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L’isostasie :

La lithosphère terrestre, continentale et océanique, rigide (cassante) est en équilibre sur l’asthénosphère ductile (plastique), ce phénomène est décrit par la théorie de l’isostasie ou équilibre isostatique.

L’isostasie qu’est-ce-que c’est ?

▻ – Origine, recyclage et mobilité verticale de la croûte continentale – Université Aix-Marseille – ===> –(⚑)– . –📸–

L’équilibre isostatique suppose que la pression soit uniforme à une certaine profondeur dans le manteau, ce niveau est appelé, surface de compensation.
… Deux modèles sont proposés pour illustrer cette théorie, le modèle de Pratt (1884) et le modèle d’Airy (1885).
Chacun proposant une valeur de la profondeur à laquelle se situe la surface de compensation :
… Pratt situa ce niveau à 113,7 km de profondeur.
… Airy situa ce niveau vers 80 km de profondeur.

◍ – Isostasie ou équilibre isostatique ;

Un schéma :

▻ – La Terre ellipsoïdale ? Les ellipsoïdes et le géoïde – Eduscol – Planet-Terre – ===> –(⚑)– . –📸– – Rq : (schéma modifié !

Au-dessous de la surface de compensation , l’influence des reliefs ne se font plus sentir.

On appelle théorie de l’isostasie l’ensemble des hypothèses qui tentent d’interpréter la compensation en profondeur des reliefs superficiels.

Rappel : La croûte continentale dans le Bassin Parisien elle est épaisse de 30 à 35 km environ, celle de la croûte continentale épaissie de l’Everest est de 60 à 70 km, alors et celle la croûte océanique est de 7 à 10 km seulement : On se doute que la densité des roches joue un rôle prépondérant dans la réalisation de cet équilibre.

La densité des roches des différents éléments terrestres impliqués dans l’isostasie :

▹- Croûte continentale = 2,6 – 2,7
▹- Croûte océanique = 2,9
▹- Manteau lithosphérique = 3,3
▹- Manteau asthénosphérique = 3,4 à 4,4, à la limite asthénosphère manteau inférieur
▹- Manteau inférieur = 4,4 à 5,6

Rq : la densité du manteau augmente avec la profondeur. En effet, quand les réactions de métamorphisme sont dues à une augmentation de pression, les minéraux néoformés sont de densité supérieure à celle des minéraux réactants. C’est ainsi que la densité du manteau inférieur, épais de 2885 km, augmente avec la profondeur.

◍ – La gravimétrie et l’isostasie, deux clés essentielles pour comprendre le fonctionnement de la Terre :

▻ – La gravimétrie et l’isostasie, deux clés essentielles pour comprendre le fonctionnement de la Terre – Eduscol – Planet-Terre – ENS Lyon – ===> –(⚑)–

Ce document, de 88 pages, développé par Planet-Terre – ENS Lyon fait une présentation détaillée de l’isostasie. Ce document est difficile à résumer, en voici les principaux éléments :

▹- Le principe d’Archimède.
▹- La notion de pression.
▹- La gravitation.
▹- Page 20 : La gravité est pratiquement constante à la surface du globe : présentation des modèles explicatifs de la théorie.
▹- Page 62 : Les implications de de la gravimétrie dans l’histoire (passée et future) des Alpes.
On découvre comment s’équilibrent la croûte terrestre, le manteau lithosphérique et le manteau asténosphérique au cours d’une orogenèse :
… 1 – L’ouverture d’un rift dans une croûte continentale stable de 30 km d’épaisseur,
… 2 La collision et la formation de la racine crustale sous les reliefs,
… 3 – Le bassin sédimentaire en avant des chevauchements,
…4 – Pas de commentaires sur les processus géodynamique post-collision qui participent à la destruction des reliefs, tels « étalement », « extrusion latérale », « slab-breakoff », « slab-rollback », etc.
… 5 – Le retour à une croûte continentale de 35 km d’épaisseur, en particulier; l’évolution de la racine crustale au fur et à mesure de pénéplanation.

