Licence Sciences de la Terre
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Licence Sciences de la Terre Parcours « Sciences de la Terre et des Planètes » Cohabilité ENS Lyon/Univ. Lyon 1 Responsable 2007 : Frédéric Chambat, ENS Lyon. Co-resp. et resp. LMD sciences de la Terre-ENS Lyon, 2007: Francis Albarède, ENS Lyon. Secrétariat : Agnès Ganivet, ENS Lyon. Site web : http://www.ens-lyon.fr/Bio-Geol/MST/ Horaire présentiel Crédits européens 30 h 3 ECTS Méthodes d'observations géologiques à terre et en mer Pierre Thomas 100 h 9 ECTS Mise à niveau géologie ou mathématiques 1 Francis Albarède 40 h 3 ECTS Mathématiques 2 Stéphane Labrosse 40 h 3 ECTS Géophysique 1 – Equilibre et transport Jan Matas 40 h 3 ECTS Equilibres dans les systèmes géologiques Eva Chamorro 40 h 3 ECTS Structure, histoire et dynamique de la Terre Pierre Thomas 80 h 6 ECTS Anglais Hélène Windish 30 h 3 ECTS Physique, chimie des minéraux et des roches Micheline Boudeulle 60 h 6 ECTS Géophysique 2 - Mécanique des milieux continus Frédéric Chambat 60 h 6 ECTS Paléoenvironnements Fabienne Giraud 60 h 6 ECTS 60 h 6 ECTS Intitulé de l'UE Responsable 1er semestre Anglais Hélène Windish 2e semestre Tronc commun : Ecole de Terrain : sédimentologie, pétrologie géologie structurale, Hervé Bertrand Options (une option à chosir parmi quatre) : Physique, chimie des minéraux et des roches Micheline Boudeulle 40 h 3 ECTS Géophysique 3 – Magnétisme et pesanteur Frédéric Chambat 40 h 3 ECTS Paléoenvironnements Fabienne Giraud 40 h 3 ECTS 40 h 3 ECTS Ecole de Terrain : sédimentologie, pétrologie géologie structurale, Hervé Bertrand Programme détaillé des UE : Anglais, 30 h, 3 ECTS, Hélène Windish, semestre 1 Anglais, 30 h, 3 ECTS, Hélène Windish, semestre 2 Enseignement du département des langues de l'ENS, par niveau. Compétences acquises à l'issue de l'U.E. : * Comprendre Capacité à comprendre une argumentation complexe sur un sujet donné. Capacité à lire des articles en rapport avec leur domaine de spécialité. * Parler Capacité à communiquer avec un assez bon degré d'aisance et de spontanéité. Capacité à participer activement à une conversation ou un débat, à présenter et défendre des opinions personnelles et participer activement aux séances de questions/réponses. Maîtrise des techniques de présentation assistés par ordinateur (type PowerPoint). * Ecrire Capacité à écrire des textes clairs pour transmettre des informations ou donner des raisons pour ou contre une opinion donnée. A l'issue de la formation les étudiants doivent être capables de réussir, au minimum, le CLES 2 (Certificat de Langue de l'Enseignement Supérieur), correspondant au niveau B2 du cadre européen commun de référence pour les langues. Méthodes d'observations géologiques à terre et en mer, Pierre Thomas, 100 h, 9 ECTS Travaux Dirigés (TD) 100% 100 h Introduction à la géologie de terrain (40 h, B. Reynard, P. Thomas, ATER) Une coupe d’une chaîne de montagne (Alpes ou Pyrénées) est effectuée en 5 jours. Des affleurements clés sont présentés aux étudiants, et la démarche partant de l’observation et de la mesure de terrain jusqu’à l’interprétation est expliquée, en termes de géométrie, de mécanismes, et de temps. Mise en évidence et cartographie de structures marines (20h, I. Daniel) Une campagne de prospection sismique marine d’une journée est effectuée en Méditerranée à partir de l’observatoire de Villefranche sur Mer, puis les données acquises sont exploitées en travaux pratiques. Initiation à la cartographie (40h, I. Daniel, S. Pichat, ATER) Les étudiants apprennent à ‘lever’ une carte géologique pendant 5 jours. Cela passe sur le terrain par la reconnaissance des faciès des roches, la localisation géographique sur un fond topographique, la mesure de l’orientation des objets à l’aide d’une boussole, et le report des informations sur le fond topographique. L’ensemble des données permet alors aux étudiants d’établir une carte géologique, dont ils rédigent également la notice, à leur retour à Lyon. Mise à niveau géologie ou mathématiques 1, Francis Albarède, 40 h, 3 ECTS Cours Magistral (CM) Travaux Dirigés (TD) 50% 50% 20 h 20 h Option géologie ou mathématiques suivant le cursus antérieur de l'étudiant : Mise à niveau en géologie (40 h) : I. Pétrologie (20 h) 1) Initiation au microscope polarisant 2) Propriétés optiques des minéraux 3.Principaux minéraux constituants des roches 4) Principaux types de texture des roches 5) Classification des roches magmatiques, métamorphiques et sédimentaires II. Cartographie (20h) 1) Présentation des techniques de base en cartographie géologiques notion de courbe de niveau, isohypse, nomenclature et symboles conventionnels. Exercices de géométrie. Application à des cas simplifiés et à un cas réel. 2) Réalisation d'un schéma structural, construction d'une coupe géologique ou d’un bloc diagramme : - en contexte sédimentaire, illustration dune transition de faciès à l’échelle 1/12500 - en contexte plutonique, - en contexte volcanique (bloc diagramme d'une partie de la chaîne des Puys) - en domaine métamorphique. ou Mise à niveau en mathématiques (40 h) : 1. Dérivées d'une fonction : Présentation Dérivées en chaîne Approximations des dérivées Méthode de Newton, méthode d'Euler 2. Exponentielle et logarithme : Définition (comparer à l'addition, décroissance des proportions) Les logarithmes, diverses