continents et leur dynamique

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3 2 Les continents et leur dynamique Les objectifs généraux de cette partie En classe de Première S, l attention s est portée principalement sur le domaine océanique. En classe de Terminale, on aborde le domaine continental. Il s agit de dégager les caractéristiques de la lithosphère continentale et d en comprendre l évolution à partir de données de terrain. La compréhension de la dynamique de la lithosphère devient ainsi plus complète. Une correspondance entre le programme officiel et les chapitres du manuel Connaissances La lithosphère est en équilibre (isostasie) sur l asthénosphère. Les différences d altitude moyenne entre les continents et les océans s expliquent par des différences crustales. La croûte continentale, principalement formée de roches voisines du granite, est d une épaisseur plus grande et d une densité plus faible que la croûte océanique. L âge de la croûte océanique n excède pas 200 Ma, alors que la croûte continentale date par endroits de plus de 4 Ga. Cet âge est déterminé par radiochronologie. Au relief positif qu est la chaîne de montagnes, répond, en profondeur, une importante racine crustale. L épaisseur de la croûte résulte d un épaississement lié à un raccourcissement et un empilement. On en trouve des indices tectoniques (plis, failles, nappes) et des indices pétrographiques (métamorphisme, traces de fusion partielle). Les résultats conjugués des études tectoniques et minéralogiques permettent de reconstituer un scénario de l histoire de la chaîne. Les chaînes de montagnes présentent souvent les traces d un domaine océanique disparu (ophiolites) et d anciennes marges continentales passives. La «suture» de matériaux océaniques résulte de l affrontement de deux lithosphères continentales (collision). Tandis que l essentiel de la lithosphère continentale continue de subduire, la partie supérieure de la croûte s épaissit par empilement de nappes dans la zone de contact entre les deux plaques. Les matériaux océaniques et continentaux montrent les traces d une transformation minéralogique à grande profondeur au cours de la subduction. La différence de densité entre l asthénosphère et la lithosphère océanique âgée est la principale cause de la subduction. En s éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit et s épaissit. L augmentation de sa densité au-delà d un seuil d équilibre explique son plongement dans l asthénosphère. En surface, son âge n excède pas 200 Ma. 1 Les chapitres du manuel La croûte continentale (pages ) Les activités pratiques Act. 1 La lithosphère en équilibre sur l asthénosphère Act. 2 L épaisseur et la densité de la croûte continentale Act. 3 Des indices tectoniques de l épaississement crustal Act. 4 Des indices pétrographiques de l épaississement crustal Act. 5 L âge de la lithosphère continentale 2 La formation des chaînes de montagnes (pages ) Les activités pratiques Act. 1 Le modèle de la formation d une chaîne de montagnes Act. 2 Les traces d un ancien domaine océanique Act. 3 Les traces d une marge continentale passive Act. 4 Les témoins d une ancienne subduction Act. 5 Les causes de la subduction Act. 6 Les traces de la collision continentale 102 Partie 2. Les continents et leur dynamique

4 Dans les zones de subduction, des volcans émettent des laves souvent visqueuses associées à des gaz et leurs éruptions sont fréquemment explosives. La déshydratation des matériaux de la croûte océanique subduite libère de l eau qu elle a emmagasinée au cours de son histoire, ce qui provoque la fusion partielle des péridotites du manteau sus-jacent. Si une fraction des magmas arrive en surface (volcanisme), la plus grande partie cristallise en profondeur et donne des roches à structure grenue de type granitoïde. Un magma, d origine mantellique, aboutit ainsi à la création de nouveau matériau continental. Les chaînes de montagnes anciennes ont des reliefs moins élevés que les plus récentes. On y observe à l affleurement une plus forte proportion de matériaux transformés et/ou formés en profondeur. Les parties superficielles des reliefs tendent à disparaître. Altération et érosion contribuent à l effacement des reliefs. Les produits de démantèlement sont transportés sous forme solide ou soluble, le plus souvent par l eau, jusqu en des lieux plus ou moins éloignés où ils se déposent (sédimentation). Des phénomènes tectoniques participent aussi à la disparition des reliefs. L ensemble de ces phénomènes débute dès la naissance du relief et constitue un vaste recyclage de la croûte continentale. 3 Zones de subduction et production de croûte continentale (pages ) Les activités pratiques Act. 1 Le volcanisme des zones de subduction Act. 2 Les roches magmatiques des zones de subduction Act. 3 La genèse des magmas des zones de subduction Act. 4 La mise en place de nouveaux matériaux continentaux 4 La disparition des reliefs (pages ) Les activités pratiques Act. 1 L aplanissement des chaînes de montagnes Act. 2 L altération des roches Act. 3 Le transport des produits issus de l altération Act. 4 Des réajustements isostatiques Act. 5 L étirement des chaînes de montagnes Les objectifs généraux 103