◍ – Deux définitions :

équilibre hydrostatique : En physique, on appelle équilibre hydrostatique l’état de repos atteint par un système lorsque la force d’attraction gravitationnelle subie par ce système est compensée par l’action des forces de pression d’un fluide (liquide, gaz ou plasma)…
Isostasie : État d’équilibre hydrostatique qui serait réalisé à une certaine profondeur de la Terre, dite profondeur de compensation.. (Dictionnaire de Géologie – Foucault A. et al. 2014, éd. DUNOD).▻ – Wikipédia – ===> –(⚑)– –

Principe d’Archimède : Principe fondamental de l’hydrostatique qui énonce que : « Tout corps plongé dans un fluide éprouve une poussée verticale, dirigée de bas en haut, égale au poids du fluide qu’il déplace et appliquée au centre de gravité du fluide déplacé, ou centre de poussée.. ▻ – Larousse – ===> –(⚑)– –

◍ – Épaisseur de la racine crustale :

L’épaisseur de la racine crustale peut être connue, approximativement, en s’appuyant sur les modèle de Pratt et Airy.

▻ – Origine, recyclage et mobili mètre té verticale de la croûte continentale – Université Aix-Marseille – ===> –(⚑)– . –📸–
… Présentation sur diapos 50 à 56

Remarque : On peut noter que l’auteur a placé le niveau de compensation à la base de la croûte, en tenant compte de la modification apportée par le modèle de Vening-Meinez décrit dans le chapitre suivant.

Exemples : Himalaya et Alpes : en s’appuyant sur la formule :
—- dimension de la racine : r = 4,5 x a
Épaisseur :
… r = épaisseur de la racine crustale : a + 35 + r
… a – altitude des reliefs,
Densité de :
… 2,7 = densité de la croûte continentale.
… 3,3 =densité du manteau lithosphérique.

Soit :

▹- Himalaya :
…L’Everest est haut de 8 849 mètres.
==> Racine crustale de : 8 849 x 4,5 ≈ 40 km,
==> épaisseur de croûte continentale de : 9 +35 + 40 ≈ 84 km.
▹- Alpes :
… Le Mont-Blanc est haut de 4 809 mètres.
==> Racine crustale de : 4 80 x 4,5 ≈ 22 km,
==> épaisseur de croûte continentale de : ==> 9 +35 + 22 ≈ 66 km.

Remarque : Ce calcul donne un ordre de grandeur, en effet :
… les montagnes sont en continuelle évolution,
… la nature des roches est diverse, la densité de la croûte continentale varie de 2,6 à 2,7, selon les auteurs, les roches acides (granites, gneiss) ont une densité inférieure à celle des roches basiques ‘gabbro, basaltes, amphibolites),
… le coefficient de 4, 5 varie de 4, à 6, selon les auteurs.

◍ – Forme de la racine crustale – le modèle de Vening-Meinez :

Les deux modèles décrits ci-dessus ne sont pas très réalistes pour décrire le phénomène de l’isostasie. En effet, ils ne tiennent pas compte du caractère solide et plastique de la croûte terrestre et du manteau, ils na réagissent pas comme un iceberg flottant sur la mer.

Un autre modèle, plus cohérent, a été développé par Vening-Meinez :

Les deux modèles précédents ont toutefois un défaut : l’hypothèse d’équilibre isostatique local. Or, compte tenu du comportement des roches, cette hypothèse est irréaliste. La rigidité des plaques et celle du manteau font que la pression d’une chaîne de montagne va se répartir non seulement à la verticale, mais aussi sur les cotés, à l’horizontal. Ainsi, les racines d’une chaîne de montagne s’étalent, et les bassins sont légèrement surélevés sur les bords. L’équilibre isostatique local est brisé, et on parle plutôt d’équilibre isostatique régional.

Il existe un modèle qui formalise l’effet de cette déformation de la lithosphère, qui s’appelle le modèle de Vening-Meinez. Dans ce modèle, la surface de compensation n’est pas forcément située à la base de la lithosphère ou de la croûte : elle peut se situer un peu plus bas, dans l’asthénosphère.

