Correction EVOLUTION DU MODELE : LE RENOUVELLEMENT DE

Correction EVOLUTION DU MODELE : LE RENOUVELLEMENT DE LA LITHOSPHERE
OCEANIQUE : /29
Ce que je devais faire
introduction
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problématique
A- La dynamique de la lithosphère élucidée :
Analyse des documents p 142-143
Le document 1 permet d’aborder sommairement la technique de tomographie (du grec tomê, coupe)
sismique. Tout comme la tomographie médicale, elle permet d’imager l’intérieur d’une structure. La
technique est fondée sur le trajet et la vitesse de propagation des ondes sismiques à l’intérieur du globe
terrestre. Pour l’étude des structures superficielles, les signaux sismiques sont générés à partir d’un trou
de forage, puis enregistrés par un ensemble de géophones (ou d’hydrophones) dans un second trou de
forage. Pour l’étude des structures profondes, les ondes sismiques générées lors des tremblements de
terre sont utilisées. Le principe de la tomographie est fondé sur le fait que la vitesse de propagation des
ondes sismiques dans un matériau est relative à ses propriétés mécaniques et thermiques.
Les vitesses de propagation obtenues sont comparées aux prévisions de vitesse données par le modèle
PREM (Preliminary Reference Earth Model de Dziewonski et Anderson en 1981) qui est un modèle
sismologique de la Terre représentant l’évolution de la vitesse des ondes P et S en fonction de la
profondeur. Par exemple, la présence d’un corps plus froid accélère les ondes sismiques qui le traversent,
un corps plus chaud ralentit les ondes : on obtient donc des anomalies de propagation de vitesse par
rapport à une vitesse théorique. En multipliant les stations d’enregistrement, on peut déterminer la
géométrie spatiale de ces anomalies de vitesse. Par des traitements mathématiques de l’ensemble des
données, une coupe et une représentation 3D de la répartition spatiale des vitesses de propagation des
ondes sismiques peuvent être obtenues.
Les différents supports présentés dans les documents 2 et 3 (cartes 2D, coupe en 2D et bloc diagramme
en 3D) entraînent les élèves à travailler dans les trois dimensions de l’espace et à passer d’une
représentation à une autre.
Pour analyser le document 3, on pourra utiliser, en la simplifiant, l’information suivante : la zone de
transition entre la fin de l’asthénosphère et le début du manteau inférieur se manifeste par un
changement dans la nature des minéraux (l’olivine est progressivement remplacée par la phase spinelle,
elle-même remplacée par un assemblage pérovskite et magnésiowüstite à 670 km) ce qui induit une
modification de la densité et de la viscosité à la transition manteau supérieur et manteau inférieur. Il
semblerait donc logique que les plaques subductées ne franchissent pas cette barrière, ce qui est le cas
pour la coupe au niveau de la mer Égée mais pas pour l’Amérique centrale.
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Q1 p 143
- Doc. 1 et 2 : La tomographie sismique est basée sur l’étude des vitesses de propagation des ondes
sismiques à l’intérieur du globe, et plus précisément sur l’existence de vitesses plus élevées (ou
plus faibles) que la moyenne attendue si les matériaux traversés étaient thermiquement
homogènes. Le document 2 montre que deux zones mantelliques peuvent avoir des
comportements différents. Les cartes des vitesses montrent une très bonne corrélation entre la
position des régions lentes et chaudes en profondeur (rouge foncé) et la présence des dorsales
océaniques en surface, qui sont les zones où les plaques lithosphériques sont fabriquées en
continu à partir du manteau, par accrétion de lithosphère. Ainsi, à 100 km de profondeur sous la
dorsale pacifique existe une forte anomalie négative de vitesse des ondes S traduisant l’existence
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d’une zone plus chaude. Au contraire, à l’aplomb de la péninsule indienne existe une zone
mantellique présentant une forte anomalie positive de vitesse traduisant un matériau plus froid
que l’environnant, une faible anomalie positive peut être aussi repérée au niveau du Pérou et du
Chili, zone de subduction. Il est important d’insister sur le fait que la carte obtenue correspond
aux anomalies à 100 km de profondeur et donc qu’une autre carte, réalisée à une profondeur plus
grande montrerait une autre image du manteau.
Q2 p 143
- Doc. 3 : On peut visualiser le devenir de la lithosphère océanique par les zones bleues indiquant
une forte anomalie positive des vitesses. Au niveau de la mer Égée, la zone froide pénètre jusqu’à
environ 670 km de profondeur puis elle s’incorpore au manteau. En revanche, la coupe au niveau
de l’Amérique centrale montre un plongement beaucoup plus important de la lithosphère
océanique jusqu’à 2 900 km, c’est-à-dire jusqu’à la limite manteau inférieur et noyau.
La reconstitution en 3D de l’intérieur du manteau supérieur et inférieur indique une répartition
complexe des zones froides et chaudes, plus ou moins en continuité, et suggère des mouvements
verticaux mais aussi horizontaux de matière dans le manteau.