5 2 1 La croûte continentale 1 La lithosphère en équilibre sur l asthénosphère (p ) Connaissances La lithosphère est en équilibre (isostasie) sur l asthénosphère. Les différences d altitude moyenne entre les continents et les océans s expliquent par des différences crustales. Au relief positif qu est la chaîne de montagnes, répond, en profondeur, une importante racine crustale. Capacités et attitudes Recenser, extraire et organiser des informations afin de comprendre l équilibre de la lithosphère sur l asthénosphère. Établir une relation entre les observations de Bouguer et le concept d isostasie. Construire et exploiter des modèles. 1. Les intentions pédagogiques La distinction lithosphère-asthénosphère, connue des élèves depuis le collège, est replacée d un point de vue historique en classe de Première S. Il s agit maintenant, en classe de Terminale, de préciser les modèles proposés par les scientifiques pour expliquer l équilibre de la lithosphère sur l asthénosphère, c est-à-dire l isostasie. La gravimétrie correspond à l étude des variations de l intensité de la pesanteur. L objectif du document 1 est de montrer que l intensité de la pesanteur terrestre dépend de plusieurs paramètres dont la répartition des masses à l intérieur du globe. Le document 2 illustre les anomalies gravimétriques mesurées en France, appelées anomalie de Bouguer (physicien qui mit en évidence des anomalies gravimétriques dans les Andes en 1738). Ce document permet d insister sur le fait qu au niveau des chaînes de montagnes, l anomalie de Bouguer est négative, ce qui s interprète comme un déficit de masse en profondeur. Ces mesures sont à la base du concept d isostasie. Le document 3 décrit deux modèles permettant de comprendre l isostasie, c est-à-dire l état d équilibre de la lithosphère sur l asthénosphère. Les élèves peuvent construire les modèles avec une série de tasseaux de même densité (modèle d Airy) ou de densités différentes (modèle de Pratt). Il s agit d illustrer la notion de surface de compensation et de racine crustale (modèle d Airy). 2. Les pistes d exploitation Informations déduites de l analyse des documents : Doc. 1 et 2 : La mesure de l intensité de la pesanteur, au niveau des chaînes de montagnes en particulier, montre des valeurs bien inférieures à celles théoriquement attendues. Ces anomalies gravimétriques ont conduit à l idée que l excès de masse représenté par le relief positif d une chaîne de montagnes est compensé en profondeur par un déficit de masse, c est-à-dire par de la croûte continentale peu dense (racine crustale). Doc. 3 : Dans le modèle d Airy, la croûte présente une densité constante et repose sur des roches de densité supérieure. L état d équilibre de chaque colonne de roches au- 104 Partie 2. Les continents et leur dynamique

6 dessus de la surface de compensation s explique par des proportions différentes de chaque type de roches dans les colonnes. Dans le modèle de Pratt, chaque colonne de roches présente une densité différente. Plus cette densité est forte, plus la hauteur de la colonne de roches est faible au-dessus de la surface de compensation. Le modèle d Airy représenterait ce qui est détecté par les études sismiques, c est-àdire la présence de croûte continentale profonde sous les chaînes de montagnes, nommée «racine crustale». Synthèse : réponse au problème à résoudre L équilibre de la lithosphère sur l asthénosphère (isostasie) s explique par la présence d une surface de compensation au-dessus de laquelle les colonnes de roches, bien qu ayant des hauteurs variables, ont toutes la même masse, seules les densités des roches étant différentes. 3. Ressources complémentaires Manuel universitaire : «Éléments de géologie» Pomerol, Éditions Dunod. Compléments scientifiques sur le site : Chapitre 1. La croûte continentale 105

7 2 L épaisseur et la densité de la croûte continentale (p ) Connaissances La croûte continentale, principalement formée de roches voisines du granite, est d une épaisseur plus grande et d une densité plus faible que la croûte océanique. Capacités et attitudes Recenser, extraire et organiser des informations afin de déterminer l épaisseur de la croûte continentale. Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique. Manipuler et expérimenter. 1. Les intentions pédagogiques Le document 1 présente des sismogrammes récents enregistrés dans le sud-est de la France au sein même des établissements scolaires (réseau «sismo à l École»). Il s agit d indiquer aux élèves qu à partir de ces d enregistrements, il est possible de calculer la profondeur du Moho. En effet, on constate la présence d ondes PmP, c est-à-dire des ondes P arrivées en retard car elles se sont propagées dans la croûte continentale et ont été réfléchies sur la discontinuité de Mohorovicic. En utilisant le théorème de Pythagore, la profondeur du point de réflexion peut être déterminée. Les documents 2 et 3 ont pour objectif de montrer aux élèves qu il est possible de déterminer la densité de la croûte continentale à partir de l étude du granite. Le document 2 permet de rappeler les principales caractéristiques minéralogiques du granite. Le document 3 décrit une manipulation permettant de calculer en classe la densité d un granite et de la comparer à celles d autres roches connues des élèves, en particulier, le basalte. 2. Les pistes d exploitation Informations déduites de l analyse des documents : Doc. 1 : Décalage entre les ondes Pg et PmP pour le séisme de Gardanne : 7,9 s. Profondeur du Moho déterminée à partir du séisme de Gardanne : 28,7 km. Profondeur du Moho déterminée à partir du séisme de Digne : 40,2 km. Dans ce deuxième cas, c est la profondeur du Moho au niveau approximatif de Manosque (à mi-chemin entre Gardanne et Digne) qui est estimée (alors que dans le premier cas, c est la profondeur dans la région aixoise). On constate donc que le Moho est plus profond en s approchant des Alpes. L épaisseur de la croûte continentale est plus grande sous des reliefs plus élevés, ce qui peut être en lien avec la présence d une «racine crustale» sous la chaîne de montagnes. Doc. 2 : Quartz, feldspaths et biotites bien visibles. Doc. 3 : Les mesures de densité du granite montrent des valeurs entre 2,5 et 2,7. Une roche volcanique est formée à partir du refroidissement rapide d une lave à l issue d une éruption volcanique. Une roche plutonique se forme par le refroidissement lent d un magma en profondeur. Synthèse : réponse au problème à résoudre L épaisseur de la croûte continentale peut être déterminée à partir d enregistrements d ondes sismiques, avec la présence des ondes PmP. On constate que la croûte 106 Partie 2. Les continents et leur dynamique