▻ – L’isostasie : l’origine des mouvements verticaux de la lithosphère – Zeste de Savoir – ===> –(⚑)– – . –📸–
▻ – Isostasie et chaîne de montagnes e – Mon cours svt – ===> –(⚑)– – Vidéo

Érosion et isostasie :

« How many years can a mountain existBefore it’s washed to the sea? » (Bob Dylan).

◍ – Évolution d’une chaîne de montagne :

La formation de reliefs par collision conduit à la formation d’une racine crustale, la destruction des reliefs conduit à la disparition de celle-ci.

… ***▻ – L’Érosion et isostasie: – Cours Géologie – Le coin des géologues – ===> –(⚑)– . –📸–

On peut noter :

▹-La pénéplaine conserve un soupçon de racine crustale.
▹- L’apparition d’un nouveau phénomène : l’accumulation des sédiments produits par l’érosion sur la croûte océanique à la jonction des deux croûtes. La surcharge placée sur la croûte océanique provoque l’enfoncement de celle-ci, ce phénomène est qualifié de subsidence.

La subsidence (du latin subsidere, « s’enfoncer ») est un lent « affaissement de la surface de la croûte terrestre sous l’effet d’une charge qui vient s’ajouter soit au-dessus de la croûte (eau, sédiments, volcan, calotte glaciaire, chaîne de montagnes, plaque tectonique…), soit à l’intérieur de celle-ci (changement de phase par métamorphisme), soit au-dessous (matériel mantellique lourd) ». Elle offre ainsi un espace pour l’enfoncement progressif, régulier ou saccadé, pendant une assez longue période, d’un bassin sédimentaire dans lequel les dépôts sédimentaires peuvent acquérir une épaisseur considérable.
▻ – Subsidence (géologie) – Wikipédia ===> –(⚑)–

Comment ça marche :

Le comportement de la croûte continentale et du manteau lithosphérique, au cours de la disparition des reliefs est illustré sur le site suivant :

▻ – La gravimétrie et l’isostasie, deux clés essentielles pour comprendre le fonctionnement de la Terre – Eduscol – c’est du Pierre Thomas ! – Planet-Terre – ENS Lyon_ ===> –(⚑)–
… Érosion et isostasie – Diapo 78 à 84.

◍ – L’érosion est plus active en altitude :

L’érosion est d’autant plus active sur les reliefs qu’ils sont plus élevés.

Il y a deux paramètres antagonistes à considérer: l’érosion qui abaisse la chaîne et le rééquilibrage isostatique qui la soulève.
…
Le rééquilibrage isostatique par rapport à l’érosion se fait dans une proportion de 4:5 (c’est-à-dire que pour 5 m d’érosion, il y a une remontée de 4 m). Le taux initial d’érosion de la chaîne est évalué à 1 mètre par 1000 ans (= 1000 m/Ma), ce qui donne un taux net d’abaissement de la chaîne de 200 m/Ma (soit une érosion de 1000 m et une remontée de 800 m pour respecter le rapport de 4:5)
▻ – L’Érosion et isostasie: – Cours Géologie – Le coin des géologues – ===> –(⚑)– . –📸–

Rebond post-glaciaire et réajustement isostatique :

En dehors de la tectonique, la constitution d’une surcharge ponctuelle sur la croûte continentale peut entrainer la subsidence de celle-ci. Aujourd’hui, on assiste au rééquilibrage isostatique de la subsidence provoquée par l’accumulation des glaces lors de la dernière glaciation.

◍ – La dernière glaciation en Scandinavie et au Canada :

La surcharge occasionnée par les glaces formées pendant la dernière glaciation, de -115 000 à -12 000 ans, en est un bon exemple.
… Cet exemple est d’autant plus intéressant que l’on assiste, aujourd’hui, au rebond de la lithosphère ou rééquilibrage isostatique de la lithosphère continentale, après disparition de cette calotte.

▻ – Rebond Post-glaciaire – Les plages soulevées de Scandinavie et du Canada, conséquence du rebond post-glaciaire – Eduscol – Un épisode glaciaire a affecté le nord du globe.

