Préparation à l`agrégation – secteur C: TP Blanc – Janvier 2011

Préparation à l’agrégation – secteur C:
TP Blanc – Janvier 2011
Emmanuelle BOUTONNET ([email protected])
DIVERSITE DES ZONES DE SUBDUCTION :
EXEMPLES DES ALPES, DE LA MER EGEE ET DES ANDES
Durée conseillée : 3h15
PARTIE 1 - Le domaine piémontais, Alpes, France :
Analyse cartographique
La carte géologique au 1 :50000 de Aiguilles Saint Martin vous est fournie :
Faites un schémas structural détaillé, et détaillez l’histoire géologique de la région :
Schémas structural :
PARTIE 2 - Les Cyclades, mer Egée, Grèce
1- Analyse pétrologique.
Les Cyclades sont un archipel d’îles grecques situées en mer Egée. Les deux échantillons qui
vous sont fournis en lame mince proviennent de l’île de Sifnos (fig. 1), et plus précisément de
l’unité représentée par des hachures horizontales, l’unité supérieure de Cherronissos.
Faites un dessin et une description détaillée des deux échantillons.
Echantillon U1 = 6.2.4.0.2
Echantillon U2 = 6.4.4.0.3
Figure 1-A : carte tectonique de la Mer Egée et localisation de l’île de Sifnos.
Figure 1-B : carte géologique de l’île de Sifnos – Cyclades, Grèce.
Les échantillons de métabasites prélevés au sommet de l’unité de Cherronissos (U1) montrent
une paragenèse à deux micas blancs, la phengite (Pg) et la Paragonite (Pa), à clinopyroxènes
omphacitiques (omph), à grenats Almandin (Alm) et à quartz (Qtz). Les échantillons prélevés
à la base de l’unité de Cherronissos (U2) montrent une paragenèse à albite (Ab), omphacite
(omph), et glaucophane (Gl). Une paragenèse tardive équilibrée dans le faciès des schistes
verts domine dans U1 et U2 par endroits. Les teneurs du pôle jadéite (Jd) dans les omphacites
ainsi que les teneurs en Si de la phengite ont été mesurés par microsonde électronique ; les
résultats sont fournis en table 1.
Rappel : les omphacites sont des clinopyroxènes qui forment une solution solide entre un pôle
pur sodique (Jadéite) et un pôle pur calcique (Diopside) : (Ca,Na)(Mg,Fe2+,Al)Si2O6
Figure 2 : diagramme Pression- Température calculé pour une chimie basique.
Table 1 : données géochimiques des minéraux prélevés dans l’unité de Cherronissos, Sifnos,
Grèce. Notation : « E-07 » signifie « 10-7 ».
Déterminez les conditions métamorphiques d’équilibration de l’unité de Cherronissos. Tracez
le chemin Pression- Température sur la figure 2.
2- Analyse thermodynamique
Un thermomètre appliqué au quartz a été calibré expérimentalement par Wark et Watson
(2006). Elle repose sur la substitution du Ti4+ à la place du Si4+ dans le quartz, un processus
activé par la température, en présence d’une phase riche en Titane. La calibration
expérimentale a été effectué en équilibrant du SiO2 (verre ou quartz) avec des poudre de TiO2
amorphe dans presse de type Piston- Cylindre. Toutes les expériences ont été effectuées à une
pression de 1.0 GPa et des températures de 600°C – 1000°C. Les résultats et les conditions
expérimentales sont consignées dans la table 2.
Table 2 : Résultats expérimentaux de la calibration Ti-sur-Quartz. Run ID : numéro de
l’expérience ; Fluid type : type de fluide servant au confinement ; Capsule type : type de
capsule utilisée dans la presse.
Par quelle(s) méthode(s) peut-on mesurer des teneurs de Ti de quelques ppm dans le quartz ?
La thermodynamique prédit une relation exponentielle entre la teneur de Titane dans le quartz
XTiO2 (ppm) et la température T(K) du type :
Calibrez graphiquement le thermomètre Titane Sur Quartz ; du papier millimétré vous est
fourni.
Thomas et al (2010) ont démontré que la pression jouait un rôle important dans la substitution
Si-Ti dans le quartz, et ont refait une série d’expériences pour calibrer l’équation :
D’autres calibrations du même type ont été effectués sur d’autres systèmes minéralogiques,
comme le Zr sur Rutile et Zr sur Sphène. Les équations sont données dans la Table 3 :
Table 3 : Paramètres de calibration obtenus par régression des moindres carrés des résultats
expérimentaux de différentes études thermodynamiques. n.a. et n.d. : données non
déterminées.
Spear et al. (2005, 2006) ont travaillé sur les roches de l’unité de Cherronissos de l’île de
Sifnos. Ils ont notamment mesuré les teneurs de Ti dans le quartz et de Zr dans le rutile. Les
résultats de ces analyses sont reportées dans la Table 1.
Déterminez graphiquement les conditions Pression- Température d’équilibration de ces
roches ; du papier millimétré vous est fourni. On prendra des activités aTiO2 et aZrO2 égales à 1.
Discutez de la validité de cette estimation.
Papier millimétré pour construction graphique (si nécessaire).
3- Analyse géochronologique.
Des datations ont été effectuée sur l’unité de Cherronissos. Les techniques utilisées sont les
méthodes Ar/Ar et Rb/Sr sur deux types de micas blancs, la phengite et la paragonite (Table
4). Les températures de fermetures de ces systèmes minéralogiques ont été estimés :
-
Ar/Ar sur phengite : 400 ±50°C
Ar/Ar sur paragonite : 450 ±50°C
-
Rb/Sr sur phengite : 500 ±50°C
Rb/Sr sur paragonite : 550 ±50°C
Table 4 : Ages en Ma. Ph = Phengite ; Pa = Paragonite.
