Thème 1-B : La tectonique des plaques : l histoire d un modèle Classe : Première S Durée conseillée : 10 semaines Nombre de TP : En rouge : Bilans à faire noter aux élèves En bleu : Activités pratiques En vert : Problématique et hypothèses Quels sont les modalités de la création d une théorie scientifique? CHAPITRE 1 : La naissance de l idée Evaluation diagnostique : structure de la Terre/Séismes/plaques Rappel collège (à résumer) : La partie externe de la Terre est formée de plaques animées d'un mouvement permanent. La répartition et les caractères des séismes et des manifestations volcaniques permettent de délimiter les plaques. Les variations de la vitesse des ondes sismiques en profondeur permettent de distinguer la lithosphère, rigide, de l'asthénosphère qui l'est moins. La croûte, partie superficielle de la lithosphère, est constituée en grande partie de granite dans les aires continentales, de basalte sous les océans. La base de la lithosphère et l'asthénosphère sont constituées de péridotite. A raison de quelques centimètres par an, les matériaux des plaques se forment et s'écartent à l'axe des dorsales, se rapprochent et s'enfouissent aux frontières de convergence. L'énergie responsable du mouvement des plaques provient de l'intérieur de la Terre. L'augmentation de la température avec la profondeur témoigne de cette énergie. Une partie importante de cette énergie provient de matériaux radioactifs présents en profondeur. Les mouvements des plaques transforment la lithosphère. Ces mouvements assurent le déplacement des continents, l'ouverture et la fermeture des océans. L'affrontement des plaques dans les zones de convergence engendre des déformations souples ou cassantes de la lithosphère (plis, failles), et aboutit à la formation de chaînes de montagnes.
I. La dérive des continents : les débuts d un grand modèle TP 1 : La dérive des continents : une théorie controversée Objectif : expliquer à partir de quels arguments Wegener à élaborer sa théorie et pourquoi elle fut rejetée à l époque. Capacités et attitudes : Recenser, extraire et organiser des informations. Communiquer dans un langage scientifique (oral) 1- Les arguments de Wegener : En 1912, Wegener énonce la théorie de la dérive des continents basée sur les observations suivantes : - les tracés des côtes de l Amérique du Sud et de l Afrique sont complémentaires. - la distribution géographique de certains fossiles (Glossoptéris, Mésosaurus, Cynognathus), de certains ensembles géologiques (cratons, coulées de lave ) et de traces d anciens glaciers sont similaires sur des continents séparés - la distribution bimodale des altitudes (continents/océans) suggère un contraste océans-continents. Les continents seraient composés d un matériau léger qui flotterait sur le fond des océans plus dense. Ces arguments conduisent Wegener à penser que les continents étaient tous regroupés en un super continent : la Pangée qui s est fracturé, laissant les continents dérivés. 2- Les difficultés de Wegener : A l époque, l idée de mobilité horizontale est rejetée par l ensemble de la communauté scientifique. Ces idées se heurtent à des observations réelles et à des préjugés bien établis : - Il est établi par des études sismiques et par de nombreux scientifiques que la Terre est solide (au moins jusqu à 3000 km de profondeur). - L analyse de Jeffreys montre que les forces nécessaires pour déplacer ces solides sont énormes - la théorie des «ponts continentaux» permet d expliquer la plupart des arguments de Wegener. Le principal point faible de la théorie de Wegener est qu il n explique pas l origine du déplacement. Malgré les travaux de Holmes (1928) sur la convection qui pourrait être le moteur de la dérive des continents, les idées de Wegener sont jugées improbables et son travail tombe dans l oubli pendant près de 30 ans.
