Le domaine continental et sa dynamique. Chap 1 : La caractérisation du domaine continental. Feuille d activité Activité préparatoire Révision de la géologie de 1S : notions de lithosphère/asthénosphère Sur une coupe de la partie supérieure du globe : Construction du schéma-bilan du chapitre - schématiser et légender les éléments suivants : croûte océanique, croûte continentale, lithosphère océanique, lithosphère continentale, manteau lithosphérique, asthénosphère, manteau - indiquer les roches composant ces différentes enveloppes. Activité 1 : les mouvements verticaux de la lithosphère en Scandinavie Connaître les mécanismes explicatifs des mouvements verticaux de la lithosphère Mettre en évidence les mouvements verticaux de la lithosphère et en expliquer l origine à l aide d exemples et de modélisations. Comprendre l intérêt d une modélisation numérique ou analogique et en percevoir les limites. Réaliser un schéma-bilan. Caractériser le phénomène observé sur les rivages de la Scandinavie. Proposer alors 2 hypothèses pour expliquer ce phénomène. Puis à l aide des documents et des résultats des modélisations analogiques et numériques, valider l une de ces hypothèses. Production personnelle : texte présentant la démarche effectuée et comprenant : - les résultats de simulations analogique et numérique faites en classe - un schéma-bilan expliquant le phénomène observé en Scandinavie. Ressources Documents 1, 2 et 3 page 144 et 4 page 145 (données sur la Scandinavie) Documents A et B ci-dessous. Modélisation analogique des mouvements verticaux de la lithosphère. Modélisation numérique des mouvements verticaux de la lithosphère: logiciel Airy. Chap1 : la caractérisation du domaine continental. Feuille d activités. 1
Document A : la modélisation Définition : la modélisation est la représentation d un système par un autre, plus facile à étudier et servant à comprendre le système initial. Toute modélisation, comme elle est différente du système étudié réel, comporte des limites qu il faut caractériser. Une modélisation analogique consiste à construire un système physique qui reproduit le phénomène étudié pour l analyser. Une modélisation numérique consiste à construire un ensemble de fonctions mathématiques décrivant le phénomène étudié afin d en étudier les caractéristiques. Document B : Logiciel Airy : modélisation numérique des mouvements verticaux de lithosphère Logiciel Airy téléchargeable (sous PC) sur www.ac-nantes.fr:8080/peda/disc/svt/isostasie/index.htm Utilisation du logiciel Airy : Choisir une colonne de lithosphère et noter ses caractéristiques. Réaliser des simulations en sélectionnant dans «Calcul» la simulation voulue puis en cliquant sur la colonne de roche choisie pour la modifier. Puis cliquer alors sur équilibre isostatique et observer le résultat. Chap1 : la caractérisation du domaine continental. Feuille d activités. 2
Activité 2 : Altitude moyenne des continents et des océans Connaître les différences d altitude entre les continents et les océans et savoir les expliquer. Mettre en évidence les différences d altitude entre les continents et les océans. Formuler une problématique. Exploiter des enregistrements sismiques pour estimer la profondeur d une discontinuité dans le globe. Proposer une réponse à une problématique. Utiliser un tableur. A l aide du document suivant, comparer les profondeurs des océans et les altitudes sur les continents. Formuler alors une problématique. Puis répondre à cette problématique en exploitant l ensemble des ressources ci-dessous. Ressources 1. On connaît l épaisseur moyenne de la croûte océanique, qui est de 7 km environ. 2. On cherche à déterminer l épaisseur moyenne de la croûte continentale à partir du calcul de la profondeur du Moho grâce à des données sismiques obtenues au niveau des continents. Détermination de la profondeur du Moho en domaine continental dans les Alpes Travail par groupe de 2 : a) Chaque groupe exploite les données sismiques (= sismogramme) d un séisme donné enregistrées à une station donnée en utilisant le logiciel Sismolog et des documents suivants : - Méthode de calcul de la profondeur du Moho : voir document 1 page 150. - Principe de détermination du retard des ondes PMP par rapport aux ondes P : t : retard des ondes PMP par rapport aux ondes P Temps d arrivée des ondes P (= 1 er train d ondes enregistrées) t Temps d arrivée des ondes PMP : ondes P réfléchies sur le Moho (2 ème train d ondes enregistrées après le 1 er train d ondes P). Chap1 : la caractérisation du domaine continental. Feuille d activités. 3
