capes concours externe et cafep sciences de la vie et de la terre
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Construire une séquence d’enseignement sur le thème de la production de lithosphère océanique en classe de première S Proposer un plan détaillé incorporant les prérequis de 1°S, la problématique, les documents utilisés, les réalisations techniques des élèves, les questions se référant à ces manipulations et le schéma bilan construit avec les élèves. Thème/Titre : La production de lithosphère océanique Niveau : 1ère S En guise d’introduction… Prérequis : ¤ chapitre 1 : Structure de la Terre => notion de lithosphère ¤ Chapitre 2 : Composition de la Terre => composition minéralogique et chimique, structure des roches lithosphériques. ¤ chapitre 3 : Marqueurs de la tectonique des plaques => il y a création de lithosphère océanique nouvelle au niveau des dorsales. ¤chapitre 4 ( celui qui nous intéresse) : Formation et divergence des plaques lithosphériques => 1er paragraphe = marqueurs de l’activité des dorsales. L’objectif de cette leçon est de comprendre comment se fait la PRODUCTION DE LITHOSPHERE OCEANIQUE ET quelles sont les ACTIVITES MAGMATIQUES ASSOCIEES. A chaque étape, l’étude s’appuiera tout d’abord sur une observation, puis sur une modélisation, en complétant progressivement un schéma bilan. 1. Les roches de la lithosphère océanique Des failles permettent parfois d’avoir une observation directe des roches de la lithosphère océanique ( ex : faille de Vema en Atlantique) Coupe de la lithosphère océanique : sédiments ( max 500m), basaltes en coussins = pillow lavas (1 km), filons de basalte = complexe filonien (2.5 km), gabbros (4 km), péridotites hydratées ( = serpentinites). Observations macroscopique et microscopique : basalte à la structure microlithique – Gabbro et péridotite à la structure grenue Lame mince de péridotite 2- La structure du gabbro et de du basalte s’explique par la vitesse de refroidissement du magma TP modèle analogique de la vanilline : la cristallisation des magmas Contexte géologique : basalte et gabbro sont 2 roches magmatiques de même composition chimique, mais seul le basalte est une roche volcanique. En effet, tandis que le magma à l’origine du gabbro refroidit en profondeur sans jamais parvenir à la surface, le magma qui donne le basalte est explusé sous forme de lave par les volcans de dorsale. 1- observer au microscope polarisant des coupes de lames minces des 2 roches, basalte et gabbro, pour déterminer la différence les plus frappante entre les 2 échantillons. 2- Réaliser les 2 expériences sur les cristaux de vanilline et schématiser l’apparence des 2 lames. Matériel : Pour chaque binôme : Microscope polarisant. Lames, lamelles. Pinces en bois, en métal. Bec Bunsen électrique. Gants plastiques Au bureau Diapos, images, échantillons de basaltes et de gabbros Un pot de vanilline (acheté en pharmacie) Une bombe à froid (utilisée pour calmer la douleur...) Un bac à glace Un vidéo projecteur ou web cam Protocole : Première étape : Il « suffit » de déposer sur une lame une pincée de poudre de vanilline, de la recouvrir d’une lamelle et de la maintenir au dessus d’un bec bunsen électrique à l’aide d’une pince de bois durant environ une minute. La vanilline se liquéfie, le changement d’état est très visible. L’ensemble est rapidement déposé sur la platine d’un microscope polarisant préalablement réglé à l’extinction. Les élèves observent alors la lame en continu jusqu’à la fin de la cristallisation (durée maximum de 5 mn) Deuxième étape : Une autre lame est préparée exactement dans les mêmes conditions, mais cette fois, elle est posée sur une plaque de glace. Après 5 minutes, les élèves observent le résultat de cette cristallisation au microscope polarisant. Troisième étape : Pour "visualiser" le paramètre "vitesse de refroidissement", on peut filmer en direct une cristallisation de vanilline. Dès que les premiers cristaux apparaissent, on vaporise toutes les 5 ou 10 secondes (à ajuster...) un jet d'air froid sur la lame. Le microscope est connecté à une web-cam. ATTENTION à ne pas diriger le jet d'air sur la lampe à incandescence du microscope ou sur la caméra. Refroidissement au congélateur Refroidissement à T° ambiante 3. Conclusion : En considérant que le basalte correspond à la lame ayant refroidi sur le bac de glace, et que le gabbro correspond à la lame ayant refroidi à température ambiante, proposer une explication sur la différence de taille des cristaux observée entre les deux roches. La phase d'observation des lames doit amener à la formulation du problème : comment un même magma peut-il produire des roches renfermant des cristaux de taille différentes ? Les élèves, qui ont déjà abordé la notion de magma, doivent comprendre par eux mêmes que la température est un facteur qui intervient dans le passage de la roche liquide à l'état solide cristallisé. Une fois le paramètre température évoqué, la vanilline cristallisée est proposée comme équivalent de la roche solide, et la vanilline fondue correspond alors au magma. + la vitesse de refroidissement est grande, + les cristaux sont petits et inversement. Le magma qui se refroidit brutalement au contact de l'eau donne donc un basalte, s'il se refroidit lentement en profondeur, il donne du gabbro ( même compo chimique que le basalte). => origine commune= solidification d’1 liquide magmatique. Transition : Mais les basaltes et gabbros ont des compositions chimiques différentes des péridotites dont ils sont issus…. 