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Histoire et évolution de la Terre : cours de paléo-tectonique (Christophe Monnier)

LE PROTÉROZOÏQUE Il est difficile de faire une reconstitution des continents avant 750 Ma du fait de la rareté des organismes vivants. Toutefois on sait qu’il y a 1.100 Ma, il existait un super continent centré sur l’équateur et que l’on a appelé Rodinia. Cependant, ses contours restent encore peu connus. Vers 750 Ma, à la fin du Protérozoïque, la Rodinia commence à se fracturer, probablement du fait d'une activité volcanique importante. Cet événement majeur s'accompagne d’une part de l'ouverture d'océans créant de nouvelles sources d'humidité à proximité des continents, et d'autre part d'éruptions volcaniques créant d'importants épanchements basaltiques à la surface des continents. L'augmentation des précipitations et du ruissellement sur les continents entraîne alors une dissolution accrue de l'ensemble des roches continentales, y compris des surfaces basaltiques lesquelles consomment 8 fois plus de carbone qu'une même surface granitique. On observe alors une chute du CO2 atmosphérique déposé in fine sous forme de carbonates sédimentaires (CaCO3) au fond des océans (comme de nos jours sous les tropiques). La teneur en CO2 atmosphérique serait alors descendue jusqu'à un seuil critique où le climat, devenu instable, se serait refroidi brutalement initiant une glaciation « boule de neige » aux alentours d'il y a 750 millions d'années (voir document sur madoc). A la fin du Précambrien, vers 600 Ma, après l’éclatement de la Rodinia et de la migration de certaines de ses marges, l’ensemble de ces blocs se soudèrent de nouveaux pour former un continent unique centré sur le pôle Sud : la Pannotia. Le résultat de cette collision est à l’origine de l’orogenèse Pan-Africaine (orogène Cadomien pour l’Europe, cycle Briovérien pour l’Armorique). Au début du Paléozoïque (540 Ma) ce super continent se disloca en quatre masses continentales dont les principales sont : Le Gondwana, la Baltica, la Laurentia et la Siberia. Plusieurs océans sont nés, dont les deux principaux sont le Iapetus et la Proto-Téthys.

PALÉOZOÏQUE . Les plaques majeures Le Gondwana Le Gondwana est de loin le plus grand et le plus connu des paléocontinents du Paléozoïque inférieur. Il constituait le noyau de ce qui est aujourd'hui la plus grande partie de l'Amérique du sud, l'Antarctique, L'Afrique, l’Australie et la Péninsule indienne. Au début du Paléozoïque, la marge septentrionale du Gondwana était constituée de l'Avalonia, de l'Armorica, de l'Iberia, de la Perunica (la Bohème), de fragments Alpins et Balkaniques (Europe centrale), et plus à l’Est, de la Turquie, de la Péninsule Arabique, mais également de fragments Himalayens, de la Chine du Sud et de la Chine du Nord, de la Nouvelle-Guinée aussi que de la Nouvelle-Zélande Au début du Paléozoïque, le Gondwana était dans une une position inversée par rapport aux positions actuelles de l'Afrique et de l'Amérique du Sud. Ce super continent était sensiblement centré au pôle Sud. La Laurentia La Laurentia englobait l'Amérique du Nord (Etats-Unis et Canada), l'Ecosse, le nord de l'Irlande, le Groenland et la majeure partie de la Norvège. Toutes les données lithologiques, paléomagnétiques et faunistiques semblent indiquer que la Laurentia était, au début du Cambrien, dans une position relativement stable au niveau équatorial. La Baltica La Baltica comprenait plus de la moitié de l’Europe moderne et s'étendait à l'Est jusqu'à l’actuel Oural. Les marges de la Baltica ont pu être définies de manière relativement précises : - Au Nord-Ouest, elles suivent actuellement la frontière entre la Norvège et la Suède (en excluant une partie de la Norvège qui faisait alors partie du paléocontinent Laurentien), puis elles remontent dans la Mer de Barents jusqu'au Taimyr, - A l’Est, par l’actuel Oural (Russie) jusqu'au nord-ouest du Kazakhstan, - Au Sud-Est, par la Mer Caspienne et la Mer Noire , 1