II. Les ondes sismiques et la structure du globe 1- Les différents types d ondes sismiques : On distingue 3 types d ondes : - Les ondes P ou ondes primaires appelées aussi ondes de compression ou ondes longitudinales. Le déplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par dilatation et compression successives, parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Ce sont les plus rapides (6 km.s -1 près de la surface) et sont enregistrées en premier sur un sismogramme. Elles sont responsables du grondement sourd que l'on peut entendre au début d'un tremblement de terre. - Les ondes S ou ondes secondaires appelées aussi ondes de cisaillement ou ondes transversales. A leur passage, les mouvements du sol s'effectuent perpendiculairement au sens de propagation de l'onde. Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides, elles sont en particulier arrêtées par le noyau de la Terre. Leur vitesse est plus lente que celle des ondes P, elles apparaissent en second sur les sismogrammes. La différence des temps d'arrivée des ondes P et S suffit, connaissant leur vitesse, à donner une indication sur l'éloignement du séisme. - Les ondes de surface : ce sont des ondes guidées par la surface de la Terre. Leur effet est comparable aux rides formées à la surface d'un lac. Elles sont moins rapides que les ondes de volume mais leur amplitude est généralement plus forte. Elles sont responsables des dégâts causés aux édifices. Schéma des différents types d ondes
2- La sismique et la structure générale du globe Les méthodes de sismiques (sismique réflexion et sismique réfraction) consistent à envoyer des ondes sismiques dans un sol. Les ondes sismiques vont alors se réfléchir et se réfracter. Ceci permet de mettre en évidence les limites pouvant exister entre des couches géologiques (discontinuité) mais aussi de déterminer la vitesse de propagation des ondes dans le sol. L étude de la vitesse permet de connaître la nature des couches traversées. Schéma de la sismique réfraction. Voir TP 1 : La dérive des continents Au début du XXème siècle, l étude de la propagation des ondes sismiques a permis de mettre en évidence les grandes enveloppes composant la Terre : - Le MOHO correspond à la discontinuité qui sépare la croûte du manteau (découvert en 1909) à environ 30 km de profondeur. - La discontinuité de Gutenberg sépare le manteau et le noyau à 2900 km de profondeur environ. - La discontinuité de Lehman sépare le noyau externe (liquide) du noyau interne solide (la graine) et a été découverte en 1936. Ces études montrent que la Terre est solide jusqu à 2900 km de profondeur, ce qui est un argument très fort contre la théorie de Wegener.
Structure interne de la Terre : Principales couches et discontinuités 0 km 30 km 100 km 400 km 670 km Croûte Manteau supérieur Discontinuité de Mohorovicic (MOHO) Manteau inférieur 2800 km Discontinuité de Gutenberg Noyau externe 5100 km Discontinuité de Lehmann LEGENDE Discontinuités Noyau interne Interface entre 2 couches Rhéologie (comportement des matériaux) 6371 km
TP 2 : La dualité entre les continents et les océans. 3- La sismique et la dualité entre les continents et les océans Dans les années 50, la sismique réfraction a permis de montrer que la vitesse de propagation des ondes sismiques est variable selon les matériaux traversés. On a ainsi mis en évidence que deux types de croûtes : - La croûte continentale a une épaisseur d environ 30 km (MOHO). - La croûte océanique a une épaisseur d environ 6 à 8 km (MOHO plus en surface). Ces observations sont venues confirmer les hypothèses de Wegener concernant les différences d altitudes entre continents et océans. III. L apport de l analyse des roches 1- Les roches de la croûte continentale : La CC est essentiellement constituée de granite, roche grenue (entièrement minéralisée) composée de quartz, feldspath et micas. Sa densité est d environ 2,7. 2- Les roches de la croûte océanique : La CO est constituée de 2 types de roches : - les basaltes, présents en surface, qui correspondent à une roche microlithique (pâte et petits minéraux) constituée d olivine, de pyroxène et de plagioclase. - les gabbros, présents en profondeur, qui correspondent à une roche grenue (à gros minéraux) constituée des mêmes minéraux. Sa densité est d environ 2,9 à 3, ce qui confirme les hypothèses de Wegener concernant la présence d un fond océanique plus dense. 3- Les roches du manteau : La croûte repose sur le manteau solide, constitué de péridotite. C est une roche grenue, de couleur verte et composée d olivine et de pyroxène. La densité du manteau est de l ordre de 3,2 à 3,4. Certaines des affirmations de Wegener se révèlent exactes mais sa théorie est toujours imprécise concernant le moteur des mouvements mais également sur la nature des éléments mobiles.