8 continentale est bien plus épaisse que la croûte océanique (7 km d épaisseur), en particulier sous les chaînes de montagnes. La densité de la croûte continentale, définie à partir de celle du granite qui est sa roche principale, montre des valeurs inférieures à celles de la croûte océanique. 3. Ressources complémentaires Site «Sismo à l École» : 3 Des indices tectoniques de l épaississement crustal (p ) Connaissances L épaisseur de la croûte résulte d un épaississement lié à un raccourcissement et un empilement. On en trouve des indices tectoniques (plis, failles, nappes). Capacités et attitudes Recenser, extraire et organiser des informations afin d identifier des indices tectoniques de l épaississement crustal. Manipuler des modèles scientifiques. 1. Les intentions pédagogiques Il s agit ici d illustrer certaines déformations rocheuses visibles en surface et indiquant un épaississement de la croûte continentale. L objectif est de faire comprendre aux élèves que la convergence des plaques se traduit par d intenses déformations de la lithosphère continentale qui s adapte en se raccourcissant. Trois aspects sont exposés : les plis, déformations plastiques (document 1), les failles inverses, déformations cassantes (document 2) et les nappes de charriage (document 3). Un modèle analogique simple à mettre en œuvre est proposé pour relier les types de déformations (plastiques ou cassantes) aux caractéristiques des matériaux impliqués. 2. Les pistes d exploitation Informations déduites de l analyse des documents : Doc. 1, 2 et 4 : Les roches se sont déformées sous l effet de contraintes compressives. Les différences de comportement des roches (plastique ou cassant) peuvent s expliquer par des vitesses de déformations plus ou moins importantes. Il peut s agir aussi de différences de température des roches au moment de leur déformation, selon qu elles se trouvent en profondeur ou non. Doc. 3 : On constate deux anomalies dans la succession des strates : les roches datées du Tertiaire ( 65 Ma à 2,6 Ma) sont recouvertes de roches du Jurassique ( 205 à 137 Ma) donc plus anciennes. De même, les roches du Crétacé ( 145 à 65 Ma) sont surmontées par des séries du Trias ( 251 à 200 Ma). De grandes surfaces de roches ont été déplacées modifiant ainsi l ordre des dépôts des séries sédimentaires visibles actuellement. Chapitre 1. La croûte continentale 107

9 Doc. 1 à 4 : Les contraintes compressives sont à l origine des plis, des failles inverses et des nappes de charriage. L ensemble de ces déformations rocheuses entraîne un raccourcissement avec une superposition des couches rocheuses et donc un épaississement de la croûte continentale. Synthèse : réponse au problème à résoudre Les plis, les failles inverses et les nappes de charriage sont les indices tectoniques qui marquent un épaississement de la croûte continentale suite à des contraintes compressives. 3. Ressources complémentaires Manuel universitaire : «Géologie Objets, méthodes et modèles», Dercourt et Paquet, Éd. Dunod. 4 Des indices pétrographiques de l épaississement crustal (p ) Connaissances L épaisseur de la croûte résulte d un épaississement lié à un raccourcissement et un empilement. On en trouve des indices pétrographiques (métamorphisme, traces de fusion partielle). Les résultats conjugués des études tectoniques et minéralogiques permettent de reconstituer un scénario de l histoire de la chaîne. Capacités et attitudes Recenser, extraire et organiser des informations afin d identifier des indices de l épaississement de la croûte continentale. Utiliser le microscope polarisant. 1. Les intentions pédagogiques L objectif est ici de montrer aux élèves qu un épaississement de la croûte continentale s accompagne de modifications des conditions de température et de pression à l inté rieur de celle-ci. Les roches sont alors modifiées et «enregistrent» ces nouvelles conditions. L étude de ces roches dites métamorphiques permet de reconstituer les conditions de leur formation. Les élèves connaissent les roches sédimentaires et les roches magmatiques mais c est la première fois que les roches métamorphiques sont étudiées. Le document 1 présente trois roches de même composition chimique trouvées en Limousin. Il s agit pour l élève, à partir de la disposition des minéraux et des modifications minéralogiques constatées, de comprendre le phénomène de métamorphisme. En établissant un lien avec le document 3, les élèves comprennent que les roches ont été formées à des profondeurs de plus en plus grandes, signe d un épaississement de la croûte continentale. Le document 2 illustre le phénomène d anatexie avec l observation de lentilles granitiques dans le gneiss. En reliant cette observation avec le document 3, les élèves comprennent qu une roche métamorphique comme le gneiss subit une fusion partielle lorsqu elle se trouve en profondeur dans une croûte continentale épaissie (ici, une profondeur de 25 km avec une température supérieure à 600 C). 108 Partie 2. Les continents et leur dynamique

10 2. Les pistes d exploitation Information déduites de l analyse des documents : Doc. 1 : Les roches ont subi des transformations minéralogiques avec l apparition du grenat par exemple. De plus, elles présentent toutes une schistosité bien marquée. Ces roches proviennent de roches sédimentaires appelées pélites qui ont été soumises à des conditions de pression et de température différentes de celles dans lesquelles elles se sont formées. Elles ont subi des transformations à l état solide sans modification de la composition chimique. C est pourquoi on les qualifie de métamorphiques. Doc. 1 et 3 : La roche R1 s est formée à une profondeur d environ 15 km et à une température de 400 C, la roche R2 à 18 km, 450 C et la roche R3 à 20 km, 550 C. Doc. 1, 2 et 3 : Les minéraux contenus dans ces roches indiquent qu elles se sont formées dans des conditions Pression-Profondeur-Température de plus en plus élevées. Ces roches ont donc été enfouies à la faveur d un épaississement de la croûte continentale au cours de l orogenèse hercynienne (ère Primaire ou Paléozoïque). Synthèse : réponse au problème à résoudre L épaississement de la croûte continentale entraîne des modifications au sein des roches. Les indices pétrographiques en sont : l apparition d une schistosité, la formation de nouveaux minéraux stables dans des conditions de pression et de température de plus en plus élevées et les traces de fusion partielle dans les migmatites. 3. Ressources complémentaires Compléments scientifiques : Chapitre 1. La croûte continentale 109

