas-là, est repoussée vers l'océan. Ce type de subduction correspond généralement à une croûte océanique vieille et lourde.

Cette tendance change en milieu d'expérience, la plaque avance, il y a donc convergence. Alors la plaque change de comportement, car elle glisse selon un angle critique sur l'asthénosphère. La zone de subduction reste mobile et recule progressivement vers l'océan.

 

 






 

Expérience 1 : une seule plaque, sans convection asthénosphérique
Expérience 2 : une seule plaque, avec convection asthénosphérique
Expérience 3 : deux plaques (dont une plaque arrière-arc libre) avec convection asthénosphérique
Expérience 4 : deux plaques (dont une plaque arrière-arc fixe) avec convection asthénosphérique



Expérience 2

À travers cette nouvelle expérience, nous ajoutons un mouvement asthénosphérique, dont la vitesse est constante, et qui aura pour but de favoriser le déplacement horizontal de la plaque lithosphérique.

Ce mouvement asthénosphérique peut être assimilé à un système convectif.

L'objectif de cette expérience est donc de connaître l'influence du déplacement horizontal lithosphérique dans le comportement de la plaque plongeante.

Tout comme l'expérience précédente, nous observons que l'initiation de la subduction est marquée par une légère inflexion de l'extrémité du slab dans l'asthénosphère, à l'origine de l'initiation du recul de la fosse de subduction. Nous remarquons que le déplacement horizontal de la lithosphère, lié au mouvement asthénosphérique, accompagne cette légère inflexion.

En milieu d'expérience, l'angle de plongement du slab dans l'asthénosphère est d'environ 45°, angle qui semble se stabiliser autour de cette valeur.

Le plongement de la plaque lithosphérique génère le recul de la fosse de subduction, recul qui semble cependant assez limité.

La fin de l'expérience montre que le slab «glisse» maintenant dans l'asthénosphère, tout en maintenant un angle constant de 45° jusqu'à atteindre le manteau inférieur.

Nous pouvons également observer que le plongement lithosphérique génère un grand système convectif asthénosphérique situé en avant de la zone de subduction.

Cette expérience simple montre clairement que le déplacement horizontal de la lithosphère, généré par le mouvement asthénosphérique, ne modifie pas l'angle de plongement du slab qui est toujours d'environ 45°, mais qu'en revanche il limite fortement le recul de la fosse de subduction.

 

 



Comparaison des différents stades des expériences 1 et 2


Exemples de différents plans de subduction dans le monde


Dans cette expérience, l'entraînement horizontal de la plaque est facilité par le mouvement asthénosphérique. Dans ce cas, il n'y a plus une seule force (verticale liée à la différence de densité), mais deux forces en action   : l'une verticale et l'autre horizontale (liée au déplacement horizontal asthénosphérique sous la plaque).

Le recul de la fosse est moins important que dans l'expérience 1, mais le mouvement horizontal, ou la convergence, y est plus importante.

Dans les deux expériences, l'angle de plongement de la plaque est constant, environ 45-50°, ce qui évoque ce que l'on voit au Japon, Tonga, Aléoutiennes ou encore au niveau des îles de Bonin.

Dans les deux prochaines expériences, nous allons nous approcher un peu plus de la « réalité » en regardant le comportement d'une plaque plongeante lorsqu'elle plonge sous une autre plaque lithosphérique.

 





 
Expérience 1 : une seule plaque, sans convection asthénosphérique
Expérience 2 : une seule plaque, avec convection asthénosphérique
Expérience 3 : deux plaques (dont une plaque arrière-arc libre) avec convection asthénosphérique
Expérience 4 : deux plaques (dont une plaque arrière-arc fixe) avec convection asthénosphérique



 

Nous allons observer le comportement de la plaque plongeante, lorsqu‘elle subduit dans l'asthénosphère sous une autre plaque (plaque arrière-arc). Dans l'expérience 3, cette plaque arrière-arc est libre, c'est-à-dire qu'elle pourra bouger sur l'asthénosphère (silicone) pendant la subduction.

Le mouvement de convection dans l'asthénosphère est induit par le piston mobile.


Dans cette expérience, des petits morceaux de polystyrène sont placés à chaque extrémité de la plaque indépendante pour la laisser flottante.