b) Puis chaque groupe remplit la feuille (Excel) de calcul_moho pour estimer la profondeur du Moho au niveau du point de réflexion des ondes P étudiées. Mise en commun du travail de l ensemble de la classe c) Mise en commun des estimations de la profondeur du Moho en différents points dans les Alpes sur la carte des Alpes ci-dessous. Production commune aux 2 élèves contenant : - la comparaison des profondeurs des océans et les altitudes sur les continents. - la problématique - la présentation des résultats successifs de la démarche permettant l estimation de la profondeur du Moho et carte des Alpes complétée (au stylo, 1 par élève). - la réponse rédigée à la problématique formulée initialement. Carte des Alpes : localisation des épicentres de différents séismes et des stations sismiques (à compléter) Compléter en fin d activité le schéma-bilan du chapitre. Chap1 : la caractérisation du domaine continental. Feuille d activités. 4
Activité 3 : Les caractéristiques de la croûte continentale : nature et densité des roches Connaître la nature et la densité des 2 principales roches de la croute continentale : le granite et le gneiss. Savoir estimer la masse volumique et la densité d une roche. Savoir étudier un échantillon macroscopique de roche (identification structure et minéraux). Savoir étudier une lame mince de roche à l aide d un microscope polarisant (identification structure et minéraux). Les deux roches les plus abondantes dans la croute continentale sont le granite et le gneiss. Réaliser les fiches d identités du granite et du gneiss Production commune par groupe de 2 élèves comportant : chaque élève écrit sur une feuille Présentation de la démarche pour estimer la densité de la roche avec le matériel fourni (sous forme d'un schéma fonctionnel), fiche d identité du granite ou du gneiss comportant : - la densité de la roche étudiée - la photographie de lame mince correspondant légendée en mettant en évidence la structure de chaque roche et les minéraux après observation de la lame mince au microscope polarisant, - la famille à laquelle appartient la roche étudiée en justifiant, NB : la valeur de la densité de chaque roche sera obtenue en estimant en moyenne des densités obtenues par l ensemble des élèves et sera comparée à la densité de la croûte océanique (= 2,9). Ressources : - Echantillons de granite et de gneiss, - Eprouvettes, - Balance, - Eau, - Lames mince de granite et de gneiss, - Microscope polarisant, - Fiche de classification des roches, - Fiche de détermination des minéraux - Rappel sur les roches magmatiques de la croute océanique (en page 6) La masse volumique est le rapport de la masse d'un échantillon sur son volume. La densité d un objet est le rapport de sa masse volumique sur la masse volumique de l eau. La masse volumique de l eau est égale à 1 g /cm 3. Compléter en fin d activité le schéma-bilan du chapitre. Chap1 : la caractérisation du domaine continental. Feuille d activités. 5
Rappel : les roches magmatiques de la croûte océanique Basalte à olivine : vu au microscope polarisant, lumière analysée polarisée roche à structure microlithique (cristaux + microlithes + verre) roche magmatique volcanique, issue d un refroidissement rapide en surface du magma cristaux de pyroxène microlithes (= petits cristaux en baguette) de plagioclases cristaux d olivine Verre = matière non cristallisée Reste noire quand on tourne la platine Gabbro : vu au microscope polarisant, lumière analysée polarisée roche à structure grenue (=entièrement cristallisée) roche magmatique plutonique, issue d un refroidissement lent du magma en profondeur de la croûte Pl : plagioclase (alternance de bandes sombres et claires quand on tourne la platine) Px : pyroxène Rappel : utilisation du microscope polarisant http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/lycee/perez/subduction/subduction.htm (2 premières rubriques du logiciel) Chap1 : la caractérisation du domaine continental. Feuille d activités. 6
Activité 4 : Âges de la croûte continentale et de la croute océanique En tant que géologue, vous avez récolté d un voyage en Norvège, un granite dont vous voulez déterminer l âge. Connaître le principe de la datation absolue utilisant le couple Rubidium-Strontium (Rb/Sr). Savoir réaliser une datation absolue avec le couple Rubidium-Strontium (Rb/Sr), à partir d une droite isochrone. Déterminer l âge d un granite norvégien puis comparer l âge maximal de la croûte océanique avec l âge maximal de la croûte continentale. La datation absolue utilisant le couple Rubidium-Strontium (Rb/Sr) du granite norvégien a abouti à la droite isochrone suivante. isochrone du granite norvégien Production personnelle : calcul, résultat, et comparaison de l âge maximal de la croûte océanique et de celui de de la croûte continentale. L âge de la croute océanique ne dépasse jamais 200 Ma. Les roches les plus anciennes connues sur Terre sont continentales et sont les gneiss d Acasta, situés au Canada et âgés de 4,02 Ga. Compléter en fin d activité le schéma-bilan du chapitre. Chap1 : la caractérisation du domaine continental. Feuille d activités. 7
