BCPST-Véto 1 – Mercredi 30 janvier 2008

BCPST-Véto 1 – Mercredi 30 janvier 2008 - Devoir n°5 – Durée 3h30
Épreuve de géologie – Le sujet comporte 5 exercices indépendants, notés chacun sur 20 points
Exercice n°1 : Cartographie géologique
L'étude porte sur la région de SAILLANS (Drôme), dans la fraction la plus septentrionale des chaînes subalpines
méridionales. La photo aérienne, dont l'orientation est repérée sur la carte par une flèche (←), présente le secteur
du SAOU (sud-ouest de la carte) avec au premier plan le site très touristique des Trois Becs.
1°) A partir des affleurements et des nombreux signes de pendage, décrire les structures géologiques de la moitié
ouest de la carte. Confronter reliefs et structures.
2°) En utilisant le profil topographique fourni, réaliser une coupe à main levée selon une direction Nord-Sud, dans
la position repérée par les deux tirets sur la carte.
Pour simplifier, on réunira l'ensemble des terrains j (de j5 à jn1) en une seule couche et on fera de même pour les
terrains n et c. On adoptera les figurés proposés.
Exercice n°2 : Reliefs des fonds de l'Océan Indien (d'après ENS 2007)
L'altimètrie satellitale permet la mesure de la hauteur du géoïde. Des calculs menés à partir des mesures
conduisent à l'établissement d'une carte des anomalies gravimètriques rendant compte de façon très précise des
reliefs sous marins. (une carte en couleur sera fournie)
1°) Sur un schéma accompagné d'un commentaire, présenter les principaux reliefs repérés dans l'océan indien.
(On exclura la zone nord-ouest de la mer d'Oman). (Attention les reliefs positifs sont soulignés par des ombrages
gris sombre vers l'est qui ne doivent pas être confondus avec des anomalies)
2°) Les plateaux basaltiques sous-marins de l’Océan Indien ont été étudiés par les forages scientifiques du
programme Ocean Drilling Project (sites ODP 706, ODP 713, ODP 715) et par des forages d’exploration
industrielle (site Elf NMA-1). La position et les résultats des forages sont reportés respectivement sur la figure D1
et le tableau 2.
Le forage NMA-1 a perforé 115,5 m de basalte à grain fin et à olivines. Ce basalte a été radiométriquement daté à
55 Ma. Ce basalte est altéré et disposé en couches de 10 m d’épaisseur (effusion aérienne). De manière similaire,
les basaltes forés par les sites ODP montrent des indices de mises en place à l’air libre ou en conditions
subaériennes (eaux très peu profondes).
a. Construire un diagramme montrant la relation entre l'altitude actuelle du toit des basaltes et l'âge des édifices et
plateaux basaltiques (utiliser du papier millimétré)
b. Décrire (par une forme mathématique). A quoi peut-on attribuer ces différences d'altitude et comment
interpréter cette courbe d'évolution générale d'altitude des édifices et plateaux basaltiques au travers de l'océan
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indien ?
c. Quelle hypothèse peut-on formuler sur l'origine de cette ligne volcanique qui s'étend depuis l'île de la Réunion
jusqu'au plateau du Deccan sur le continent indien.
Quels seraient alors la nature et l'âge de l'évènement géodynamique ayant pu conduire à la rupture, dans sa partie
médiane, de la continuité de cette ligne d'édifices et de plateaux basaltiques ?
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Exercice n°3 : Devenir des plaques en subduction dans le manteau terrestre (d'après ENS 2003)
Le devenir des plaques lithosphériques en subduction peut être précisé grâce aux apports des études de
tomographie sismique.
1°) Expliquer sommairement la technique de la tomographie sismique.
2°) Proposez une interprétation raisonnée des images de tomographie sismique de la figure 1.
3°) La figure 2 présente une coupe tomographique détaillée du manteau au niveau de l’arc insulaire de Tonga ;
commentez l’évolution de l’épaisseur E de la plaque Pacifique en fonction de la profondeur.