Histoire et évolution de la Terre : cours de paléo-tectonique (Christophe Monnier) - Au Sud, par le Danemark, la Roumanie, l'Ukraine, la Pologne et l'Allemagne. Au cours de Paléozoïque inférieur, ce domaine était placé entre 30° et 60° Sud. La Baltica a subit par la suite une rapide rotation dans le sens anti-horaire, avant de se diriger vers l'Ouest ou elle est entrée en collision avec la Laurentia pour former un super-continent : la Laurussia. La Siberia La Siberia comprend essentiellement le craton sibérien qui s'étendait d’Ouest en l’Est de l’actuel Oural au détroit de Béring. Sa position au début de Paléozoïque inférieur était sub-équatoriale et était situé à proximité de la marge Est de la Laurentia. Au cours du Paléozoïque, la Siberia migra vers le Nord pour se positionner proche de la marge Nord de la Laurentia. Au Permo-Trias supérieur, la collision entre la Siberia, la Baltica et le Kazakhstania donna les montagnes de l’Oural. . Les micro plaques L'Avalonia Ce domaine était juste assez grand pour être considéré comme un petit paléo-continent. Ses limites s'étendaient de ce qui est aujourd'hui : le Cape Cod dans le Massachusetts, les provinces atlantiques du Canada, le sud de l'Angleterre, le nord de la France, la Belgique, le Sud de l'Allemagne et le SW du Portugal. L’Avalonia était rattaché au Gonwana avant de s’en séparer au début de l’Ordovicien, laissant place à un domaine océanique : le Rhéïque. L’Armorica et la Perunica La zone Armorica était réduite à la moitié sud de la France et comprenait : la Bretagne, la Normandie et le Massif central, alors que la zone Perunica (appelée également Bohème) s'étendait sur I'Europe Centrale. Au début du Paléozoïque, les faunes étaient typiques du supercontinent Gondwanien. L’Armorica et la Perunica se sont détachés du Gondwana au cours du Silurien avec l'Iberia et d’autres « terrains » pour former ce que l’on appelle les « Terrains Huniques » . La séparation de l’Armorica du Gondwana est à l’origine de l’ouverture de la Paléo-Téthys. L’Iberia La zone de l’Iberia comprenait l'aire de l’actuelle péninsule ibérique (le sud-ouest du Portugal était exclu car il faisait partie de l'Avalonia) et s’étendait vers la Montagne Noire (au sud de la France). L’Iberia présente quelques similarités avec l'Armorica (la faune est typique des provinces Gondwanienne), mais il y a suffisamment des différences pour penser qu’ils représentaient deux microcontinents distincts. Les arcs Nord Atlantiques Ces arcs insulaires se seraient formés progressivement au cours de l'orogenèse calédonienne pendant la fermeture de l'océan Iapetus. Leur intégration à la Laurentia a abouti au développement des domaines taconiques et des Appalaches (Amérique du Nord). On retrouve des traces de ces fragments dans l’orogène scandinave et dans les Calédonides du Royaume-Uni.

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Histoire et évolution de la Terre : cours de paléo-tectonique (Christophe Monnier)

CYCLES OROGENIQUES DU PALÉOZOÏQUE La fin du Cambrien marqua le début du rapprochement des trois plaques majeures : la Laurentia, la Baltica et un groupe d'îles dérivant du Gondwana : l'Avalonia. Avant la collision entre ces trois plaques, la Laurentia était séparée de la Baltica et de l'Avalonia par un large océan : l'océan Iapetus. La Baltica et l'Avalonia étaient séparés par la Mer Tornquist. La Baltica et l'Avalonia étaient séparées du Gondwana par l’océan Rhéïque. Pour certains auteurs, l’espace océanique séparant le Gondwana de la Baltica représenterait la Proto-Téthys.