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Synthèse : réponse au problème à résoudre
Les données tomographiques sont des données essentielles pour argumenter d’une dynamique de la
lithosphère. Cette dernière est créée au niveau des dorsales à partir de matériau chaud induisant, jusqu’à
200 km de profondeur, une très forte anomalie négative de la vitesse des ondes sismiques. La lithosphère
disparaît dans le manteau au niveau des zones de subduction, caractérisées en profondeur par une
accélération de la vitesse des ondes.
Actuellement, la tomographie sismique est un outil indispensable pour identifier les mouvements de
matière dans le manteau à l’origine de la dynamique et du renouvellement de la lithosphère océanique.
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B- L’origine de la lithosphère élucidée :
Analyse des documents p 144-145
On retrouve dans le document 1 des données sur la faille Vema. Explorée en 1988 grâce aux progrès
réalisés sur l’autonomie des submersibles, la zone de fracture Vema, avec une longueur de près de 320 km
et une profondeur des plus importantes constitue l’une des failles les plus étudiées au monde. Du point de
vue morphologique, la topographie de la zone transformante est marquée par une dépression de 5
000 mètres de profondeur. L’origine de cette faille est à rechercher dans les différences de vitesse linéaire
d’écartement en relation avec la distance du pôle eulérien (chapitre 2).
On envisage dans le document 2 des arguments en faveur de l’origine mantellique des roches de la croûte
océanique. L’accent peut être mis sur la mise au point, dans les années 1965-1970, d’un instrument
fondamental pour l’étude expérimentale de la fusion des matériaux : la presse à enclume de diamant.
Actuellement, le domaine de pression et température accessible par cette technique couvre pratiquement
tout le domaine de pression et de température que l’on rencontre à l’intérieur de la Terre et des planètes
telluriques : pression jusqu’à 500 GPa (5 millions d’atmosphères) et température jusqu’à 5 000 K.
Dans le document 3, on montre qu’en appliquant au logiciel de simulation des conditions bien
particulières de pression et de température, on obtient la fusion débutante de la péridotite.
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Q1 p 145
- Doc. 1 : Les différentes roches constitutives de la lithosphère océanique sont le basalte, le gabbro
et la péridotite.
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Q2 p 145
- Doc. 2 : La comparaison de la péridotite, du basalte et gabbro donne une bonne corrélation pour
la teneur en silicium et en oxygène. En revanche, on peut observer une teneur beaucoup plus
élevée dans les basaltes et gabbros des éléments chimiques suivants : calcium, sodium, potassium
(dans une moindre mesure fer) et beaucoup plus faible pour l’aluminium et le magnésium. En
admettant que la péridotite est la roche source, on peut constater, par comparaison, que sa
fusion partielle à 15 % produit un liquide ayant chimiquement la composition des basaltes. La
différence de composition chimique entre le liquide de fusion et la péridotite source s’explique
par le fait que tous les minéraux d’une roche ne fondent pas à la même température et les
éléments chimiques vont avoir des comportements différents lors de la fusion. Certains éléments
sont dits « hygromagmatophiles » c’est-à-dire qu’ils passent préférentiellement dans le liquide.
C’est le cas des alcalins K, Na, Ca.
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Q3 p 145
- Doc. 3 : L’ensemble des couples de points pression-température (P en kbar, T en °C) forme une
courbe appelée solidus regroupant les conditions minimales nécessaires au début de fusion.
Quelques points peuvent être identifiés : (0,3 ; 1 100) ; (2 ; 1 120) ; (4 ; 1 150) ; (6,5 ; 1 200). On
peut ensuite rechercher si ces conditions sont réunies au niveau océanique. La comparaison du
géotherme océanique moyen et celui d’une dorsale montre une différence majeure. Pour des
profondeurs situées entre 10 et 25 km, la température existante est beaucoup plus élevée sous
une dorsale. En suivant l’évolution des conditions à l’aplomb d’une dorsale, de la profondeur vers
la surface, on observe qu’il y a une baisse très importante de la pression sans qu’il y ait de
diminution nette de température. Ces conditions particulières permettent de créer des conditions
favorables au début de fusion partielle des péridotites.
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Synthèse : réponse au problème à résoudre
La réponse au problème posé nécessite de faire une synthèse des différentes informations apprises. Ainsi,
la divergence des plaques de part et d’autre de la dorsale (Activités pratiques 3) entraîne un
amincissement de la lithosphère et une remontée locale des péridotites asthénosphériques qui subissent
donc une baisse de pression sans quasi diminution de température (références aux images de flux
géothermique et de tomographie sismique à l’aplomb des dorsales). Ces conditions sont à l’origine de la
fusion partielle de la péridotite et de la production d’un liquide magmatique de composition chimique
différente de la roche source. Moins dense, ce liquide s’élève et s’accumule dans une chambre
magmatique. La cristallisation lente en profondeur produit des gabbros alors que l’injection de magma
vers la surface produit des basaltes. Enfin, la péridotite résiduelle constitue la base de cette lithosphère
nouvellement formée.
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Recopier en rouge le bilan p 148 (3ème paragraphe)
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