Activité 53 : Dynamique du volcan et structure de la roche volcanique

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1 Activité 53 : Dynamique du volcan et structure de la roche volcanique 1. EXTRAITS REFERENTIELS DU BO Partie : L activité interne du globe 2. PLACE DE L ACTIVITE DANS UNE PROGRESSION Chapitre I. Les séismes Chapitre II. Les volcans 1. Comment se manifestent les éruptions volcaniques? 2. Comment expliquer la diversité des éruptions volcaniques? 3. Comment un volcan se construit-il? Quelle est l origine de la lave? Comment se forment les roches volcaniques? PIERRON 2007 page 1/16

2 3. PRESENTATION DE L ACTIVITE - Objectifs de connaissances Refroidissement par étapes du magma. Refroidissement lent et partiel, suivi d un refroidissement rapide et total du magma. Relation entre structure microlithique et vitesse de refroidissement. Relation entre vitesse de refroidissement et le fonctionnement du volcan. - Objectifs méthodologiques et/ou technologiques Réaliser un protocole expérimental. Construction d une hypothèse et de ses conséquences prévisibles. Saisir des informations pour valider l hypothèse. Réaliser une synthèse écrite et graphique. - Liste du matériel Lames, lamelles, un scalpel, un cristallisoir avec de l eau et des glaçons, une bougie décorative ou lampe à alcool et de la poudre de vanilline pure Réf Vidéogramme présentant le refroidissement de lave dans l eau de mer et la formation de pillow lava. Microscope polarisant Réf Loupes binoculaires Réf Intégration pédagogique La leçon précédente a montré que la lave après refroidissement donne un produit solidifié à l origine d une roche volcanique caractérisée par sa structure microlitique. Roche en fusion (lave, 1300 C) refroidissement solidification Roche volcanique à structure microlithique Il s agit maintenant d expliquer en quoi la structure microlithique caractérise le fonctionnement d un volcan, qu il soit de type explosif ou effusif. La construction d une hypothèse à ce problème est à priori complexe pour un élève de 4 e ; c est ainsi que l on proposera d abord d observer un fait de chimie : le refroidissement de la vanilline fondue. Les résultats obtenus pourront être l élément déclencheur de la mise en place d une hypothèse : à savoir la relation entre la vitesse de refroidissement et l aspect du produit solidifié. Cette approche présente également l avantage de ne pas assimiler la manipulation précédente à la réalisation d un modèle trop éloigné de la réalité. Comme une hypothèse est une solution provisoire demandant à être validée, nous proposons de confronter la proposition à un véritable modèle issu du milieu naturel : à savoir le refroidissement de la lave dans l eau de mer à l origine des pillow lavas. Un même magma basaltique est soumis à un refroidissement brutal sur sa périphérie et à un refroidissement beaucoup plus progressif en son coeur. L observation comparée des produits solidifiés en surface et en profondeur sera le banc d essai de l hypothèse à valider. On pourra ainsi associer le développement des cristaux au sein de la roche volcanique à un refroidissement lent et partiel ; le verre volcanique, non cristallisé, atteste d une deuxième étape de refroidissement, rapide et totale. Ce refroidissement par étapes est replacé dans le contexte de l appareil volcanique. La structure microlitique rend par conséquent compte du fonctionnement du volcan. PIERRON 2007 page 2/16

3 Fiche élève 4 e Nom : Prénom : Classe : Date : Evaluation expérimentale S.V.T. Activité 53 : Dynamique du volcan et structure de la roche volcanique Introduction : Les volcans de type explosif ou effusif produisent des roches volcaniques à structure microlithiques. Ce constat très général suggère que la structure de la roche est à mettre en relation avec le fonctionnement du volcan. Problème scientifique : En quoi la structure microlithique de la roche volcanique est-elle en relation avec le fonctionnement du volcan? Pour proposer une tentative d explication (= construction de l hypothèse), on rappellera dans un premier temps les acquis précédents : Roche en fusion (lave, 1300 C) refroidissement solidification Roche volcanique à structure microlitique Dans un 2 e temps, on s appuiera sur les résultats d une manipulation de chimie : le refroidissement de la vanilline fondue (voir partie 1) 1. Réalisation d un protocole manipulatoire Fiche technique : - Prépare 2 lames sur lesquelles tu déposes de la vanilline avec la pointe du scalpel. - Allume la bougie ou la lampe à alcool et fait fondre la vanilline. Sa température de fusion est de 80 C. - Dépose une lamelle sur chacune des lames avec la vanilline fondue et appuie légèrement. - Une des 2 lames refroidira progressivement à l air libre (situation N 1) ; l autre sera immergée à plat dans un cristallisoir contenant de l eau glacée (situation N 2). - Dans les deux cas, on attendra que la vanilline soit revenue à l état solide sous forme d un dépôt blanc entre lame et lamelle. - Les 2 lames seront examinées au microscope au faible grossissement. PIERRON 2007 page 3/16