Méthode : réaliser une datation absolue avec le coupe 87 Rubidium / 87 Strontium Principe de la radiochronologie = datatation absolue 1 élément père radioactif 1 élément fils Concentration de l élément père : N t au temps t N 0 au temps t 0 Les concentrations de l élément père suivant la loi de décroissance radioactive : N = N 0 e - t ou N= - N t Avec : constante de radioactivité, t ½ : temps de demi-vie t ½ = ln 2 But de la radiochronologie : déterminer t connaissant N t La datation au 87 Rubidium / 87 Strontium 87 Rb 87 Sr Elément père radioactif Elément fils t 1/2 (temps de ½ vie) : 48,8 Ga Pour déterminer t, on utilise un isotope de référence stable : 86 Sr et on effectue les mesure sur au moins 2 échantillons (souvent 2 minéraux d une même roche). Mesurer sur la roche de la concentration des éléments radioactifs : 87 Rb et non radioactifs : 87 Sr et 86 Sr Représentation graphique de [ 87 Sr]/[ 86 Sr] en fonction de [ 87 Rb] /[ 86 Sr] (en Y, [fils/référence] en fonction de X, [père/référence]) On obtient une droite isochrone dont la pente est A. On observe que plus la pente de la droite isochrone est forte, plus la roche est âgée. D après les calculs : t= t 1/2 ln (A +1) ln 2 ou t = ln (A +1)/ avec = ln 2/t 1/2 avec constante de radioactivité Chap1 : la caractérisation du domaine continental. Feuille d activités. 8
Activité 5 : l origine de l épaississement crustal Etude l échelle de l affleurement Nous avons vu que la croute continentale est beaucoup plus épaisse au niveau des chaines de montagne. Dans les Alpes, l épaisseur de la croute peut atteindre 70 km. Il existe donc une importante racine crustale au niveau des chaines de montagne. Comment expliquer l épaississement de la croûte continentale au niveau des chaînes de montagne? Connaître les structures de la croute continentale observables à l affleurement témoignant d un épaississement crustal Savoir étudier les structures (plis, failles, chevauchement ou charriage) à l affleurement et lors d une modélisation analogique. Savoir montrer que ces structures expliquent de l épaississement de la croute observée. A l aide des documents suivants et de la réalisation de modélisation analogique, montrer que les structures observées à l affleurement dans les chaînes de montagne expliquent l épaississement de la croûte et résultent d une tectonique en compression. Travail à réaliser par groupe de 2 : Modélisation d une structure plissée sous l effet d une tectonique en compression Matériel - Modèle analogique de déformation tectonique, - Poudres de différentes couleurs Protocole 1. Déposer 4 couches d 1 cm d épaisseur environ au fond du modèle en veillant à bien tasser entre deux couches. 2. Mesurer l épaisseur et la longueur des couches déposées. 3. Comprimer lentement l ensemble des couches. 4. Mesurer à nouveau l épaisseur et la longueur des couches. Production à réaliser en commun (mais un exemplaire par personne) : - Présentation de la modélisation de la structure plissée (schémas ou photographies) et exploitation. - Structures des photographies suivantes à identifier et légender en mettant en évidence l épaississement vertical. - Conclusion répondant à la problématique. Chap1 : la caractérisation du domaine continental. Feuille d activités. 9
Pli de Saint-Clément (doc 1 page 152) Pli-faille de Saint Rambert (doc 2 page 152) Nappe de charriage de Glaris (doc 3 page 153) Modélisation de quelques structures géologiques Structure d une nappe de charriage : voir doc 4 page 153. Faille inverse Chap1 : la caractérisation du domaine continental. Feuille d activités. 10
Activité 6 : l origine de l épaississement crustal Etude l échelle de la roche : la formation du gneiss Connaître la nature du gneiss et ses conditions de formation, témoignant d un épaississement crustal Savoir lire un graphique pression- température présentant la domaine de stabilité des minéraux. Savoir lire un graphique pression- température présentant le solidus d une roche. Savoir représenter le trajet d une roche dans un diagramme pression température. Le gneiss, une des principal roche de la croûte continentale, contient un minéral, la sillimanite, qui appartient à la famille des silicates d alumines. Or les minéraux de cette famille des silicates d alumines (qui contient l andalousite, le disthène et la sillimanite) n existent que dans certains domaines de pression et de température, comme le montre le montre le document A. A partir des documents suivants, déterminer les conditions de formation du gneiss contenant de la sillimanite. Puis en vous aidant de l activité 3 (étude granite et gneiss), formuler une hypothèse quant à la roche initiale qui serait à l origine de la formation du gneiss. Document A : Diagramme de stabilité d une famille de silicate d alumine (andalousite, disthène et sillimanite) Document B : Diagramme pression température d une roche quelconque Compléter en fin d activité le schéma-bilan du chapitre Chap1 : la caractérisation du domaine continental. Feuille d activités. 11