11 5 L âge de la lithosphère continentale (p ) Connaissances L âge de la croûte océanique n excède pas 200 Ma, alors que la croûte continentale date par endroit de plus de 4 Ga. Cet âge est déterminé par radiochronologie. Capacités et attitudes Recenser, extraire et organiser des informations afin de comprendre les méthodes de datation de la croûte continentale. Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique. 1. Les intentions pédagogiques Le document 1 présente le principe physique de la géochronologie afin que les élèves appréhendent la méthode Rubidium/Strontium développée dans le document 2. L objec tif est ici de comprendre la méthode permettant de déterminer un âge à partir de la droite isochrone. Le document 3 permet aux élèves d appliquer la méthode à partir d un exemple précis : datation du granite de Saint-Sylvestre, situé dans le nord du Limousin. Le document 4 présente les roches parmi les plus anciennes trouvées au niveau de la croûte continentale terrestre. Le planisphère permet de situer les masses rocheuses les plus anciennes sur les différents continents. C est au sein de ces ensembles rocheux que l on trouve actuellement des roches âgées de plus de 4 milliards d années, comme dans la région d Acasta au Canada. 2. Les pistes d exploitation Informations déduites de l analyse des documents Doc. 1 et 2 : Les éléments radioactifs présents dans les roches se désintègrent spontanément, et se transforment en éléments stables. On peut doser la quantité des différents isotopes dans un échantillon à l aide d un spectromètre de masse qui sépare les isotopes. En se désintégrant, un élément radioactif «père» se transforme spontanément en un élément «fils». C est ainsi que le rubidium 87 ( 87 Rb) se transforme en strontium 87 ( 87 Sr). La désintégration de tout élément radioactif constitue une véritable «horloge» car elle se fait en suivant une loi mathématique immuable de décroissance exponentielle en fonction du temps : quelle que soit la quantité d élément père présente au départ, il faut toujours le même temps pour que cette quantité soit réduite de moitié par désintégration. Cette durée caractéristique d un élément est sa demi-vie (t 1/2 ). Elle varie d un élément à l autre et peut atteindre plusieurs milliards d années. Avec le couple Rb/Sr, il est possible de dater des roches de plusieurs milliards d années. Doc. 2 : Au cours du temps, 87 Rb diminue au profit de 87 Sr. Donc le rapport 87 Rb/ 86 Sr diminue et le rapport 87 Sr/ 86 Sr augmente. Doc. 2 et 3 : L âge du granite de Saint Sylvestre déterminé à l aide de la méthode de la droite isochrone est d environ 310 Ma. Doc. 4 : Les roches les plus anciennes de la croûte continentale ont plus de 4 milliards d années, celles de la croûte océanique 200 millions d années. Les roches de la croûte continentale sont principalement des granites alors que la croûte océanique est 110 Partie 2. Les continents et leur dynamique

12 composée de basaltes et de gabbros. La densité moyenne de la croûte continentale est de 2,7, celle de la croûte océanique est de 3. L épaisseur de la croûte continentale est en moyenne de 35 km et peut aller jusqu à 70 km sous les chaînes de montagnes, celle de la croûte océanique est de 5 à 7 km. Synthèse : réponse au problème à résoudre L âge des roches de la croûte continentale peut être estimé par des méthodes de radiochronologie qui utilisent les isotopes radioactifs, contenus dans les roches, qui se désintègrent spontanément en éléments stables. Par exemple, à l aide de la méthode de la droite isochrone pour le couple Rb/Sr, il est possible de dater des roches de plusieurs centaines de millions d années, voire milliards d années. 3. Ressources complémentaires Site académique de Limoges (datation des granites) : Compléments scientifiques sur la datation absolue : Chapitre 1. La croûte continentale 111

13 p. 160 à 163 Pour la partie «Maîtriser ses connaissances» : la correction des exercices «Pour s entraîner» figure à la fin du manuel de l élève, pages 396 à 401 ; la correction de la partie «Objectif BAC» comporte seulement une correction des QCM ; en effet, les questions de synthèse sont des restitutions de connaissances où toute liberté est laissée à l élève pour construire une réponse organisée. 6 Le métamorphisme régional Les bonnes réponses sont : 1b ; 2a ; 3c. 8 Une croûte continentale épaissie Document 1 : affleurement montrant un pli découpé par une faille inverse. Document 2 : affleurement à Saillans sur lequel une faille inverse est visible. Document 3 : une importante surface de roches du Trias surmonte des roches de l Eocè ne. Il s agit d une anomalie dans la succession des strates sédimentaires car des roches plus anciennes reposent sur des roches plus récentes. Les roches du Trias constituent une nappe de charriage qui a été déposée à la faveur d un événement tectonique majeur. L ensemble des structures géologiques visibles sur les documents signe un épaississement de la croûte continentale qui a subi des contraintes compressives importantes. 9 La croûte continentale en équilibre isostatique En s appuyant sur la notion d équilibre isostatique, on considère que l équilibre des masses est réalisé sur les différentes verticales. Ainsi, on peut écrire : Masse de la colonne A = masse de la colonne B (2,7 30) + (3,2 X 1 ) = 2,7( X 1 ) X 1 = 16,2 km De la même façon pour X 2 : 2,7 30 = (1 4) + (2,7 X 2 ) + (3,2(30 4 X 2 )) X 2 = 12,4 km 10 Datation de deux granites par la méthode Rubidium-Strontium À partir des valeurs des différents rapports isotopiques, les deux droites isochrones peuvent être construites, ce qui permet de déterminer a. L application de la formule t = ln (a + 1) / donne l âge des granites de chaque massif. Granite de Piégut-Pluviers : t = 314 +/- 15 Ma Granite de Saint-Mathieu : t = 310 +/- 15 Ma On peut donc penser que ces deux granites sont de même âge, aux incertitudes des mesures près. 112 Partie 2. Les continents et leur dynamique