OROGENÈSE CALÉDONIENNE Le terme « Calédonien » dérive du nom latin pour l'Ecosse et était utilisée fréquemment par les scientifiques anglais du XIX siècle pour parler des Highlands Ecossais. Les phases calédoniennes se sont déroulées dans ce qui est actuellement le secteur Nord Atlantique. Il existe de nombreuses phases orogéniques, avec un paroxysme dans l'activité au Silurien. . L’orogenèse calédonienne s’est déroulée du Cambrien jusqu’au Dévonien (510 - 390 Ma). La phase Penobscot (510 et 480 Ma - Cambrien) Au cours de cette période les terrains avaloniens jusqu’alors situés sur la marge septentrionale du Gondwana migrent vers le Nord entraînant ainsi : 1) l’ouverture d’un futur océan : le Rhéïque et 2) le début de la subduction de l’océan Iapetus (situé entre l’Avalonia et Laurentia) et l’édification d’un arc volcanique (arc Taconique). Cet épisode marque le début de l'orogène calédonien. Phase Grampienne ou orogène Taconique (480 et 455 Ma - Ordovicien inférieur et moyen) La phase Grampienne correspond à la collision de l’arc Taconique sur la marge Est de la Laurentia et rapprochement des blocs Avalonia et Baltica sur la Laurentia. Durant cette période l’océan Iapetus se ferme progressivement. Fermeture de la Mer Tornquist et fermeture du Iapetus (430 à 400 Ma - Silurien au Dévonien). Cette phase voit se dérouler la collision entre 1) l’Avalonia et la Baltica entraînant la fermeture définitive de la mer Tornquist et 2) la fermeture partielle de l’océan Iapetus résultant de la collision du bloc Baltica/Avalonia avec la Laurentia. Phase acadienne (vers 410 Ma - début du Dévonien) Durant cette phase, la collision entre les différents blocs est à son apogée, le front de déformation se déplace du nord vers le sud. L’océan Iapetus a totalement disparu. L’accrétion des différents blocs continentaux (Laurentia, Baltica et Avalonia) forme la désormais la Laurussia. Phase scandinave (vers 390 Ma - milieu du Dévonien) Au milieu du Dévonien, le serrage entre la Baltica et la partie Est du Groenland est à l’origine de la surrection des terrains scandinaves. Conclusion La majorité des montagnes érigées au cours de l’orogéne calédonien se sont fortement érodées durant le Dévonien, laissant ainsi des dépôts de grès et de conglomérats dans les bassins des îles Britanniques et dans l'ouest des plates-formes Russes. C'est pour cette raison que ces régions sont souvent appelées sous la dénomination « Continent des Vieux Grès Rouges ».

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Histoire et évolution de la Terre : cours de paléo-tectonique (Christophe Monnier) OROGENÈSE HERCYNIENNE . La chaîne hercynienne ou varisque, s’est mise en place entre le Dévonien et le Carbonifère (400 - 280 Ma). En Europe, la chaîne Varisque forme une chaîne de plus de 3000 kilomètres de long et environ 700 à 800 kilomètres de large. Les sommets hercyniens devaient atteindre une altitude proche des sommets himalayens (7000-8000m). La chaîne hercynienne s'étendait de l’Espagne/Portugal au sud-ouest de l'Irlande et de l'Angleterre, mais également vers les Ardennes, la France (Bretagne, Massif Central, Vosges, et la Corse), la Sardaigne ainsi que vers l'Allemagne à la République tchèque (Massif de Bohème). Cette phase orogénique a également affecté le continent nord américain (Appalaches et sud des USA) ainsi que le nord-Ouest du continent Africain (Maroc det Mauritanie). L’histoire commence dès le Silurien, avec le détachement des blocs Armorica, Iberia et les « fragments alpins », jusqu’alors situés sur la marge nord gondwanienne, et de le leur migration vers le nord en direction de la Laurussia (continent des vieux grès rouges). Ces micro-blocs ne représentaient en fait que la partie orientale d’une vaste bande continentale, appelé « Hun super terranes » ou « Terrrain Huniques », qui s’étendait vers l’Est vers l’arrière pays de l’Asie centrale (Iran, Afganistan,…) jusqu’en Indochine en passant par des terrains tibétains ainsi que les blocs continentaux de la chine du Nord et de la chine du sud. La séparation de ces « terranes » de la marge nord du Gondwana et de leur migration vers vers la Laurussia est à l’origine de la formation d’un super océan : la Paléo-Téthys. L’orogenèse hercynienne comprend quatre phase principale : Phase Bretonne (Dévonien) En Europe, cette phase correspond à la remontée de l’Armorica, de l’Iberia et des « fragments alpins » vers le nouveau continent Laurussia et du début de l’accrétion de ces blocs. Au nord de l’Armorica, cette phase orogénique est marquée par la formation d'un arc continental lié : 1) au rapprochement de l’Armorica et de l'Avalonia, 2) de la fermeture progressive de l’océan Rhéïque, (situé au nord de l’Europe), 3) qui donne naissance à un bassin marginal (l'océan rhéno-hercynien) et 4) lequel passe en subduction sous la zone saxo-thuringienne. Au sud-ouest de l’Armorica, il existe également une suture océanique qui s'étend du sud de la Bretagne (ex : nappe de Champtoceau) jusqu'au Massif Central. Cette suture est due à la remontée de la plaque Iberia et de sa collision avec l'Armorica, refermant ainsi l'océan Centralien qui séparait les deux blocs. Cette période correspond à la phase ligérienne en Europe occidentale. Phase Sudète (355-315 Ma - Viséen/Nammurien inférieur - Carbonifère inférieur) Cette phase correspond à la remontée du Gondwana sur « l'Europe » et à la fermeture définitive de l’océan Rhéïque. Phase Asturienne (environ 310 à 295 Ma Carbonifère supérieur) La phase asturienne correspond aux chevauchements de l’ouest de l’Europe,(Bretagne, Irlande et nord de l’Espagne) et du poinçonnement de l’Ibéria sur la Laurussia. Cet événement tectonique majeur est à l‘origine des grands cisaillements Nord et Sud armoricains. L’orogène hercynien se développe vers l’ouest. Orogenèse Alleghanienne (Révolution appalachienne) (300 à 250 Ma - Carbonifère Supérieur- Permien Supérieur) L'orogène Alléghanien (ou formation des Appalaches) résulte de la collision entre la Laurussia, auquel sont désormais accrétés les blocs Armorica, Ibéria et les « fragments alpins » avec le Gondwana (marge nord africaine). L’océan Rhéïque a totalement disparu. Conclusion Le Paléozoïque débuta avec dislocation d’un supercontinent (la Pannotia) et finit avec la formation d’un nouveau supercontinent (la Pangée), centrée sur l'équateur mais s'étendant du pôle Nord au pôle Sud. En 300 Ma, l’Europe a connu deux orogénes majeures (Calédonien et Hercynien) et a été le lieu de la disparition de nombreux grands domaines océaniques (Iapetus, Rhéïque, Proto-Téthys, …). 4