3- La fusion au niveau de la dorsale s’explique par des conditions particulières A- L’état de la matière en profondeur a) Définis les termes « solidus sec » et « liquidus ». Estime la température, la profondeur et l’état de la péridotite au niveau de l’étoile. Est-ce de la lithosphère ou de l’asthénosphère ? Pourtant, les dorsales sont bien une zone de remontée de magma, donc où il y a fusion de matériel. Cela s’explique : Les péridotites de l’asthénosphère subissent un mouvement ascendant au niveau des dorsales. La vitesse à laquelle s’effectue cette montée est telle que les échanges de chaleur entre les péridotites ascendantes et le manteau environnant sont réduits. b) Représente par une flèche la remontée de cette péridotite sur le diagramme. Comment expliques tu donc la genèse de magma au niveau des dorsales ? La fusion est-elle totale ? Quels sont les produits résultant de la fusion ? Graphique P°T° expérimental : le géotherme représente la température des roches en fonction de la profondeur. Le solidus sépare 1 zone où les roches sont entièrement solides d'une zone de "bouillie cristalline" (cx + liquide). Pour qu'une roche située sur le géotherme, vers 100km puisse fondre, il faut qu'elle traverse le solidus. 2 possibilités : augmentation de la T° à P° constante, ou diminution de la P° à T° constante. On a noté une remontée des isothermes, dc de l'asthénosphère, au droit d'une dorsale : c'est donc la 2ème solution qui peut expliquer la fusion de certains minéraux : décompression adiabatique. Cf graphique complété. B- La fusion partielle permet d’obtenir un magma ne contenant qu’une partie des composants d’origine. a) Lors de la remontée de la péridotite asthénosphérique, quels minéraux fondent? (doc 3) b) En tenant compte des formules chimiques des différents minéraux de la péridotite asthénosphérique ( doc 3), indique en quels éléments chimiques se trouvent proportionnellement enrichis le liquide magmatique d’une part et la partie non fondue de l’asthénosphère d’autre part ( doc 4). c) Pour mieux comprendre la fusion partielle de la péridotite, réalise la simulation proposée. Interprète alors comment il est possible d’obtenir un magma ne contenant qu’une partie des composants d’origine. TP. Modèle analogique avec 3 types de lipides. Préparation du matériel : Trois corps gras dont la température de fusion est différente : - Beurre (température de fusion : 17 à 37°C) - Graisse de Coco (température de fusion : 21 à 25°C) - Graisse de Palme (température de fusion : 37 à 40°C) Découper des plaques de 3 à 4 mm d'épaisseur et de quelques centimètres de côté. 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... Coco et palme 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). Peut être testé aussi : chocolat (26 à 31°), palmiste ou coprah (26 à 28°), saindoux (36 à 40°)... 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... Pour éviter une fusion trop rapide, les boites ainsi préparées sont placées dans le réfrigérateur quelques dizaines de minutes avant la manipulation. Au temps t0, les boites sont mises à flotter sur de l'eau chaude au bain marie à 40°C. Action de la chaleur : Evolution en fonction de la durée de séjour au bain marie à 40°C : Début de fusion du beurre Début de fusion de la graisse de coco Il reste la graisse de palme… Replacer alors les boites au réfrigérateur, ou récupérer la partie en fusion (= différenciation) et la refroidir (="cristallisation" fractionnée)... Il est ainsi facile de montrer que selon le stade auquel a lieu le refroidissement, il y a solidification d'un corps gras constitué soit essentiellement de beurre (1/3 du mélange initial), soit d'un mélange de beurre et de coco (2/3 du mélange initial). De la même façon, le résidu solide varie de 2/3 à 1/3 du mélange initial... Intérêt : manipulation facile à mettre en oeuvre par les élèves, séance de TP peu coûteuse et démonstrative... Le beurre fond en 1er, les proportions de 1/3 pour chaque lipide du solide de départ changent alors ( 1/2 pour le coco et 1/2 pour le palme). De même, la péridotite qui fond va s'enrichir en certains éléments et s'appauvrir en d'autres. Cf schéma. Le plagioclase fond en 1er : le liquide magmatique s’enrichit en Ca,Na, la péridotite résiduelle s’enrichit en olivine et pyroxène. Puis le pyroxène fond, la péridotite résiduelle s’enrichir encore plus en olivine. La composition chimique des basaltes gabbros et péridotites dépend du taux de fusion partielle. Le liquide magmatique primaire est collecté dans la chambre magmatique, où l’on distingue : une bouillie cristalline (L+S) et une lentille sommitale ( 100% L) Exemple de conclusion Schéma-bilan : La genèse du magma Au niveau des dorsales, remontée de l’asthénosphère Décompression adiabatique Le géotherme croise alors le solidus FUSION PARTIELLE DES PERIDOTITES ASTHENOSPHERIQUES Liquide magmatique primaire qui remonte Résidu solide enrichi en olivines : péridotite lithosphérique CRISTALLISATION FRACTIONNEE Refroidissement lent Refroidissement rapide = éruption Cristallisation dans la « chambre magmatique » Cumulat de gabbros Basaltes en surface Ouverture possible de travail : comme le volume de la Terre est constant, disparition de lithosphère au niveau des zones de subduction ( programme de TS…)