4°) Déterminez l’angle de plongement θ de la plaque Pacifique sur cette section tomographique (Figure 2).
5°) Estimez la vitesse des ondes P au coeur de la plaque Pacifique à 500 km de profondeur à partir de la figure 2.
A cette profondeur, la vitesse de référence Vp donnée par le modèle global PREM est Vp = 9,65 km/s.
6°) En utilisant la loi empirique de Birch qui relie la vitesse de propagation des ondes P et la masse volumique des
roches mantelliques, calculez l’anomalie de masse volumique associée à l’anomalie de vitesse.
Vp = -1,87 + 3,05ρ avec Vp en km/s et ρ en g/cm3.
Figure 1 : Coupes tomographiques du manteau terrestre à l’aplomb de quelques zones de subduction : (AA’) Egée, (BB’) sud
Kouriles, (CC’) Izu Bonin, (DD’) Java, (EE’) Nord Tonga, (FF’) Amérique centrale. Les profondeurs sont indiquées en
kilomètres. Les vitesses lentes et rapides sont représentéesen rouge et en bleu respectivement.
Figure 2 : coupe tomographique du manteau à l’échelle. A l’aplomb de l’arc de Tonga, entre 0 et 700km de profondeur. Les
anomalies de vitesse reportées sont celles des ondes P. Les vitesses lentes et rapides sont représentées en rouge et en bleu
respectivement.
7°) Calculez également la différence de température correspondante, entre le coeur de la plaque Pacifique et le
manteau environnant. On donne le coefficient de dilatation thermique de la péridotite à cette profondeur :
α = (1/V) (∂V/∂T)P = 2,6 10-5 K-1 avec V le volume molaire et T la température en K.
8°) Quelle hypothèse formule-t-on implicitement en effectuant les calculs précédents ?
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Exercice n°4 : Étude d'une roche
Le document proposé présente une roche magmatique observée à l'oeil nu puis au microscope polarisant.
1°) Décrire la structure de cette roche, la classer sommairement et en déduire son mode de formation. (Le
contexte géodynamique précis n'est pas attendu).
2°) Représenter par un schéma la lame microscopique en légendant un exemplaire de chacun des minéraux
constitutifs de la roche. Chaque légende sera justifiée en annexe à l'aide de critères de détermination.
Préciser également la coloration de ces minéraux sur la roche à l'oeil nu
Exercice n°5 : Topographie d'une faille transformante
On appelle failles transformantes des failles qui décalent des portions de dorsales océaniques.
On se propose d'étudier l'une d'elles : la faille de Mendocino.
1°) Que montre le profil de hauteur du géoïde réalisé au niveau de cette faille ?
L'étude des nombreux séismes qui se déroulent dans la zone montre que le mouvement relatif le long de la faille
correspond à un coulissage.
On sait qu'au niveau de la dorsale se met en place une nouvelle croûte océanique. La baisse de température qui
accompagne l'éloignement de la dorsale s'accompagne de l'épaississement de la lithosphère.
L'épaisseur de la lithosphère s'exprime en fonction de son âge t par la formule : e = 9,5√t (e : km, t : ans)
La lithosphère s'épaissit et s'enfonce progressivement. On observe alors des fonds de plus en plus profonds
lorsqu'on s'éloigne de l'axe de la dorsale.
2°) Montrer, en exploitant la carte, que la lithosphère océanique n'a pas le même âge de part et d'autre de la faille.
3°) A partir de ces données, et en respectant le modèle d'équilibre isostatique d'Airy, représenter la lithosphère
océanique de part et d'autre de la faille. Justifier la représentation choisie.
4° Exprimer le dénivelé constaté h en fonction de la différence d'épaisseur puis d'âge des deux compartiments
lithosphériques séparés par la faille.
