Modéliser la FUSION PARTIELLE Place dans les programmes : en 1
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Modéliser la FUSION PARTIELLE Place dans les programmes : en 1°S dans la partie IB ( BO: Réaliser des modélisations analogiques et numériques pour établir les liens entre amincissement de la lithosphère, remontée, dépressurisation et fusion partielle de l’asthénosphère sous-jacente et formation d’une nouvelle lithosphère.) et TS ( BO: 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 susjacent.) : en 1°S on travaillera sur le magmatisme de dorsale et donc la mise en place de basalte et gabbros alors qu’en TS on travaillera sur le magmatisme des zones de subduction. Ici je traiterai de l’exemple du magmatisme de dorsale mais c’est le même principe pour les zones de subduction Contexte: On sait que c’est la fusion partielle des péridotites du manteau qui est à l’origine du magma à l’aplomb des dorsales (1°S) ( graphique solidus liquidus et géotherme de dorsale déjà étudié ) . On souhaite expliquer l’origine de la différence de composition chimique entre péridotites du manteau et les roches magmatiques qui en sont issues Point de départ: on présente aux élèves un document= analyse de la composition chimique d’une péridotite du manteau , et de 2 roches constitutives des fonds océaniques: un basalte et un gabbro .On constate que basalte et gabbro ont une composition minéralogique et chimique différente de celle de la péridotite . Nous allons chercher l’origine de cette différence. Les élèves : - formulent une hypothèse explicative: peut être que tous les minéraux de la péridotite ne vont pas fondre en même temps... - conçoivent un modèle analogique pour vérifier que si dans une roche tous les éléments ne fondent pas à la même température, on va obtenir lors de la fusion partielle un magma qui aura une composition chimique différente de la roche initiale.Pour cela les élèves doivent penser à modéliser une «roche» constituée par un assemblage de «minéraux» qui fondent à des températures différentes ( éventuellement leur fournir un document avec la température de fusion de différentes substances comme le beurre, la graisse de coco et la graisse de palme) et à la faire fondre partiellement ; ils doivent alors voir l’évolution de la composition de la phase liquide au cours du temps et voir que lors d’une fusion partielle, la phase liquide est différente dans sa composition de la «roche» initiale - mettent en oeuvre le protocole retenu - analysent les résultats à différents moments ( substances qui fondent, composition du «magma» et de la «péridotite résiduelle» - font une analyse critique du modèle réalisé en exploitant les connaissances sur les conditions permettant la fusion partielle à l’aplomb d’une dorsale: dans notre modèle, nous avons réalisé la fusion partielle de la «roche» en la chauffant alors que dans la réalité sous la dorsale , c’est la décompression de la rcohe qui permet sa fusion partielle . Rq: on aurait ici pu soumettre la « roche» à une décompression à l’aide d’une trompe à vide. - on peut leur demander de présenter un compte-rendu répondant au problème sous forme d’un document informatisé incluant des photos prises à différents moments Autre version du travail fourni par les élèves, plus guidée: Nous savons que la péridotite est un assemblage de différents minéraux . Dans la manipulation proposée, nous allons assimiler la péridotite à un mélange de 3 constituants dans une boîte de Pétri : beurre, la graisse de coco et graisse de palme. Initialement , les 3 constituants sont à l’état solide . Nous allons modéliser la fusion de la péridotite en soumettant la boîte à une élévation de température.( Rq: on pourrait aussi travailler à la trompe à vide si on veut vraiment modéliser la décompression....) Remarque concernant le Matériel ( mais non donnée aux élèves) Nous utiliserons trois corps gras dont la température de fusion est différente : - Beurre (température de fusion : 17 à 37°) - Graisse de Coco (température de fusion : 21 à 25°) - Graisse de Palme (température de fusion : 37 à 40°) Ces deux derniers produits sont vendus en pains (4 x 250 g) en grande surface ou sont disponibles dans les cuisines de l'établissement (cuisson des frites par exemple). A tester aussi : chocolat (26 à 31°), palmiste ou coprah (26 à 28°), saindoux (36 à 40°)... Découper des plaques de 3 à 4 mm d'épaisseur et de quelques centimètres de côté. Pour le beurre, s'il a été placé au réfrigérateur, pas de problème particulier. Par contre, les graisses ont tendance à s'effriter, il faut alors scier le bloc avec une lame de scie à métaux, ou le couper avec une lame de couteau réchauffée (ou avec la lame de scie réchauffée), ou couler auparavant une couche mince sur un papier, et laisser refroidir au réfrigérateur... Découper ensuite des blocs de 5 à 6 mm de côté et les disposer en quinconce sur le fond d'une petite boite de Petri, de façon à obtenir des contacts entre les différentes catégories... Un bain marie à 40° ; des boîtes de Pétri Matériel: boîte de Pétri, blocs de différentes graisses, un réfrigérateur, un feutre indélébile, un bain thermostaté, un thermomètre, un appareil photo, un ordinateur . 1. A partir du matériel mis à disposition, préparez une boîte de Pétri dans laquelle vous disposerez des blocs des différentes graisses en respectant la disposition présentées sur le document. Orientez cette boîte ( bas, haut...) à l’aide du feutre indélébile. Placez cette boîte une dizaine de minutes au réfrigérateur . Cette boîte modélisera l’assemblage des différents minéraux présents dans une péridotite à l’état solide. 2. Sortez la boîte du réfrigérateur et réalisez une photo de la préparation ainsi réalisée à T0. 3. Placez la boîte ainsi réalisée à flotter à la surface d’un bain marie à 40°C. Réalisez une photo de la boîte aux temps T+ X minutes ( à définir....) ; y minutes et Z minutes . 4. Importez les images obtenues et insérez-les dans un document texte. Critères de réussite: disposition des photos retraçant le déroulement de la modélisation; légendes ; titre ; indication des temps auxquels ont été réalisées les photos.... 5. Complétez le document en y indiquant l’ analyse des résultats aux différents moments: substances qui fondent, composition du liquide contenu dans la boîte.... Réponse Attendue: T0: tout à l’état solide; Tx: début fusion du beurre; liquide= beurre; Ty: début fusion de graisse de coco; liquide = beurre + graisse de coco; Tz: début fusion de graisse de palme; liquide = beurre + coco+ palme. 6. En faisant le parallèle avec ce qui s’est passé dans le modèle , écrivez un texte sous les photos expliquant comment à partir de la fusion d’une péridotite on peut obtenir des roches présentant une composition chimique différente de la roche originelle . RA: On peut penser que les différents minéraux de la péridotite se comportent comme les différents constituants de la boîte et qu’ils vont fondre à des températures différentes. On pourra alors obtenir, en fonction du taux de fusion atteint des magmas de composition différentes. Les roches obtenues à l’issue de la solidification auront alors une composition chimique de la roche à l’origine du magma. Rq: on aurait pu aux différents stades récupérer le liquide et le mettre dans une boîte au frigo et à la fin comparer « la roche» provenant de la solidification de ce magma et voir qu’elle avait une composition chimique différente..... 7. En exploitant les connaissances sur les conditions permettant la fusion partielle à l’aplomb d’une dorsale, réalisez une analyse critique du modèle mis en oeuvre. t0 t1 t2 t3 Limites du modèle réalisé: ici on réalise la fusion partielle en chauffant la roche alors que sous une dorsale c’est sa décompression qui va permettre sa fusion partielle. Ici on modélise pour appréhender un phénomène non accessible directement à la surface du globe.
