BCPST-Véto 1 – Lundi 2 avril 2007
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BCPST-Véto 1 – Lundi 2 avril 2007 - Devoir n°7 – Durée 2h00 Épreuve de géologie – Le sujet comporte 3 exercices indépendants Exercice n°1 : L'eau dans le manteau terrestre : le message des basaltes (20 points) d'après ENS 2000 La plupart des magmas qui s'épanchent à la surface de la Terre ou au fond des océans sont issus du manteau et contiennent de l'eau. Au niveau des dorsales océaniques les basaltes se refroidissent quasi instantanément au contact de l'eau de mer. 1°) Quelles sont les conséquences d'une telle mise en place sur la structure des roches ? L'éruption a lieu sous une tranche d'eau de l'ordre de 1000 à 3000 mètres (soit à des pressions de 100 à 300 bars). A ces pressions, l'eau reste dissoute dans le magma qui ne subit pas de dégazage. Les mesures de la teneur en eau du basalte sont donc représentatives de celle du magma avant éruption. Nous allons utiliser ce fait pour déduire une concentration en eau du manteau supérieur de la Terre. 2°) Rappeler à partir d'un schéma annoté et commenté les différentes étapes conduisant à la production des basaltes au niveau d'une dorsale océanique. (Cas d'une dorsale rapide). Un basalte de dorsale océanique "frais", non altéré par l'eau de mer, contient de 0, l % à 0,25 % en masse de H2O. On dit l'eau est un composant "incompatible". 3°) Expliquer ce qualificatif. C0, CL et CS sont respectivement les concentrations massiques de H2O dans la roche source, dans le magma et dans la roche résiduelle. F est le taux de fusion, c'est à dire le rapport entre la masse du magma produit et la masse de la péridotite à l'origine du magma. 4°) Montrer que dans le cas d'une fusion de roche, un bilan de masse conduit à la relation suivante C0=FCL+(1 - F)CS. 5°) En introduisant le coefficient de distribution de H2O entre magmas et solide résiduel D=CS/CL, montrer que l'expression précédente s'écrit : C0 = [D + F(1-D)]CL Des expériences de laboratoire montrent que F varie entre 0,05 et 0,2, que D est de l'ordre de 4.10-4. D'autre part la teneur en H2O des basaltes est connue (0,10 à 0,25 % masse) 6°) Estimer une fourchette pour la concentration massique d'eau dans les péridotites à l'origine de ceux-ci. Exprimez les résultats en parties par million (ppm) en poids. La quantité de H2O dans le manteau va dépendre du volume de manteau effectivement hydraté. 7°) Calculez dans les deux cas extrêmes suivants des fourchettes pour la quantité d'eau présente dans le manteau terrestre : Cas 1 : seul le manteau supérieur est hydraté Cas 2 : tout le manteau est hydraté Comparez ces chiffres à ceux de la masse actuelle d'eau dans les océans 1,4 1021 kg (On donne : masse manteau supérieur = l. 1024 kg; masse manteau total = 4 1024 kg) 8°) Calculez la quantité d'eau extraite annuellement du manteau par le magmatisme des dorsales océaniques sachant qu'il se fabrique actuellement environ 21 km3 de croûte océanique de masse volumique 2900 kg/m3 9°) Donner la méthode permettant d'estimer cette production annuelle de magma à 21km3 1 Exercice n°2 : Le volcanisme de la bordure sud-est du massif central (15 points) d'après Capes externe 1996 Le Massif Central est le siège d'une activité volcanique qui se manifeste dès le Paléocène, atteint son paroxysme au Miocène supérieur pour se terminer au Quaternaire récent. Ces phénomènes volcaniques peuvent être étudiés en tenant compte du cadre géologiques, à partir de données pétrologiques, géochimiques, et en utilisant les informations les plus récentes de la géophysique. 1°) A partir de l'extrait de carte géologique retrouver dans quel ordre ont eu lieu les éruptions à l'origine des terrains volcaniques de la légende (sauf les rhyolites). On utilisera le principe de superposition qui est applicable aux roches volcaniques. Sur la zone étudiée, 2 échantillons de roches ont été récoltés : échantillon A et échantillon B 2°) A l'aide des lames (document 2), préciser la structure de ces 2 roches et identifier les minéraux qui peuvent l'être en précisant les critères utilisés. 3°) A l'aide des analyses chimiques, et en faisant appel à la classification internationale de Streckeisen (document 3 page suivante), préciser la nature de ces roches. 4°) Relier les paramètres physiques caractérisant les magmas correspondant à ces roches, (document 4), à la morphologie des édifices volcaniques qu'ils constituent. Document 3a 2 3 Exercice n°3 : L'origine des continents (15 points) Par rapport au matériel mantellique, la matériel continental (constitué essentiellement de gneiss, de micaschistes et de granites) se caractérise par sa richesse en SiO2, Al2O3, Na2O, K2O et sa pauvreté en FeO, CaO et MgO. On peut donc se poser la question de l'origine de ce matériel acide (au sens géologique du terme), alumineux et alcalin. On se propose de montrer que le matériel continental a été extrait du manteau. L'étude de rapports isotopiques joue un rôle essentiel dans cette démonstration. Certains éléments pouvant subir une désintégration radioactive ou résultant d'une telle désintégration font partie des éléments incompatibles. Le premier exemple est celui du couple Rb/Sr : Le 87Rb se désintègre pour former le 87Sr, alors que le 86Sr est stable. L'élément Rb est très incompatible. Les isotopes d'un même élément ont le même coefficient de partage entre liquide et solide. 