4 Pierron - SVT Fiche élève 4e Questionnaire associé : - Quel est le facteur expérimental que l on fait varier entre les 2 manipulations? - Quel est l aspect microscopique de la vanilline solidifiée dans la première situation (voir cliché 1)? - Quel est l aspect microscopique de la vanilline solidifiée dans la deuxième situation (voir cliché 2)? - Ecris la relation entre la variable expérimentale et l aspect de la vanilline solidifiée. Cliché 1 Cliché 2 2. Construction d une hypothèse - Rappel du problème scientifique : en quoi la structure microlithique de la roche volcanique est-elle en relation avec le fonctionnement du volcan? - On sait que le basalte est constitué de dispersés dans un : c est à dire une partie. - On se rappelle les résultats de la manipulation réalisée dans la partie 1. PIERRON 2007 page 4/16

5 Fiche élève 4 e La mise en relation de ces différentes données permet de faire une proposition de réponse. Tu rédigeras l hypothèse explicative en complétant le texte suivant à l aide des termes proposés. Lent, rapide, partiel, total, en plusieurs étapes. On propose que le basalte est issu d un refroidissement du magma : un refroidissement et avec formation de cristaux dans le magma encore liquide ; un refroidissement et conduisant à l apparition d un verre volcanique autour des cristaux. Ceci expliquerait la structure microlithique. Une hypothèse est une solution provisoire qui doit être validée par des informations complémentaires (voir partie 3). 3. Saisir des informations nouvelles par un modèle naturel pour valider l hypothèse précédente. Si l hypothèse précédente est correcte, on peut s attendre aux conséquences prévisibles suivantes : Un même magma basaltique, selon la vitesse de refroidissement aura n aura pas (entoure la bonne réponse) le même aspect après solidification. Il existe dans la nature une situation de ce type, à savoir l émission de lave basaltique très chaude dans l eau de mer froide. Après solidification, on obtient ce qu on appelle des laves en coussin dit pillow lavas en anglais. Observez attentivement le film proposé montrant la mise en place des pillow lava. Complétez la phrase et le cliché suivant : Au contact de l eau, la partie périphérique de la lave refroidit. Le cœur du pillow lava quant à lui refroidit. Après solidification, les 2 parties sont visibles sur une coupe de pillow lava. Complète le cliché page suivante (cliché 1) pour distinguer ces deux parties et précise le type de refroidissement. PIERRON 2007 page 5/16

6 Fiche élève 4 e Coupe transversale dans un fragment de pillow lava (Cliché 1) Si l hypothèse précédente est correcte, alors la partie périphérique du pillow lava montrera un verre volcanique fortement ou faiblement développé ; la partie centrale du pillow lava montrera un verre volcanique fortement ou faiblement développé (entourer les bonnes réponses). Pour vérifier ces résultats attendus, on réalisera une observation microscopique de la partie périphérique et de la partie centrale du pillow lava. Observation microscopique d un pillow lavapartie périphérique (cliché 2) Grossissement X 40 Observation microscopique d un pillow lava-partie centrale (cliché 3) Grossissement X 40 Compare les résultats obtenus (clichés 2 et 3) et dit s ils sont conformes aux résultats attendus. Précise la relation entre formation des cristaux, formation d un verre et vitesse de refroidissement Il s agit maintenant de replacer ces relations dans le contexte du fonctionnement du volcan. PIERRON 2007 page 6/16

7 Fiche élève 4 e 4. Réaliser une synthèse écrite et graphique pour répondre au problème posé. - Rappel du problème scientifique : En quoi la structure microlithique de la roche volcanique est-elle en relation avec le fonctionnement du volcan? - Rappel du schéma de l appareil volcanique : Explosions Gaz Cratère Cône volcanique Projections de paquets de lave REFROIDISSEMENT = SOLIDIFICATION DE LA LAVE Coulées de lave Roche volcanique Dynamique volcanique 1 Cheminée volcanique 2 Fissure Quelques kilomètres Réservoir magmatique avec roches en fusion (1300 C) 3 Questionnaire associé : - Dans quelle partie de l appareil volcanique peut-on envisager un refroidissement lent et progressif du magma? - Dans quelle partie de l appareil volcanique peut-on envisager un refroidissement rapide et total de la lave? PIERRON 2007 page 7/16