On adoptera deau de mer = 1,03
dlithosphère = 3,29 (on négligera la différence de densité des 2 compartiments lithosphériques)
dasthénosphère = 3,23
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CORRIGE
Exercice n°1 : Cartographie géologique
1°) Quart Nord-ouest : affleurements en bandes parallèles, symétriques par rapport à un axe ouest-est,
terrains d'autant plus jeunes qu'on s'éloigne de l'axe, pendage vers le nord au nord de l'axe et vers le sud au
sud de l'axe
=> identification d'un anticlinal
Quart sud-ouest = affleurement plus récent (C3b) entouré au nord, sud et est de (C3a) terrains plus
anciens, pendage vers le sud au nord de cette structure et vers le nord au sud.
=> identification de la terminaison périclinale d'un synclinal
Le synclinal est à une altitude plus élevée que l'anticlinal (relief inversé).
**
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*
**
*
*
***
*
N
tracés des limites : ***
orientation : * légendes : *
figurés : ** repérage des
axes : ** soin : **
Exercice n°2 : Reliefs du fond de l'Océan Indien
Les anomalies positives correspondent à des reliefs.
Certains sont sous marins d'autres dépassent la
surface donnant des îles.
Ces édifices basaltiques forment un alignement qui va
du Deccan à l'île de la réunion.
Le volcanisme est actuel au niveau de l'île de la
Réunion et d'autant plus ancien qu'on va vers le nord
**
Des anomalies successivement négatives et positives
sont repérables de part et d'autre de la ride de
Carlsberg. Elles forment des bandes parallèles et
perpendiculaires à la ride. L'ensemble peut donc être
interprété comme une dorsale avec les failles
transformantes associées.
**
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b. L'altitude des toits des basaltes diminue avec
l'âge des édifices et plateaux basaltiques.**
La baisse d'altitude est d'autant plus lente que l'âge
est avancé. Les variations suivent une évolution de
type hyperbolique.**
L'analyse des basaltes ayant montré qu'ils se sont
tous mis en place à l'air libre ou dans des
conditions subaériennes, leur position actuelle est
le résultat d'une subsidence de la lithosphère
océanique résultant d'un réajustement
isostatique.**
Cette subsidence s'est effectuée, de la masse des
épanchements de basalte, des sédiments qui les ont
recouverts et du vieillissement de la lithosphère. *
D'après ce graphique, on peut supposer que la
subsidence s'effectue surtout dans les millions
d'années qui suivent la formation de l'édifice puis
parait plus lente et plus inégale selon les édifices
par la suite.*
c. Cet alignement peut être attribuable à l'activité
d'un point chaud ayant débuté il y a 65 millions
d'années sous l'Inde située plus au sud
qu'actuellement. *
La plaque lithosphérique se déplaçant ensuite vers
le nord, le point chaud a engendré un chapelet
d'édifices et plateaux basaltiques sensiblement
orienté Nord-sud. Il se trouve actuellement sous
l'île de la Réunion**
La rupture observé dans la continuité du chapelet
peut être attribué à la mise en place d'une zone
d'extension = dorsale de Carlsberg.**
Cette dorsale s'est mise en place postérieurement
aux édifices qu'elle écarte, donc il y a moins de 33
millions d'années.*
Exercice n°3 : Devenir des plaques en subduction dans le manteau terrestre
1°) L'enregistrement des séismes par tous les sismographes permet le repérage dans les trois dimensions
du globe des zones où les ondes sismiques sont ralenties ou accélérées par rapport à la moyenne.
La présentation de de ces anomalies sur des coupes tomographiques permet d'obtenir des informations sur
l'organisation des enveloppes : véritable « scanner » de la Terre
**
2°) Les zones rapides, en bleu, révèlent la présence de roches plus denses que le manteau environnant,
parce que plus denses intrinsèquement, et/ou plus froides que le manteau environnant. Elles permettent de
localiser les plaques lithosphériques en subduction dans le manteau.