1°) Expliquez pourquoi, le rapport isotopique 87Sr/86Sr augmente plus rapidement dans une roche magmatique que dans la roche résiduelle issue de la même fusion partielle. 2°) Envisager l'hypothèse suivante : le granite des continents est issu de la fusion partielle du manteau primitif (assimilable au manteau inférieur ou aux chondrites) dont le résidu solide se trouve dans le manteau supérieur Montrer alors que les conséquences envisageables sur le rapport 87Sr/86Sr sont compatibles avec les données de ce graphique. (On ne traitera pas le cas du rapport 143 Nd/144Nd) Le document ci-dessous montre le rapport initial 87Sr/86Sr dans les roches du manteau supérieur et celles de la croûte continentale. 3°) Montrer qu'à partir de 2,5 milliards d'années, s'opère une diversification des roches crustales qui ne peut s'expliquer que par la fusion partielle de roches déjà continentales. 4 Carte pour l'exercice 2 Extrait de la carte géologique de Valence au 1/250 000 (BRGM) Terrains volcaniques 5 Corrigé du devoir n°7 du lundi 2 avril 2007 Exercice n°1 : L'eau dans le manteau terrestre 1°) Trempe => structure vitreuse en périphérie car pas le temps de former des cristaux puis verre et microlites vers l'intérieur. Au coeur du pillow possibilité de phénocristaux. 2°) B schéma manteau (fusion partielle de la péridotite, maxi 25%) , extraction du magma (si >3%), fonctionnement de la chambre magmatique, mouvements de convection, cristallisation fractionnée sur parois froides, montée du liquide résiduel), purge de la chambre magmatique=> basalte Selon température et différenciation lave plus ou moins visqueuse donne en surface pillow ou lacs de laves Qualité du schéma : formes, couleurs, dynamique du phénomène 3°) Éléments ou molécules qui passent préférentiellement dans le liquide lors d'une fusion partielle 4°) Bilan masse d'H2O C0M = CLFM + CS(1-F)M <=> C0 = FCL+ CS - CSF <=> C0 = FCL+ CS(1 - F ) 5°) CL= CS/D d'où C0 = FCL + (1-F)DCL = [D+F(1-D)]CL 6°) D négligeable => C0 = FCL . + la fusion est faible + le taux d'incompatibles est élevé C0 entre 125 et 200 ppm 7°) manteau sup seul hydraté : 1,25 à 2 10 20 kg manteau total 5 à 8.10 20 kg de 1/10 à 6/10 du volume des océans 6 Sur 20 * * * ** ** * * ** * * * *** * * 8°) 21 km 3 = 21 109 m3 donc 21 109x2900 = 6,1 10 13 kg * Ce qui conduit selon le % à 6,1.10 10 kg à 15. 10 10 kg soit autour de 10 11kg d'eau extraite. 9°) 6 km d'épaisseur de croûte, 6 cm de largeur sur une longueur de dorsale de 60 000km 6*6 10-3 * 3 104 = 21 km3 * Sur 15 1°) τ au dessus de τ α =>τ postérieur à τ α, τ α au dessus de βC =>... βC au dessus de βD =>...vs au dessus de etc... * Bilan : βD puis βC puis τ α puis τ * 2°) La structure est microlithique dans les deux cas. * Dans la roche A, on distingue des phénocristaux= minéraux incolores en LPNA et coloré vivement en LPA. * Les deux cristaux du haut sont craquelés mais non clivés : olivine * Le cristal du bas présente des clivages : pyroxène * Dans la roche B, on distingue des phénocristaux de feldspaths (qui d'après la composition chimique sont * probablement des felspaths alcalins (macle de carlsbad ?)) * la pâte contient du verre et des feldspaths (plagioclases ou alcalins) dans les deux cas. 3°) Basalte et phonolite ** 4°) A : basalte fluide donne des coulées ** B : phonolite issue d'une différenciation magmatique, très visqueuse mais moins dense remonte à la surface et ** donne de petits affleurements = dômes * Exercice n°2 : Le volcanisme de la bordure sud-est du massif central Exercice n°3 : L'origine des continents 1°) Le rubidium est incompatible, il va donc donc se concentrer dans le magma et se retrouve dans la roche magmatique à une concentration plus élevée que dans la roche résiduelle. Le rapport initial 87Sr/86Sr est le même dans le magma que dans la phase solide résiduelle. Cependant la désintégration du Rb plus abondant dans le magma va faire croître plus vite le 87Sr dans la roche magmatique issue du magma que dans la roche résiduelle qui contient moins de Rb. Comme le 86Sr ne varie pas, le rapport 87Sr/86Sr augmente plus dans la roche magmatique que dans la roche résiduelle. 2°) Si le granite des continents est du à la fusion du manteau initial, le magma à l'origine des continents s'est trouvé enrichi en Rb par rapport au solide résiduel. La roche mère = manteau initial a une teneur en Rb intermédiaire entre les deux. Le rapport 87Sr/86Sr (identique au départ dans les 3) a donc ensuite augmenté plus vite dans les continents que dans la roche mère et moins vite dans le solide résiduel par rapport à la roche mère. Il devient plus élevé dans les continents et plus faible dans le manteau supérieur que dans la roche mère supposée. On constate que le rapport isotopique des continents 87Sr/86Sr est plus élevé que celui des chondrites et que ce rapport est plus faible dans le manteau supérieur que dans les chondrites. Ce qui correspond aux conséquences attendues dans l'hypothèse envisagée. 3°) A partir de 2,5 milliards d'années on observe des roches continentales dont les rapports isotopiques sont très élevés. Elles sont donc issues de roches au sein desquelles la proportion de 87Sr a augmenté parce que très riches en Rb. Cet enrichissement Rb ne peut s'expliquer que par des fusions partielles successives qui à chaque fois concentrent le Rb à l'origine du 87Sr. 7 Sur 15 * * * * * * * * * * * * * * * *