Expérience 3

Dans cette expérience, nous avons ajouté une deuxième plaque lithosphérique indépendante de la première. Cette plaque située ici, à droite de la zone de subduction, est appelée plaque arrière-arc.

Notre objectif est de comprendre quelle peut être l'influence de cette deuxième plaque quant à la géométrie de la plaque asthénosphérique plongeante.

Dans cette expérience, nous avons conservé le mouvement asthénosphérique.
Tout comme dans les expériences précédentes, nous remarquons que la plaque lithosphérique (située à gauche) plonge rapidement dans l'asthénosphère, mais que ce plongement ne génère pas de recul de la fosse de subduction. Par contre, nous observons un léger déplacement horizontal de la plaque lithosphérique.
La plaque arrière-arc quant à elle ne semble pas se déplacer.

Passés les premiers stades de la subduction, nous remarquons une légère accélération du déplacement horizontal de la plaque lithosphérique ainsi qu'une stabilisation de l'angle de plongement du
slab autour de 50°- 60°. Ce plongement lithosphérique génère le recul de la fosse de subduction qui est à l'origine d'un déplacement de la plaque arrière-arc. Cependant, la présence de cette plaque arrière-arc semble limiter le recul de la fosse de subduction.

En conclusion, cette expérience montre clairement que la présence d'une plaque arrière-arc a une influence importante sur le comportement de la plaque lithosphérique, à savoir que le déplacement horizontal de la plaque lithosphérique a lieu dès les premiers stades de la subduction, que l'angle de plongement du
slab qui est d'environ 50-60° est légèrement plus important que dans les expériences sans présence de plaque arrière-arc, et enfin que le déplacement de la plaque arrière-arc est solidaire de la fosse de subduction mais qu'elle en limite le déplacement.

 

 

Cette expérience est analogue à la subduction d'une plaque océanique sous une autre plaque océanique. La plaque océanique à l'avant de la plaque plongeante peut être comparée à une plaque arrière-arc, tel l'arc des Mariannes, Tongas, Aléoutiennes, etc.

Ce modèle indique que la subduction et la flexuration de la plaque permettent le mouvement de la plaque arrière-arc vers l'océan. Dans la nature, une convection asthénosphérique d'arrière-arc a aussi tendance à faire migrer la subduction vers l'océan.

 






 
Expérience 1 : une seule plaque, sans convection asthénosphérique
Expérience 2 : une seule plaque, avec convection asthénosphérique
Expérience 3 : deux plaques (dont une plaque arrière-arc libre) avec convection asthénosphérique
Expérience 4 : deux plaques (dont une plaque arrière-arc fixe) avec convection asthénosphérique



 

La plaque arrière-arc est fixée à la boîte, elle ne pourra pas bouger horizontalement sur la silicone.



Expérience 4

Dans le cadre de cette expérience, nous allons étudier la géométrie de la plaque plongeante lorsque la plaque arrière-arc est fixée. Notons que dans ce cas, nous avons toujours induit un mouvement asthénosphérique.

Dès les premiers stades de la subduction océanique, nous remarquons que la plaque plongeante présente très rapidement un angle de 45° alors que nous n'observons pas de recul de la zone de subduction.

Lorsque la subduction se poursuit, nous remarquons que la plaque plongeante se verticalise de plus en plus et qu'il n'y a toujours pas de recul de la fosse.

En fin d'expérience, nous constatons que la plaque arrière-arc est restée totalement immobile d'où l'absence du recul de la fosse de subduction. Le couplage de ces deux mécanismes semble être à l'origine de la verticalisation de la plaque plongeante.

À travers ces résultats nous pouvons donc dire que le recul de la fosse de subduction est conditionné par la mobilité de la plaque arrière-arc ou plus probablement par sa capacité à se déformer.

 



Comparaison des différents stades des expériences 3 et 4

Cette subduction d'une plaque sous une plaque fixe permet d'évoquer dans la nature la subduction d'une plaque océanique sous un continent, voire un arc continental. Dans ce cas, il y a glissement de toute la plaque océanique dans l'asthénosphère, la zone de subduction reste fixe. Il y a un maximum de frottement et de déformation à la limite lithosphère-asthénosphère.

Remarquons que les arcs continentaux comme les Andes ont tendance à rester globalement immobiles, mais ont tendance à croître verticalement et horizontalement grâce aux déformations intra-plaques.

 







CNRS-Géomanips