BCPST-Véto 1 – Lundi 2 avril 2007

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
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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
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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
143Nd/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.
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Carte pour l'exercice 2
Extrait de la carte géologique de Valence au 1/250 000 (BRGM)
Terrains volcaniques
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