14 11 Le Moho sous les Alpes L épaisseur de la croûte continentale peut atteindre 60 km sous les Alpes. Le tracé du Moho illustre la présence d une racine crustale sous la chaîne de montagnes, ce qui est en accord avec le modèle d isostasie d Airy. 12 Des roches du Massif de l Agly L observation du micaschiste 3 et de sa lame mince montre la présence de quartz et de biotite. En se référant au diagramme PT, on peut penser que cette roche s est formée dans des conditions de température situées entre 400 et 500 C sous 0,2 GPa de pression. Le micaschiste 4 est formé de quartz et de biotite mais aussi de l andalousite et de la muscovite. Il s est formé autour de 600 C sous 0,2 à 0,3 GPa de pression. Le micaschiste 1 possède en plus de la sillimanite. Le diagramme PT nous indique que cette roche s est formée aux alentours de 650 C sous une pression de 0,3 GPa. Enfin, le micaschiste 2 présente des traces de fusion partielle. Sur le diagramme PT, on en déduit que cette dernière roche s est formée à proximité de la zone d anatexie, à une température proche de 700 C et une pression de 0,4 GPa. L étude des roches actuellement à l affleurement montre que les pressions et les températures auxquelles ont été soumises ces roches sont de plus en plus fortes en allant vers l ouest. La région a subi un épisode tectonique important qui a entraîné un épaississement de la croûte continentale, amenant ainsi des roches en profondeur, dans de nouvelles conditions PT, avec formation de nouveaux minéraux (métamorphisme) et fusion partielle (anatexie). Chapitre 1. La croûte continentale 113

15 2 2 La formation des chaînes de montagnes 1 Le modèle de la formation d une chaîne de montagnes (p ) Connaissances Si les dorsales océaniques sont le lieu de la divergence des plaques, les zones de subductions sont les domaines de la convergence à l échelle lithosphérique. Ces régions sont étudiées ici pour comprendre une situation privilégiée de raccourcissement et d empilement et donc de formation de chaînes de montagnes. Capacités et attitudes Recenser, extraire et organiser des informations à partir d un modèle. Organiser des informations afin d établir une relation entre un modèle et le réel. 1. Les intentions pédagogiques En classe de Quatrième, le modèle global de la tectonique des plaques est présenté. La formation des chaînes de montagnes avec la notion de collision continentale sont abordées. Il s agit ici de présenter l ensemble du scénario de la formation d une chaîne de montagnes, tel qu il est proposé par le modèle de la tectonique des plaques. Le document 1 permet aux élèves de visualiser le modèle global avec les trois étapes principales. Les schémas permettent de replacer l ensemble des structures mises en jeu et d en préciser les définitions. Les élèves pourront se référer à ce modèle tout au long du chapitre et établir des relations avec les observations de terrain. Le document 2 présente une partie de la chaîne des Alpes franco-italiennes, chaîne de montagnes susceptible de présenter des structures géologiques en correspondance avec le modèle. La carte géologique incite l élève à comprendre qu il y a dans les Alpes des terrains de natures et d âges variés, ce qui témoigne d une histoire riche en événements. Les différents points étudiés dans les activités pratiques suivantes sont localisés sur cette carte. 2. Les pistes d exploitation Informations déduites de l analyse des documents Doc. 1 et 2 : Un océan (l océan alpin) séparait les plaques européenne et africaine. Cet océan devait être bordé de deux marges continentales passives, une côté européen, l autre côté africain. Suite à un changement global des contraintes, l océan se referme à la faveur d une subduction océanique. Une fois l océan refermé, le continent africain et le continent européen entrent en collision, ce qui forme la chaîne actuelle des Alpes. Doc. 1 et 2 : Les indices de cette histoire géologique possible pouvant être trouvés dans les Alpes sont : 114 Partie 2. Les continents et leur dynamique

16 la présence en altitude de portions de lithosphère océanique ayant constitué l océan alpin ; la présence d anciens blocs basculés issus d une ancienne marge continentale passive ; la présence de roches métamorphiques avec des marqueurs de haute pression signant l enfoncement en profondeur de la croûte océanique au cours de la subduction ; et enfin, un épaississement crustal avec la présence d une racine crustale sous la chaîne de montagnes. Synthèse : réponse au problème à résoudre Le scénario présente trois étapes principales : une phase d ouverture océanique avec formation de lithosphère océanique entre deux continents, c est l expansion océanique ; une phase de fermeture de l océan à la faveur d une subduction océanique ; une phase de collision entre deux continents entraînant un épaississement de la croûte continentale avec la formation d une racine crustale, une fusion partielle des roches continentales profondes et le charriage d une portion de lithosphère océanique en altitude (ophiolites). 3. Ressources complémentaires Compléments scientifiques : Lithothèque Aix-Marseille : affl_stver6cu.htm 2 Les restes d un ancien domaine océanique (p ) Connaissances Les chaînes de montagnes présentent souvent les traces d un domaine océanique disparu (ophiolites). Capacités et attitudes Recenser, extraire et organiser des informations à partir d observations de terrain. Organiser des informations afin d établir une relation entre des roches observées dans les Alpes et des observations directes de la lithosphère océanique. 1. Les intentions pédagogiques Nous avons choisi de débuter l activité par une présentation de la structure verticale de la lithosphère océanique (document 1) telle qu elle peut être observée directement en profondeur ou par des forages. L élève peut ensuite établir une relation entre ces données de terrain et les observations réalisées au niveau de la chaîne des Alpes (document 2), identifiant ainsi les restes de «l océan perdu» du domaine alpin. Chapitre 2. La formation des chaînes de montagnes 115