Histoire et évolution de la Terre : cours de paléo-tectonique (Christophe Monnier)

L'HISTOIRE DE LA TÉTHYS LA PROTO-TÉTHYS (fin du Protérozoïque - Carbonifère ?) Certains géologues considèrent que l'histoire de la Téthys a débuté avec la Prototéthys qui se serait formée dès la fin du Protérozoïque. Pour d’autres, l'origine de la Téthys a commencé avec la Paléo-Téthys qui se serait ouverte à l'Ordovicien. La Proto-Téthys ne représenterait alors qu'un diverticule de l'immense espace océanique qui aurait existé dès le protérozoïque : la Panthalassa (ou encore la Proto- Panthalassa). Les traces de l’ancien océan proto-téthysien sont rares, puisqu’il n'existe plus depuis plusieurs centaines de millions d'années et que ses marges ont été par la suite impliquées dans des orogènes successifs (calédonien, hercynien ou encore alpin). Ouverture (fin Protérozoïque) Il y a 600 Ma (fin du Protérozoïque), s’est formé le super continent Pannotia qui regroupait alors tous les blocs continentaux existants à la surface du globe terrestre. La plupart des terres émergées étaient centrées sur le pôle sud. La Pannotia s’est ensuite fragmentée progressivement. Cette dislocation fût à l’origne de la formation de nouveaux océans comme l'océan Iapetus qui séparait la Laurentia et le Gondwana. A cette époque, la Baltica et la Siberia dérivent vers le nord s'écartant ainsi du Gondwana. C’est de cette dérive que s’est formée, au sein même de la marge Nord-Ouest gondwanienne, l'ouverture de la Proto-Téthys. Fermeture (Ordovicien-Carbonifère) La disparition de la Proto-Téthys commence dès 500 Ma (soit peu de temps après sa formation). Elle est la conséquence de la séparation des terrains avaloniens situé sur la marge nord gondwanienne et de l’ouverture de l’océan Rhéïque. L’océan proto-téthysien disparu par subduction sous -océanique impliquant l’océan Tornquist et/ou Iapetus.