▻ – Dernière période glaciaire– Wikipédia ===> –(⚑)– … –📸– Position des calottes glaciaires lors de la dernière glaciation .
▻ – Rebond post-glaciaire – Wikipédia ===> –(⚑)–

On peut retenir des documents mentionnés ci-dessus :

▹- Une calotte de 3 000 mètres d’épaisseur, provoque un enfoncement de la lithosphère de 1 000 mètres, compte-tenu de la densité de la lithosphère, de 3 environ, est 3 fois supérieure à cette de la glace de densité proche de 1. Rappel : équilibre isostatique : ===> –(⚑)–

▹- La dernière glaciation s’étale de -115 000 ans à -17 000 ans.
▹- L’épaisseur de la calotte était de, environ de 3 000 mètres en Scandinavie, de 5 000 mètres, en son centre, au Canada.
▹- L’enfoncement du Canada et de la Scandinavie a été aussi lent et progressif que la croissance de la calotte, cela s’est quasiment fait à l’équilibre isostatique.
▹- Le niveau de la mer était de 120 mètres au-dessous de celui du niveau actuel, celui des périodes interglaciaires.
▹- L’essentiel de la déglaciation a été effectué, plus rapidement, entre -15 000 et -12 000 ans
▹- Le rééquilibrage isostatique a commencé dès la fin de la fonte des glaces.
▹- La remontée de la lithosphère est plus rapide que la subsidence, au centre de la Scandinavie, le relèvement déjà effectué est estimé à 800 m, il en reste environ 200 à venir pour que l’équilibre soit atteint.
▹- La remontée de l’asthénosphère est, aujourd’hui, de 1 cm/an en moyenne, soit 1 m par siècle.
▹- Rq : La vitesse de la remontée diminue avec le temps, en effet, la croûte est déjà remontée de 800 mètres, soit 80 000 cm en 15 000 ans, soit une moyenne de 5 cm/an.

◍ – Réaction de la lithosphère au poids de la calotte glaciaire :

Dans le schéma n°2 ci-dessus, on remarque un léger bombement en périphérie de la zone enfoncée par la glace. Le poids de la glace repousse vers la périphérie la base de la lithosphère non totalement rigide.

▻ – Glacial Isostatic Adjustment – USGS– ===> –(⚑)– . –📸–

◍ – Pour ceux qui aiment les maths :

▻ – Théorie mathématique du rebond post-glaciaire – Laboratoire de Géologie de l’ENS Paris ===> –(⚑)– –

Évolution des chaînes de montagnes au cours du temps:

Le manteau et la lithosphère continentale restent en équilibre isostatique pendant toute l’évolution de la chaîne de montagnes, depuis le début de la collision jusqu’à la formation d’une pénéplaine, plateau ou bouclier.

On assiste à la disparition de la racine crustale par remontée de l’asthénosphère et à l’exhumation des roches anciennes.

▻ – Isostasy and the Age and Evolution of Continental Landmasses – The LibreTexts libraries ===> –(⚑)– ….–📸–

Références et documents :

▻ – La gravimétrie et l’isostasie, deux clés essentielles pour comprendre le fonctionnement de la Terre – Eduscol – c’est du Pierre Thomas ! – Planet-Terre – ENS Lyon_ ===> –(⚑)–
… Une présentation et la vidéo qui l’accompagne. ===> –(⚑)–

▻ – L’isostasie : l’origine des mouvements verticaux de la lithosphère – Zeste de Savoir – ===> –(⚑)–

▻ – Subsidence initiale, subsidence thermique et déformations au cours du rifting continental – Eduscol – Planet-Terre – ENS Lyon – ===> –(⚑)– –
… Amincissement de la croûte continentale et isostasie

▻ – Dynamique de la déformation des continent – Laboratoire de Géologie de l’ENS Paris – ===> –(⚑)– –
… Pour ceux qui aiment les maths !

▻ – Poussée d’Archimède – Wikipédia – ===> –(⚑)– . Pour se distraire !