17 Les ophiolites alpines sont présentées mais il ne s agit pas de réaliser une étude exhaustive de ces formations ; l élève doit simplement, grâce aux documents présentés, identifier en quoi elles témoignent de l existence passée d un océan en lieu et place de la chaîne de montagnes actuelle. Pour cette raison, nous avons décidé de ne pas insister sur les particularités de ces ophiolites alpines, très singulières par leur faible épaisseur et la présence très fréquente de contacts directs entre basaltes et péridotites. Ces particularités sont interprétées comme les témoins d une lithosphère de type «océan Atlantique» ou encore de «dorsale lente». Le massif du Chenaillet (document 2) a été choisi pour cette raison. Il présente en effet, une association de roches (basaltes/ gabbros/péridotites) en accord avec les observations présentées dans le document 1. La présence dans ce massif de serpentinites et de métagabbros à faciès schiste vert indique que la lithosphère océanique du Chenaillet est une lithosphère âgée qui a subi une hydratation importante lors de l expansion océanique. Ces observations seront à mettre en relation avec les données des Activités pratiques Les pistes d exploitation Informations déduites de l analyse des documents Doc. 1 : Les roches qui constituent la lithosphère océanique sont, du haut vers le bas : les sédiments, les basaltes en pillow-lavas, les filons verticaux de basalte, les gabbros puis les péridotites du manteau. Doc. 2 : Un complexe ophiolitique est un ensemble rocheux issu d une portion de lithosphère océanique charriée sur le continent au cours d une orogenèse. La limite entre les gabbros et les péridotites est le Moho, c est-à-dire la limite croûte-manteau. Doc. 1 et 2 : L ensemble des roches observées au niveau du massif du Chenaillet, avec la succession basaltes-gabbros-péridotites, correspond aux roches observées directement au niveau d une lithosphère océanique. Synthèse : réponse au problème à résoudre L observation de complexes ophiolitiques en altitude au niveau des Alpes indique la présence d un ancien océan. 3. Ressources complémentaires Les ophiolites du Chenaillet : Partie 2. Les continents et leur dynamique

18 3 Les traces d une ancienne marge passive (p ) Connaissances Les chaînes de montagnes présentent souvent les traces d anciennes marges continentales passives. Capacités et attitudes Recenser, extraire et organiser des informations à partir d observations de terrain. Organiser des informations afin d établir une relation entre des structures géologiques alpines et la structure d une marge passive actuelle. 1. Les intentions pédagogiques Cette double page est construite sur le même principe que la précédente, avec la présentation des caractéristiques d une marge continentale passive actuelle, afin que les élèves puissent comprendre que les observations réalisées dans les Alpes signent la présence d une ancienne marge passive. En effet, la naissance d un océan par déchirure continentale n est plus au programme de la classe Première S. Il s agit ici de poursuivre les investigations en recherchant les traces des marges passives de l océan alpin en lien avec le modèle présenté initialement. Deux types de témoins sont présentés : des indices tectoniques et des indices sédimentaires. Le document 1 présente les structures géologiques d une marge continentale passive actuelle avec un profil sismique et son interprétation. Les élèves visualisent ainsi les caractéristiques géologiques de ces marges et comprennent qu elles ont enregistré l ouver ture précoce de l océan avec la déchirure de la croûte continentale. Le document 2 illustre les observations effectuées actuellement dans les Alpes. Ce document permet de mettre en évidence la fracturation du socle par des failles normales dans une direction NE-SO, perpendiculaire à celle de l extension qui est à l origine de l ouverture océanique. Les photographies et la carte géologique montrent que ces failles découpent le socle en blocs successifs. La fracturation s est accompagnée du basculement des blocs continentaux, ce qui a eu pour conséquence une subsidence tectonique au creux des blocs avec le dépôt d une importante quantité de sédiments. Les failles normales ainsi que le basculement des blocs (tectonique syn-rift) sont datés par datation relative du Lias c est-à-dire du Jurassique inférieur ( 190 Ma). Ces événements ont précédé l ouverture de l océan puisque l âge de la croûte océanique est bien plus récent ( 150 Ma). 2. Les pistes d exploitation Informations déduites de l analyse des documents Doc. 1 : Il s agit ici d établir un lien entre le relief de la marge passive armoricaine et les différentes unités morphologiques décrites dans le texte. Les sédiments présentent une disposition en éventail : les strates ont une épaisseur variable, plus grande près du toit de la faille et qui diminue en s éloignant de celle-ci. Cette disposition est due au jeu des failles normales listriques et au basculement du bloc. Doc. 1 et 2 : Dans la région de l Oisans, on observe la présence d unités lithologiques, séparées par des failles normales, l ensemble orienté NE-SO (perpendiculaires à celle Chapitre 2. La formation des chaînes de montagnes 117

19 de l extension qui est à l origine de l ouverture océanique). Chacune de ces unités corres pond à un bloc basculé du fait de l inclinaison des plans de faille. Chaque bloc présente une importante épaisseur de sédiments. L ensemble de ces observations signe la présence d une ancienne marge continentale passive au niveau des Alpes. Synthèse : réponse au problème à résoudre Deux types d indices témoignent de la présence d une ancienne marge passive continentale : des indices tectoniques et des indices sédimentaires. Les indices tectoniques correspondent à l observation de failles normales inclinées qui découpent la croûte et dont le jeu est à l origine du basculement de blocs continentaux. Les indices sédimentaires correspondent à la présence d une importante épaisseur de sédiments déposés au-dessus des blocs basculés au fur et à mesure de la subsidence. 3. Ressources complémentaires Compléments scientifiques sur les marges passives : La géologie du massif de l Oisans : 4 Les témoins d une ancienne subduction (p ) Connaissances Les matériaux océaniques et continentaux montrent les traces d une transformation minéralogique à grande profondeur au cours de la subduction. Capacités et attitudes Recenser, extraire et organiser des informations à partir d observations pétrologiques. Organiser des informations afin d établir une relation entre des minéraux observés dans les Alpes et le phénomène de subduction. 1. Les intentions pédagogiques Il s agit ici de mettre en évidence les traces de la fermeture de l océan alpin à partir de témoins minéralogiques et pétrologiques de la subduction océanique. De la même façon que précédemment, nous présentons dans un premier temps les transformations caractéristiques associées à la subduction pour ensuite permettre aux élèves d établir une relation avec les observations effectuées dans les Alpes. Le document 1 a pour objectif de montrer aux élèves que certaines associations minérales rencontrées dans les roches peuvent indiquer les conditions de pression et de température dans lesquelles se sont formées ces roches. Les domaines de stabilité définis expérimentalement permettent aux élèves de comprendre que seul le phénomène de subduction peut expliquer les réactions du métamorphisme présentées. 118 Partie 2. Les continents et leur dynamique