8 Fiche élève 4 e - Dans quelle partie de l appareil volcanique peut-on envisager un refroidissement à vitesse intermédiaire? - Après correction des questions précédentes replace ces informations sur le schéma de l appareil volcanique (colonne de droite). - Construire collectivement avec le professeur une récapitulation du phénomène reliant fonctionnement du volcan et formation de la roche volcanique. PIERRON 2007 page 8/16

9 FICHE ELEVE CORRIGEE Activité 53 : Dynamique du volcan et structure de la roche volcanique Introduction : Les volcans de type explosif ou effusif produisent des roches volcaniques à structure microlithique. Ce constat très général suggère que la structure de la roche est à mettre en relation avec le fonctionnement du volcan. Problème scientifique : En quoi la structure microlithique de la roche volcanique est-elle en relation avec le fonctionnement du volcan? Pour proposer une tentative d explication (= construction de l hypothèse), on rappellera dans un premier temps les acquis précédents : Roche en fusion (lave, 1300 C) refroidissement solidification Roche volcanique à structure microlitique Dans un 2 e temps, on s appuiera sur les résultats d une manipulation de chimie : le refroidissement de la vanilline fondue (voir partie 1) 1. Réalisation d un protocole manipulatoire Fiche technique : - Prépare 2 lames et dépose de la vanilline avec la pointe du scalpel. - Allume la bougie ou la lampe à alcool et fait fondre la vanilline. Sa température de fusion est de 80 C. - Dépose une lamelle sur chacune des lames avec la vanilline fondue et appuie légèrement. - Une des 2 lames refroidira progressivement à l air libre (situation N 1) ; l autre sera immergée à plat dans un cristallisoir contenant de l eau glacée (situation N 2). - Dans les deux cas, on attendra que la vanilline soit revenue à l état solide sous forme d un dépôt blanc entre lame et lamelle. - Les 2 lames seront examinées au microscope au faible grossissement. PIERRON 2007 page 9/16

10 Pierron - SVT Fiche professeur 4e Questionnaire associé : - Quel est le facteur expérimental que l on fait varier entre les 2 manipulations? La vitesse de refroidissement - Quel est l aspect microscopique de la vanilline solidifiée dans la première situation (voir cliché 1)? La vanilline est totalement cristallisée - Quel est l aspect microscopique de la vanilline solidifiée dans la deuxième situation (voir cliché 2)? La vanilline se présente sous l aspect d un produit homogène et non cristallisé. - Ecris la relation entre la variable expérimentale et l aspect de la vanilline solidifiée. Selon la vitesse de refroidissement, le produit fondu se solidifie sous des aspects différents : - avec formation de cristaux lorsque le refroidissement est lent - avec formation d un produit homogène et non cristallisé lorsque le refroidissement est rapide Cliché 1 Cliché 2 2. Construction d une hypothèse - Rappel du problème scientifique : en quoi la structure microlithique de la roche volcanique est-elle en relation avec le fonctionnement du volcan? - On sait que le basalte est constitué de cristaux dispersé dans un verre : c est à dire une partie non cristallisée. - On se rappelle les résultats de la manipulation réalisée dans la partie 1. PIERRON 2007 page 10/16

11 La mise en relation de ces différentes données permet de faire une proposition de réponse. Tu rédigeras l hypothèse explicative en complétant le texte suivant à l aide des termes proposés. Lent, rapide, partiel, total, en plusieurs étapes. On propose que le basalte est issu d un refroidissement du magma en plusieurs étapes : un refroidissement lent et partiel avec formation de cristaux dans le magma encore liquide ; un refroidissement rapide et total conduisant à l apparition d un verre volcanique autour des cristaux. Ceci expliquerait la structure microlitique. Une hypothèse est une solution provisoire qui doit être validée par des informations complémentaires (voir partie 3). 3. Saisir des informations nouvelles par un modèle naturel pour valider l hypothèse précédente. Si l hypothèse précédente est correcte, on peut s attendre aux conséquences prévisibles suivantes : Un même magma basaltique, selon la vitesse de refroidissement aura n aura pas (entourer la bonne réponse) le même aspect après solidification. Il existe dans la nature une situation de ce type, à savoir l émission de lave basaltique très chaude dans l eau de mer froide. Après solidification, on obtient ce qu on appelle des laves en coussin dit pillow lavas en anglais. Observe attentivement le film proposé montrant la mise en place des pillow lavas. Compléte la phrase et le cliché suivant : Au contact de l eau, la partie périphérique de la lave refroidit rapidement. Le cœur du pillow lava quant à lui refroidit lentement. Après solidification, les 2 parties sont visibles sur une coupe de pillow lava. Complète le cliché page suivante (cliché 1) pour distinguer ces deux parties et précise le type de refroidissement. PIERRON 2007 page 11/16

