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DS7 – Mercredi 8 avril 2009 – Durée : 2h Devoir de Géologie

Les Petites Antilles : une région géologiquement active.

La région des Petites Antilles est située à la limite de plusieurs plaques tectoniques : plaque Caraïbes à l’Ouest, Amérique du Nord au Nord et à l’Est, Amérique du Sud au Sud.

Document 1A : Carte des Caraïbes

Document 1B : Carte détaillée des petites Antilles

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On se propose de déterminer le type de magmatisme associé à la zone des petites Antilles, d’en déduire le contexte géodynamique, puis d’étudier quelques caractéristiques tectoniques associées à ce contexte. Les 3 thèmes sont à traiter dans l’ordre. Les réponses seront accompagnées de schémas légendés et/ou des documents intégrés au devoir et complétés.

THEME 1 – LE VOLCANISME DES PETITES ANTILLES Les différents édifices volcaniques présents sur les îles des Petites Antilles ont été très étudiés et sont surveillés en permanence pour prévenir les populations locales.

Montserrat

La Soufrière (Guadeloupe)

Sainte Lucie

Document 2 : Plusieurs édifices volcaniques des Petites Antilles.

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Document 3 : Roche magmatique A récoltée à la Martinique

Document 4 : Lame mince de la roche A observée en LPNA Les cristaux brun clair sont des pyroxènes.

Document 5 : Lame mince de la roche A observée en LPA

Le grand côté des photos mesure respectivement environ 4 et 3 mm

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Document 6 : Roche magmatique B récoltée à la Martinique

Document 7 : Lame mince de la roche B observée en LPNA

Document 8 : Lame mince de la roche B observée en LPA

Document 9 : Evolution de la viscosité en fonction de la température pour différentes compositions

magmatiques A l’aide des documents ci-dessus, mettez en relation formes des édifices volcaniques, structure et composition des roches volcaniques émises et propriétés physiques des magmas correspondants.

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THEME 2 : MAGMATISME ET CONTEXTE GEODYNAMIQUE DES P ETITES ANTILLES Différentes roches L1 à L4 ont été échantillonnées à la Martinique. Leur composition chimique a été déterminée.

Document 10 : Analyse de la composition moyenne (en % de masse d’oxydes) de laves de Martinique

(Escalant, 1988). Tout le fer est exprimé sous forme de FeO.

Document 11 : Diagramme de classification des roches magmatiques selon la teneur en silice et en

alcalins (%massique). La ligne en pointillés sépare les domaines alcalins et subalcalins.

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Document 12 : Diagramme AFM de classification des roches magmatiques selon la teneur en oxydes de fer, de magnésium et d’alcalins.

Document 13 : Diagrammes multiélémentaires d’un basalte de type MORB-N et d’un basalte d’arc

(d’après Juteau et Maury). Les compositions des roches sont normalisées au manteau primitif. Les éléments sont classés de la gauche vers la droite par ordre d’incompatibilité décroissante.

Expliquez quels processus conduisent à la production de plusieurs roches magmatiques différentes sur une zone volcanique restreinte. Caractérisez cet ensemble de roches magmatiques et montrez qu’il peut être attribué à un contexte géodynamique différent de celui des dorsales.

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THEME 3 : DES ILES NON VOLCANIQUES :

L’île de la Barbade se situe à l’Est de l’arc des Petites Antilles. Cette île n’est pas affectée par du volcanisme mais est formée essentiellement de terrains sédimentaires.

A partir d’une étude des structures visibles, expliquer la formation de l’île de la Barbade.

En guise de conclusion, vous réaliserez une coupe schématique selon C-D du document 1B présentant l’origine du magmatisme, les étapes conduisant au volcanisme, les causes de la diversité des roches volcaniques émises et la structure tectonique de la Barbade. Un schéma de grande taille est attendu.

Document 14 : Affleurement de terrains sur l’île de la Barbade.

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Des forages ont été réalisés après des études sismiques pour localiser des zones d’intérêt.

Document 15 : Données obtenues dans la zone des sites de forage 541, 542 et 543.

Document 16 : Données de forages des sites 541, 542 et 543.