Exposez rapidement le principe de la radiochronologie et l’utilisation des températures de
fermeture.
Pourquoi a-t-on choisi ces méthodes dans le cas présent ? Que date-t-on dans cet exemple à
Sifnos ?
Complétez le trajet Pression – Température de l’unité de Cherronissos avec la contrainte
temps.
PARTIE 3 : Les Andes du Sud et la Patagonie, Amérique du Sud
1- Analyse géochimique
La cordillère des Andes présente une succession de zones volcaniques et de zones non
volcaniques où affleurent des batholithes (roches plutoniques). Du nord au sud (Figure 3), on
trouve la zone volcanique Nord (Colombie – Equateur), le batholithe côtier du Pérou (Pérou),
la zone volcanique centrale (Sud Pérou – Bolivie), le batholithe Chilien (Nord ChiliArgentine) et la zone volcanique Sud (Chili – Argentine).
Les laves de différents volcans, situés de la zone volcanique centrale à la Patagonie, ont été
analysées par spectrométrie de masse (Table 5).
A partir des données géochimiques en éléments majeurs et des graphes qui vous sont fournis
en figure 4, déterminez la nature de ces magmas. Complétez la légende de la figure 3.
Figure 3 : Répartition des zones volcaniques et non volcaniques dans les Andes
1
52,6
1,3
14,2
8,5
8,8
7,4
3,0
2,9
0,8
99,6
68,0
39,0
2,0
1
53,4
1,4
13,9
8,0
7,6
7,1
3,1
4,0
0,9
99,8
84,0
113,3
1,9
Gemello Sud Gemello Nord
49,7
40,0
1,4
59,0
1,3
15,6
5,8
4,2
5,6
3,6
3,5
98,7
2
Tuzgle coulée
récente
47,7
29,0
1,4
69,1
0,6
15,9
2,5
1,1
3,1
3,2
4,5
99,9
2
Tuzgle
ignimbrite
20,3
6,0
1,5
75,8
0,2
13,3
0,7
0,2
0,5
4,3
3,9
98,8
3
Maipo
20,3
8,5
1,0
62,2
0,8
17,4
4,6
2,6
5,2
3,9
2,6
99,2
5
Tupungato
51,0
23,0
5,9
65,4
0,9
16,0
4,4
0,9
1,9
6,3
3,0
0,2
99,3
6
Hudson
38,0
39,0
2,9
46,5
2,9
16,5
13,1
4,3
6,7
3,7
1,7
0,7
99,2
7
MLBA
38,1
31,0
2,8
52,2
2,0
16,4
10,2
4,1
6,6
5,3
2,8
0,6
100,2
8
TM
LVZ = zone de faible vitesse sismique.
Figure 7 : profil interprété de structure profonde des Andes, sur une coupe Ouest-Est (localisation figure 6). Technique : fonctions récepteur.
26,0
12,2
1,5
57,1
1,0
17,7
6,6
4,3
7,1
3,6
2,1
99,5
4
Marmolejo
Table 5 : Données géochimique des différentes roches volcaniques reportées figure 3.
volcans localisation El Saladillo
sur
1
Figure 3
Majeurs (% oxydes)
SiO2
54,5
TiO2
1,2
Al2O3
14,4
FeO
6,9
MgO
7,8
CaO
6,3
Na2O
2,7
K2O
4,0
P2O5
0,7
total
99,0
Traces (ppm)
La
63,0
Nb
72,8
Yb
1,8
Figure 4 : Diagrammes de discrimination : Alcalins- Silice et K2O - Silice
Complétez votre analyse, en précisant par exemple les sources ces magmas, en utilisant les
éléments traces et les éléments majeurs. Tracez le diagramme le plus représentatif en vous
servant de vos connaissances sur le comportement de ces éléments lors de la fusion partielle.
Rappel - classement du plus incompatible au moins incompatible :
Ba >Rb >Th >K >Nb >Ta >La >Ce >Sr >Nd >P >Sm >Zr >Hf >Ti >Tb >Y >Tm >Yb
2- Analyse tectonique
L’étude se situe au niveau de la zone volcanique centrale, entre le Pérou, le Chili et la Bolivie.
Figure 5 : Photo des Andes depuis la plaine désertique de Bolivie.
Interprétez la photo proposée en figure 5. La direction de prise de vue est indiquée Figure 6.
Figure 6 : Haut : Carte topographique des Andes Centrales avec localisation de la prise de
vue de la Figure 5, et de la coupe Figure 7. Bas : carte des anomalies de Bouguer dans la
région des Andes Centrales.
Proposez une coupe lithosphérique de la région des Andes centrales (de la fosse à la Bolivie)
en vous appuyant sur les figures 5, 6, et 7.
Proposez une interprétation de la structure des Andes Centrales, en particulier l’origine de
l’épaississement crustal. Vous pouvez corréler vos hypothèses avec les informations apportées
par le magmatisme.
PARTIE 4 : Reconstitution géodynamique.
La déformation de la plaque située au dessus d’une zone de subduction varie d’un exemple à
l’autre. Dans le cas de la Mer Egée, une extension importante conduit à un amincissement
crustal et à l’exhumation de roches profondes (Figure 1-A). Dans le cas des Andes du Sud,
une compression importante conduit à un épaississement crustal et à la formation d’une
cordillère (Figure 3).
Comparez les deux contextes de subduction –compressif et extensif - et discutez des causes de
ces deux régimes géodynamiques dans les deux exemples traités.