12 Coupe transversale dans un fragment de pillow lava (Cliché 1) Partie périphérique : refroidissement rapide Partie centrale : refroidissement lent Si l hypothèse précédente est correcte, alors la partie périphérique du pillow lava montrera un verre volcanique fortement ou faiblement développé ; la partie centrale du pillow lava montrera un verre volcanique fortement ou faiblement développé (entourer les bonnes réponses). Pour vérifier ces résultats attendus, on réalisera une observation microscopique de la partie périphérique et de la partie centrale du pillow lava. Observation microscopique d un pillow lava partie périphérique (cliché 2) Grossissement X 40 Observation microscopique d un pillow lava partie centrale (cliché 3) Grossissement X 40 PIERRON 2007 page 12/16

13 Compare les résultats obtenus (clichés 2 et 3) et dites s ils sont conformes aux résultats attendus. Précisez la relation entre formation des cristaux, formation d un verre et vitesse de refroidissement. Dans le cliché 2 (partie périphérique) le verre est largement développé. Dans le cliché 3 (partie centrale) le verre est peu développé, par contre les cristaux sont très abondants. Ces observations sont conformes aux résultats attendus. Les cristaux se développent dans un contexte de refroidissement lent et progressif ; le verre correspond à un épisode de refroidissement rapide. L hypothèse (partie 2) est par conséquent validée par l observation du réel sur le terrain. Il s agit maintenant de replacer ces relations dans le contexte du fonctionnement du volcan. PIERRON 2007 page 13/16

14 4. Réaliser une synthèse écrite et graphique pour répondre au problème posé. - Rappel du problème scientifique : En quoi la structure microlitique de la roche volcanique est-elle en relation avec le fonctionnement du volcan? - Rappel du schéma de l appareil volcanique : Fissure Explosions Gaz Cratère Cône volcanique Cheminée volcanique Réservoir magmatique avec roches en fusion (1300 C) Projections de paquets de lave REFROIDISSEMENT = SOLIDIFICATION DE LA LAVE Quelques kilomètres Coulées de lave Roche volcanique Dynamique volcanique refroidissement brutal de la partie encore liquide de la lave - formation d un verre volcanique autour des cristaux déjà formés - remontée du magma le long de la cheminée - refroidissement plus ou moins rapide avec formation de petits cristaux (= les microlites). - refroidissement lent et progressif (plusieurs années) - cristallisation partielle dans le magma liquide et apparition de gros cristaux Questionnaire associé : - Dans quelle partie de l appareil volcanique peut-on envisager un refroidissement lent et progressif du magma? Dans la chambre magmatique - Dans quelle partie de l appareil volcanique peut-on envisager un refroidissement rapide et total de la lave? A l extérieur du volcan PIERRON 2007 page 14/16

15 - Dans quelle partie de l appareil volcanique peut-on envisager un refroidissement à vitesse intermédiaire? Dans la cheminée volcanique - Après correction des questions précédentes replace ces informations sur le schéma de l appareil volcanique (colonne de droite). - Construire collectivement avec le professeur une récapitulation du phénomène reliant fonctionnement du volcan et formation des roches volcaniques. Roche en fusion 1300 C Magma Refroidissement lent et partiel 1 ère étape Magma liquide contenant des cristaux Refroidissement ± rapide et total 2 ème étape Développement ± important de la partie verre volcanique Réservoir et cheminée extérieur Après solidification : roche à structure microlitique PIERRON 2007 page 15/16

16 PISTES D EVALUATION PARTIES OBJECTIFS RESULTATS BAREME 1.1 Savoir suivre un protocole manipulatoire Savoir utiliser le microscope et faire une mise au point au grossissement demandé Saisir des informations et les mettre en relation Savoir construire une hypothèse Saisir des informations et les mettre en relation pour tester une hypothèse Savoir réaliser une synthèse pour répondre au problème scientifique 3 4 TOTAL 20 PIERRON 2007 page 16/16

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