20 Le document 2 permet aux élèves de visualiser les compositions minéralogiques de roches métamorphiques alpines. Ces données sont à mettre en relation avec celles du document 1 et amènent les élèves à comprendre que ces roches sont issues de l évolution de gabbros d une croûte océanique au cours de la subduction. Le document 3 apporte une information supplémentaire avec la présentation de la coésite, minéral d ultra haute pression, trouvé dans le massif alpin de la Dora Maira. Il s agit d illustrer le fait que la croûte continentale peut être entraînée en profondeur par la subduction ; on aborde ainsi la notion de subduction continentale. 2. Les pistes d exploitation Informations déduites de l analyse des documents Doc. 1 : Les roches de la lithosphère océanique subissent des modifications minéralogiques sous l effet des modifications des conditions de pression et de température : il s agit de réactions métamorphiques. Les minéraux réagissent entre eux et de nouvelles associations minérales stables dans les conditions PT apparaissent. Doc. 2 : Les roches métamorphiques du Queyras sont des métagabbros de type schiste bleu. Ils sont constitués de glaucophane, de pyroxènes et de plagioclases. Ces minéraux indiquent que ces roches se sont formées autour de 300 C entre 15 et 30 km de profondeur. Les métagabbros de type éclogite du massif de la Dora Maira contiennent des grenats associés à de la jadéite. Cette association minérale est stable à des profondeurs élevées, supérieures à 40 km. Ainsi, les roches présentées se sont formées à partir des gabbros de la croûte océanique sous l effet des modifications des conditions de pression et de température dues à la subduction. Doc. 3 : La coésite est une forme particulière de quartz minéral formée sous des pressions très élevées, entre 3 et 4 GPa (environ 100 à 120 km de profondeur). La présence d un tel minéral dans des roches de la croûte continentale du massif de la Dora Maira signe un enfouissement important de la croûte continentale, qui a été entraînée par la subduction océanique. Synthèse : réponse au problème à résoudre Les indices d une subduction océanique qui aurait fermé l océan alpin sont pétrologiques et minéralogiques. En effet, des roches de même composition chimique que celle d un gabbro, présentent des associations minérales stables sous des pressions élevées. Seul un phénomène de subduction océanique passé peut expliquer la formation de telles roches et leur présence actuelle dans les Alpes. 3. Ressources complémentaires La coésite de Dora Maira : Le métamorphisme des zones de subduction : plaques/01_terrain/06a.htm Chapitre 2. La formation des chaînes de montagnes 119

21 5 Les causes de la subduction (p ) Connaissances La différence de densité entre l asthénosphère et la lithosphère océanique âgée est la principale cause de la subduction. En s éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit et s épaissit. L augmentation de sa densité au-delà d un seuil d équilibre explique son plongement dans l asthénosphère. En surface, son âge n excède pas 200 Ma. Capacités et attitudes Recenser, extraire et organiser des informations afin de comprendre les causes de la subduction. Utiliser l outil mathématique. Manipuler et expérimenter. 1. Les intentions pédagogiques La subduction océanique est un phénomène connu des élèves. Il s agit ici d en expliquer les causes et de comprendre ainsi la jeunesse relative de la lithosphère océanique (200 Ma maximum) en comparaison avec les âges très anciens de la lithosphère continentale (plus de 4 Ga). De plus, le rôle moteur de la traction par la lithosphère océanique plongeante complète la compréhension de la tectonique des plaques. Le document 1 illustre le rôle de l eau des océans dans le refroidissement progressif de la lithosphère océanique dès sa formation au niveau de la dorsale. Le document 2 permet aux élèves de comprendre l évolution de la lithosphère océanique au cours du temps avec l augmentation de sa densité. Son refroidissement et son épaississement aux dépens de l asthénosphère sous-jacente permettent d expliquer cette augmentation de densité. La notion de subsidence thermique est ainsi abordée. Le document 3 propose de calculer l évolution de la densité d une lithosphère océanique en fonction du temps. Les élèves sont invités à calculer les différentes densités pour constater que dès 16 Ma, la lithosphère océanique est plus dense que l asthénosphère sous-jacente. Cependant, elle ne s enfonce pas car elle est maintenue en surface par les «flotteurs». Ce n est que bien plus tard, avec une densité beaucoup plus élevée que de la lithosphère océanique s enfoncera dans l asthénosphère. Afin d établir un lien entre l évolution de la densité de la lithosphère océanique et les roches qui la constituent, le document 4 propose de calculer les densités de deux roches métamorphiques, les schistes bleus et l éclogite, roches étudiées au cours des Activités pratiques Les pistes d exploitation Informations déduites de l analyse des documents Doc. 1 et 2 : La lithosphère océanique se refroidit et s épaissit aux dépens de l asthénosphère sous-jacente et voit sa densité augmenter peu à peu. L eau de mer participe au refroidissement de la lithosphère dès sa formation au niveau de la dorsale. Doc. 3 : densité d 2 : 3,255 densité d 3 : 3,264 densité d 4 : 3,282 densité d 5 : 3,285 densité d 6 : 3, Partie 2. Les continents et leur dynamique