Contact anormal

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Grille de correction du DS7 – 08/04/2009 – Les Petites Antilles, une région géologiquement active Thème 1 – Le volcanisme des Petites Antilles Doc 1 : Les Petites Antilles forment un chapelet d’îles en forme d’arc de cercle. Les foyers sismiques, de plus en plus profonds d’est en ouest au niveau de cet arc, montrent l’existence d’un plan de subduction plongeant vers l’ouest. La plaque nord américaine est en subduction sous la plaque caraïbe. L’arc des Antilles correspond à un arc volcanique au niveau d’une zone de subduction océan-océan. Ces arcs volcaniques sont le siège de volcanisme. Doc. 2 : A la Guadeloupe l’édifice volcanique est un dôme et à Sainte-Lucie, il s’agit d une aiguille de laves. Le volcan de l’île de Montserrat en activité présente un panache de gaz et de poussières. Il s’agit donc d’un volcanisme extrusif et explosif. Documents 3 à 5 : La roche A présente une pâte grise avec des phénocristaux blancs (et qq noirs) visibles à l’œil nu. L’observation au microscope polarisant montre

- Un verre de couleur grise - Des microlites blancs, brun clair ou opaques - Des phénocristaux blancs ou brun clair

Cette roche présente donc une texture microlitique . C’est une roche magmatique volcanique. Les microlites et phénocristaux bruns polarisant dans des tons peu vifs sont des pyroxènes. Les microlites opaques sont des oxydes Les microlites et phénocristaux blancs polarisant dans du blanc au gris sont de deux types :

- Certains présentent des macles simples : il s’agit d’orthose. - Certains présentent des macles polysynthétiques ou sont zonés : il s’agit de plagioclases.

Documents 6 à 8 : La roche B présente une pâte gris clair légèrement bulleuse avec des phénocristaux blancs visibles à l’œil nu. L’observation au microscope polarisant montre

- Des microcristaux clairs ou opaques - Des phénocristaux blanc limpide ou grisâtres

Cette roche présente donc une texture microgrenue. C’est une roche magmatique volcanique ayant cristallisé lentement Les microlites opaques sont des oxydes Les microlites et phénocristaux grisâtres, altérés polarisant entre le blanc et le noir sont des feldspaths Les microlites et phénocristaux blancs peu altérés et polarisant entre le blanc et le noir sont des quartzs. La texture de ces roches traduit un refroidissement en plusieurs étapes :

- Les phénocristaux se sont formés au cours d’un refroidissement lent dans la chambre magmatique, - les microlites au cours de la remontée du magma, - le verre s’est formé lors de l’arrivée de la lave en surface.

La couleur gris clair de ces roches et la présence de minéraux tels que l’orthose et le quartz indiquent que ces roches sont riches en silice (roches « acides »). Document 9 : Ce document montre que pour les trois types de roches volcaniques (basalte, andésite ou rhyolite), plus la température du magma est élevée, plus il est fluide. On sait qu’andésite et rhyolite sont des roches riches en silice. Or, plus un magma est siliceux, plus il est visqueux. La viscosité du magma limite donc son écoulement. Il refroidit sur place sous forme d’un dôme ou d’une aiguille de lave qui empêche l’évacuation des gaz. Sous l’effet de la pression, des explosions peuvent se produire conduisant à l’écroulement des flancs du volcan (nuées ardentes).

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Thème 2 – Magmatisme et contexte géodynamique des Petites Antilles Document 10 : De L1 à L4

- augmentation de la teneur en silice - augmentation de la teneur en alcalins - diminution de la teneur en ferro-magnésiens.

Cette évolution traduit que ces roches constituent une série magmatique à définir. Document 11 : En utilisant les données du tableau 10, on peut replacer les roches dans le diagramme de Harker. La roche L1 est une andésite basaltique ; L2 est une andésite ; L3 est une dacite ; L4 est une rhyolite . L’alignement de ces roches confirme qu’elles constituent une série magmatique

Explications

- Au début de la cristallisation, les premiers cristaux à se former sont riches en éléments compatibles, dont le fer et le magnésium et pauvres en éléments incompatibles dont les alcalins (Na et K)

- Au cours du refroidissement, la phase liquide s’appauvrit donc en éléments compatibles et s’enrichit en éléments incompatibles et en silice, le magma se différencie.