**
Dans le manteau supérieur, toutes les anomalies rapides sont très peu épaisses ; leur pendage
est variable.
*
Certaines passent dans le manteau inférieur (Egée, Java, N Tonga, Amérique centrale), et l’épaisseur de
l’anomalie rapide augmente tandis que son intensité diminue.
**
Certaines présentent une forte déflexion dans la zone de transition (S Kouriles, Izu Bonin, et plus ou
moins nord Tonga). S Kouriles et Izu Bonin ne semblent pas entrer dans le manteau inférieur.
**
3°) E = 100 km dans le manteau supérieur s.s., E = 80km vers 200km, E = 160 km dans la zone de
transition, E = 0 à la limite entre le manteau supérieur et le manteau inférieur.
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Après un étirement de la plaque plongeante (du à une traction par gravité), celle-ci s'épaissit dans la zone
de transition ce qui peut être interprété comme le résultat d'une accumulation temporaire de matière dans
la zone de transition.
Le passage de la plaque Pacifique dans le manteau inférieur se fait manifestement de façon discontinue
dans cette région.
4°) θ = environ 40º
5°) Le milieu de l’échelle de couleur est atteint, soit +3% d’augmentation.
Ainsi Vp = (1+0,03)VpPREM = 9,94 km/s
6°) ρ = 3,87 g/cm3
ρPREM = 3,78 g/cm3
Cela représente une anomalie positive de densité de 2,4 % par rapport au modèle PREM.
7°) si on intègre l'expression α T = lnV
Ce qui donne T-TPREM = (1/α)ln(V/Vprem), or V/Vprem = ρPREM/ρ
donc T-TPREM = (1/α)ln(ρPREM/ρ)
Soit une différence de température de 905 K.
8°) On considère implicitement que le manteau et la plaque lithosphérique en subduction sont
constitués de la même roche : péridotite.
Exercice n°4 : Étude d'une roche
Observation à l'oeil nu
Sont visibles quelques phénocristaux dans une pâte homogène sombre.
L'étude microscopique va permettre de préciser les constituants de la pâte.
Observation au microscope
phénocristaux
- à relief important, craquelés, incolore en LPNA et très vivement colorés en LPA. Il s'agit d'olivine
Ces minéraux correspondent aux phénocristaux légèrement verdâtre observé à l'oeil nu.
- légèrement bruns en LPNA, à forme géométrique où on reconnaît des angles droits (suivant
probablement des plans de clivage), polarisant dans des couleurs plus ternes que l'olivine. Il s'agit de
pyroxène. Il correspond aux phénocristaux gris noirs observés à l'oeil nu.
Dans la pâte, on reconnaît des microlites : = des cristaux de plagioclases (en baguette avec macle
polysynthétique), des cristaux d'olivine, de pyroxène et des minéraux opaques en LPNA.
Ces cristaux sont entourés d'un verre (noir en LPA) et assez clair (en LPNA).
La structure est microlithique. Il s'agit donc d'une roche magmatique volcanique. Elle résulte d'un
refroidissement rapide d'un magma en surface. Sa composition minéralogique est celle d'un basalte.
Qualité et fidélité du dessin
Exercice n°5 : Topographie d'une faille transformante
1°) Le dénivelé du géoïde montre l'existence d'un dénivelé important entre le compartiment nord et le
compartiment sud. Ce dernier étant beaucoup plus bas.
2°) Le compartiment au nord de la faille est beaucoup plus près du tronçon de dorsale qui lui a donné
naissance que le compartiment situé au sud. La lithosphère du côté nord est donc plus jeune et moins
épaisse.
3°)
N
S
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L'équilibre isostatique est tel que les masses des 2 colonnes sont égales au dessus de la surface de
compensation.
4°) h*1,03 + e2*3,29 = e1*3,29 + (h + e2 -e1)3,23 ; h = (0,027)(e2-e1) = 0,027 *9,5 (√t2- √t1) = 0256 (√t2- √t1)
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