22 La plaque océanique devrait plonger à partir de 16 Ma car sa densité est déjà supérieure à celle de l asthénosphère. Elle ne plonge pas car elle soutenue des deux côtés : côté dorsale par la lithosphère plus jeune et donc moins dense, côté continent par la lithosphère continentale peu dense. Doc. 4 : densité d un schiste bleu : 3,3 ; densité d une éclogite : 3,5. Les schistes bleus se forment au sein de la croûte océanique au cours de la subduction entre 15 et 30 km de profondeur, les éclogites encore plus profondément. Ainsi, l augmentation de densité des roches de la lithosphère océanique au fur et à mesure de l enfoncement, entretient la subduction. Synthèse : réponse au problème à résoudre La principale cause de la subduction est l augmentation de la densité de la lithosphère océanique au cours de son vieillissement. En s éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit et s épaissit, puis, au-delà d un seuil d équilibre, elle plonge dans l asthénosphère. 3. Ressources complémentaires Compléments scientifiques : Chapitre 2. La formation des chaînes de montagnes 121

23 6 Les traces de la collision continentale (p ) Connaissances La «suture» de matériaux océaniques résulte de l affrontement de deux lithosphères continentales (collision). Tandis que l essentiel de la lithosphère continentale continue de subduire, la partie supérieure de la croûte s épaissit par empilement de nappes dans la zone de contact entre les deux plaques. Capacités et attitudes Recenser, extraire et organiser des informations afin d établir une relation entre des structures géologiques observées et le devenir de la lithosphère continentale au cours de la collision. 1. Les intentions pédagogiques L objectif est ici de montrer que les conséquences de la collision visibles en surface (raccourcissement et épaississement) se retrouvent aussi en profondeur. La technique et les résultats de la prospection sismique au niveau des Alpes sont présentés dans le document 1 et des chevauchements au sein de la croûte sont mis en évidence dans le document 2. Le document 3 permet aux élèves d appréhender la notion de subduction continentale. 2. Les pistes d exploitation Informations déduites de l analyse des documents Doc. 1 : On constate la présence en profondeur de grands chevauchements et de nombreuses failles inverses. Ainsi, les deux lithosphères continentales se chevauchent avec la plaque européenne qui passe sous la plaque africaine. La croûte continentale est fortement épaissie avec une épaisseur supérieure à 50 km dans la zone interne des Alpes. Les géologues nomment «racine crustale» la présence de croûte continentale profonde sous la chaîne de montagnes. Doc. 2 : L épaississement de la croûte continentale est dû a un empilement de nappes de charriage en profondeur à la faveur de grands chevauchements et de nombreuses failles inverses. Doc. 3 : Sous la chaîne de l Himalaya, la tomographie sismique montre le plongement de la plaque indienne vers le nord. Celle-ci s enfonce profondément dans le manteau, jusqu à 800 km de profondeur. C est la raison pour laquelle on parle de subduction continentale. Synthèse : réponse au problème à résoudre Au cours de la collision, les parties supérieures des deux croûtes continentales concernées se chevauchent, entraînant un empilement de nombreuses nappes de charriage, d où un épaississement crustal important. Vers le bas, une partie de la lithosphère continentale s enfonce dans le manteau, tirée par la lithosphère océanique en subduction : on parle de subduction continentale. 3. Ressources complémentaires Les Alpes, une chaîne de collision : Partie 2. Les continents et leur dynamique

24 p. 184 à 187 Pour la partie «Maîtriser ses connaissances» : la correction des exercices «Pour s entraîner» figure à la fin du manuel de l élève, pages 396 à 401 ; la correction de la partie «Objectif BAC» comporte seulement une correction des QCM ; en effet, les questions de synthèse sont des restitutions de connaissances où toute liberté est laissée à l élève pour construire une réponse organisée. 6 Les métagabbros du Queyras et du mont Viso Les bonnes réponses sont. : 1c ; 2b. 7 L Himalaya, une chaîne de collision Le document 1 permet de constater la présence d ophiolites en altitude dans la chaîne. Ces ophiolites sont présentes sur de vastes étendues comme le montre la carte du do cument 3. Ces roches correspondent aux vestiges d une lithosphère océanique charriée sur le continent. Un ancien océan devait séparer la plaque indienne de la plaque eurasienne avant la collision. Le document 3 permet de constater la présence de granitoïdes de subduction. Ces roches de composition granitique ont été formées suite à une subduction océanique qui a entraîné la fusion partielle du manteau. Le magma formé a ensuite refroidi dans la croûte continentale formant ainsi les granitoïdes. La subduction océanique est à l origine de la fermeture de l océan séparant les deux plaques. Le document 3 permet aussi de constater un épaississement crustal important sous la chaîne de montagnes avec une épaisseur pouvant atteindre 60 km. Les deux lithosphères continentales se sont donc chevauchées entraînant l empilement de nombreuses nappes de charriage. Le document 2 montre la présence de coésite. Ce minéral est une forme particulière de quartz indiquant que la croûte continentale a été portée à une ultra haute pression. Seul le phénomène de subduction continentale peut expliquer la présence de ce minéral dans la croûte continentale. L ensemble de ces observations caractérise une chaîne de collision avec la présence initiale d un océan entre les deux lithosphères continentales. Puis, la fermeture océanique par le phénomène de subduction océanique a permis le chevauchement des deux continents avec un important épaississement crustal. Enfin, la lithosphère continentale continue aujourd hui de subduire, suite aux énormes forces de compression auxquelles les deux masses continentales sont soumises. 8 La traction d une plaque en subduction Pour un âge de 50 Ma, l épaisseur de la plaque océanique est de : e = 67 km. La densité de la lithosphère océanique est alors de : 3,275. Pour un âge de 100 Ma, l épaisseur de la plaque est de 95 km avec une densité de 3,282. À 200 Ma, la lithosphère océanique présente une épaisseur de 134 km avec une densité de 3,286. Ainsi, on constate qu en vieillissant, la lithosphère océanique s enfonce finalement dans l asthénosphère car sa densité augmente et dépasse celle de cette dernière. On sait qu au cours de cette subduction, les roches de la lithosphère subiront un méta- Chapitre 2. La formation des chaînes de montagnes 123

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