- Les différentes roches formées par les éruptions successives proviennent de magmas de plus en plus différenciés. Elles sont donc de moins en moins riches en ferro-magnésiens, et de plus en plus riches en silice et en alcalins, d’où la succession des roches observées.

Cette série de la Martinique se situe dans le domaine subalcalin. Il est cependant ici impossible de définir s’il s’agit d’une série tholéiitique (dorsale) ou d’une série calco-alcaline (subduction). La richesse des roches en Si et Ca peut laisser supposer qu’il s’agit d’une série calco-alcaline. Document 12 : En utilisant les données du tableau 10, on peut compléter le diagramme AFM en y replaçant les roches L1 à L4. L1 L2 L3 L4 % Alcalins 3,17 4,98 6,04 6,7

%FeO 8,35 7,74 5,79 2,27

%MgO 4,98 2,66 1,11 0,35

Somme 16,5 15,38 12,94 9,32

%A 19,21 32,38 46,68 71,89

%F 50,61 50,33 44,74 24,36

%M 30,18 17,3 8,58 3,76

Somme 100 100 100 100

Les roches L1 à L4 forment une série intermédiaire entre la série tholéiitique et la série calco-alcaline, sauf pour la roche L4 qui correspond à une rhyolite de série calco-alcaline.

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Ces roches volcaniques se forment à partir d’un même magma qui subit une cristallisation fractionnée. Le magma subit une différenciation magmatique.

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On peut donc en déduire que les laves de la Martinique correspondent à une série magmatique calco-alcaline. Document 13 : La comparaison des taux d’éléments incompatibles des basaltes d’arc avec un MORB N montre un enrichissement sélectif en alcalins et alcalino-terreux (K, Rb, Ba, Sr) et dans une moindre mesure en terres rares légères (La, Ce…) et une anomalie négative en Nb. Pour les autres éléments, les concentrations normalisées sont comparables ou légèrement inférieures à celles du MORB-N. Ceci confirme l’origine différente des deux types de magmatisme. Dans le cas des zones de subduction, l’enrichissement en alcalins est due à une contamination lors de la remontée de fluides en provenance de la plaque océanique plongeante. Thème 3 – Des îles non volcaniques Document 14 : L’affleurement montre un ensemble de terrains sédimentaires plissés. Ces structures tectoniques sont liées à des contraintes compressives entraînant un raccourcissement. Document 15 : Le profil de sismique réflexion permet de retrouver la structure de cet ensemble sédimentaire sous la surface de l’océan. Sur les parties des profils situés à gauche du front de la déformation, les réflecteurs proches de la surface sont discontinus, se superposent et sont déformés. On met ainsi en évidence des plis et des failles inverses dans la partie supérieure. Sous cet ensemble plissé, des réflecteurs horizontaux révèlent un ensemble non plissé intermédiaire = niveau de décollement. A une profondeur de 8 secondes temps double, on observe un ensemble homogène, avec peu de réflecteurs. Il s’agit de la croûte océanique, sur laquelle reposent les terrains sédimentaires sus-jacents. Document 16 : Le forage 543 présente une succession de terrains sédimentaires d’âge crétacé à actuel sur les basaltes en coussin. Il s’agit de la couverture sédimentaire de l’océan. Les forages 542 et 541 présente des épaisseurs très importantes de sédiments récents (depuis le miocène) Ces terrains présentent des contacts anormaux. Par exemple la superposition du miocène supérieur plus âgé sur du pliocène plus jeune est un chevauchement attribuable à une faille inverse traduisant des contraintes compressives. Du fait de sa localisation au niveau de la fosse de subduction et de sa composition de roches sédimentaires ayant subi d’importantes contraintes compressives, l’île de la Barbade correspond donc à un prisme d’accrétion sédimentaire. Suite à la convergence entre les plaques Nord Américaine et Caraïbes (contraintes compressives), les sédiments déposés sur la croûte océanique plongeante vont s’accumuler dans la fosse océanique et se déformer contre la croûte océanique chevauchante qui joue le rôle d’un rabot.

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