LA PALÉO-TETHYS (Ordovicien - Jurassique) Nos connaissances sur la Paléo-Téthys sont plus nombreuses que celles concernant la Proto-Téthys, mais son intégration (sous forme d’ophiolites) dans l'orogène alpin rend encore son étude encore délicate. Ouverture (Ordovicien-Silurien) L’ouverture de l’océan paléo-téthysien a eu lieu durant le Paléozoïque par la séparation d’un bloc continental appelé « Hun Super terranes » qui contituait alors la marge nord du Gondwana. Le stade de rifting à eu lieu à l’Ordovicien (480 Ma) et la phase d’océanisation de cet océan au Silurien (430 Ma). L’ouverture de ce nouvel océan a eu pour conséquence la migration vers le Nord des « Hun Super terranes ». La partie ouest des « Hun Super terranes » était constitué du massif armoricain (Armorica), des fragments alpins, des terrains helvétiques et austro-alpins (Moldavia) ou encore de la péninsule ibérique (Iberia). Plus à l’est, on retrouve « l’Annavia Terrane », qui regroupe actuement l'Indochine et le nord du Tibet. Ces fragments se sont détachés de la marge Nord gondwanienne sans doute dès le Dévonien, avant de s'accréter à la marge sud-de la Laurasia la fin du Permo/Trias. A l’extrémité Est des « Hun Super terranes » nous retrouvons deux autres blocs continentaux ; Il s'agit du bloc correspondant à l'actuelle Chine du Nord et de celui correspondant à l'actuelle Chine du Sud. La Chine du Nord est la première à se détacher de la marge gondwanienne (Dévonien), avant de s'accrèter à la marge sudlaurasienne dès le Trias (Formation de la Mongolie). La Chine du Sud quant à elle, ne s'accrète à la Chine du Nord qu'à la fin du Trias. Evolution (Dévonien-Carbonifère) Les reconstitutions paléogéographiques placent la ride de l’océan paléo-téthysien en position médio-océanique (mais il y peu d’information). Les taux d'expansion était de l'ordre de 4 à 6 cms/an (ride océanique intermédiaire).

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Histoire et évolution de la Terre : cours de paléo-tectonique (Christophe Monnier) Fermeture (fin Carbonifère-Jurassique) A la limite Carbonifère-Permien, la majorité de terrains constituant le « Hun Superterrane » ont été accrètés à la Laurasia. A cette époque, la Paléo-Téthys atteint son maximum d'extension mais disparaît progressivement sous la Laurasia. Sa fermeture est liée à l’ouverture de la Néo-Téthys au début du Permien au niveau de la marge nord gondwanienne par séparation d'une étroite bande continentale (maxi 400 km de large) appelée le continent cimmérien ou Cimmeria ou encore MégaLhassa. Ce continent est composé d'Ouest en Est : de la Turquie, de l'Iran, de l'Afghanistan et du sud Tibet. La Birmanie et la Thaïlande constituent son extrémité Est. Fermeture de la partie ouest de la Paléo-Téthys (Carbonifère-Permien) : Dès le Carbonifère, la partie ouest de la Paléo-Téthys entre en subduction sous la marge européenne. La fermeture définitive de la Paléo -Téthys dans cette région est achevée au Permien (formation de la Pangée), alors que la partie Est de cet océan est toujours ouvert. Fermeture de la partie Est de la Paléo-Téthys (Trias-Jurassique) : La fermeture de la partie Est de la PaléoTéthys à lieu dès le début du Trias (230 Ma). Au Trias supérieur (210 Ma), c’est la partie centrale de la PaléoTéthys qui disparaît suite à la collision de la Cimmeria centrale (bloc iranien) avec la Laurasia. La fermeture définitive de l’océan paléo-téthysien à lieu au Jurassique moyen (Bajocien - 170 Ma) voir au Jurassique supérieur (Kimméridgien -140 Ma), par acrrétion du bloc Lhasa (Thaïlande, Birmanie) sur les blocs Annavia (Indochine-Nord Tibet) appartenant déjà à la Laurasia. Les orogènes associés à la fermeture de la Paléo-Téthys . Carbonifère et Permien (245-230 Ma) La fermeture de la partie Ouest de la Paléo-Téthys est à l'origine de l'orogène varisque et de la formation de la Pangée. . Trias (230-200Ma) La fermeture de la partie Centrale-Est de la Paléo-Téthys est à l'origine d'orogènes appartenant au cycle alpin. La première collision qui a lieu dans cette région se déroule entre l'Iran et la marge sud-laurasienne (au niveau du Turkménistan, de l'Azerbaïdjan et de l'Arménie). Cette collision est appelée orogène éo-cimmérien. . Jurassique (200-140Ma) La collision de l'extrémité Est du bloc cimmérien (Afghanistan, Birmanie, Thaïlande) avec le Sud Tibet et la Chine du Sud engendre l'orogène néo-cimmérien.

LA NÉO-TÉTHYS (Permier - Cénozoïque) L'ouverture de la Néo-Téthys a lieu alors que la Paléo-Té...