bases La fonction puissance et sa relation à l'exponentielle les fonctions hyperboliques 3. Nombres complexes : L'axe réel et l'axe imaginaire Le nombre i, partie réelle, partie imaginaire d'un nombre complexe La notation polaire: le module et l'argument Exponentielle d'une variable complexe (notation d'Euler), trigonométriques, cercle unitaire, projections La formule de Moivre introduction des fonctions Formules de trigonométrie (addition, multiplication) 4. Algèbre linéaire : Résolution d'un système 2x2, mise sous forme de vecteurs Résolution de 2 systèmes 2x2, mise sous forme de matrice Vecteurs et espace vectoriels Produit matriciel: mettre la forme ligne-colonne Le produit scalaire et le produit extérieur comme formes particulières du produit matriciel Matrice inverse Diagonalisation: SVD, ACP Propriétés des matrices symétriques* Matrices orthogonales* Projection - Gram-Schmidt* Le déterminant comme volume Calcul de l'inverse d'une matrice Conditionnement d'une matrice* Les opérations simples: compression-dilatation, rotation, symétrie* Formes quadratiques Tracé de l'ellipsoide associé à une matrice symétrique définie positive Les espaces affines: droites, plans, opérations de translation 5. Analyse : Séries de Taylor, de Taylor-McLaurin Développements limités Règle de L'Hospital Intégrales indéfinies: changement de variable, intégration par parties Intégration des fractions rationnelles Intégrales définies: méthode des trapèzes 6. Equations différentielles ordinaires : Equations linéaires du premier ordre à coefficients constants: variation des paramètres Système d'équations linéaires du premier ordre Equations linéaires du deuxième ordre à coefficients constants Equations linéaires avec deuxième membre 7. Fonctions de plusieurs variables : Dérivées partielles Formes différentielles Le gradient: courbes de niveau Résolution d'un système d'équations non linéaires (Newton-Raphson) Minimum d'une fonction de plusieurs variables Séries de Taylor Multiplicateurs de Lagrange: application à la distance d'un point à une droite, à l'ensemble microcanonique Intégrale double, triple Coordonnées cylindriques et sphériques Divergence, laplacien, rotationel Mouvement circulaire Theorème de Gauss, théorème de Stokes Mathématiques 2, Stéphane Labrosse, 40 h, 3 ECTS Cours Magistral (CM) Travaux Dirigés (TD) 50% 50% 20 h 20 h Opérateurs différentiels. Gradient. Application au flux de chaleur. Dérivée le long d'une trajectoire (dérivée convective). Divergence. Application aux équations de bilan. Théorème de flux­divergence (Green­ Ostrogradsky). Laplacien. Application à la conduction de la chaleur et à la tension d'une surface. Rotationel. Application au calcul du champ magnétique. Changement de système de coordonnées pour les opérateurs différentiels. Séries de Fourier. Développement des fonctions périodiques. Propriétés. Calcul pratique en salle informatique. Application aux solutions de l'équation de la chaleur. Statistique et probabilité. Distributions de probabilité. Moments. Initiation à l'analyse numérique. Pour chaque cours, une introduction théorique courte est prolongée par une mise en pratique utilisant Matlab. Interpolation d'une série de points. Obtention de la racine d'une équation. Calcul d'une intégrale. Application au calcul des profils de pesanteur et pression dans la Terre (état de référence). Ajustement linéaire par méthode des moindres carrés. Application à l'état de référence dans la Terre. Solution d'une équation différentielle par la méthode de Runge­Kutta. Attendus : En plus de connaitre quelques outils de base des mathematiques (par ex, les operateurs differentiels, les regles de Maxwell en thermo), cette UE doit leur permettre de resoudre numériquement quelques problemes mathematiques simples. Géophysique 1 - Equilibre et transport, Jan Matas, 40 h, 3 ECTS Cours Magistral (CM) Travaux Dirigés (TD) 50% 50% 20 h 20 h 1. Introduction 1.1 Historique 1.2 Paramètres thermodynamiques : variables intensives et extensives, théoreme d'Euler 1.3 Conservation d'énergie : 1er principe thermodynamique, réversibilité 1.4 Dissipation et bilan d'entropie : 2me principe thermodynamique, irréversibilité 1.5 Potentiels thermodynamiques : U , H , F , G et les relations Maxwell, condition GibbsDuhem 2. Equilibre 2.1 Conditions d'équilibre : minimisation d'énergie et l'égalité des potentiels chimiques 2.2 Equation d'état : des gaz parfait à l'équation de Birch-Murnaghan 2.3 Transitions de phase : courbe d'équilibre et la pente de Clapyeron 2.4 Modèles de mélange idéal et non-idéal : entropie et enthalpie de mélange, transitions de phase bivariante 2.5 Démixion : température critique, coubre binodale et spinodale 2.6 Diagramme de phase : exemple de l'olivine et la relation avec la structure interne du manteau 2.7 Chemins caractristiques : isothermes, isochores et adiabates, l'effet des transitions de phase 3. Transport 3.1 Affinité et réactions chimiques 3.2 Equation de diffusion 3.3 Diffusion de la chaleur et d'élements 3.4 Transport de charge électrique 3.5 Diffusivité magnétique 3.6 Rhéologie et viscosité Attendus: Il s'agit d'un rappel de la thermodynamique "à l'équibre" recentré sur les propriétés du solide (équations d'état, adiabaticité, changement de phase). L'étudiant comprendra que le retour à l'équilibre s'effectue par des transferts de chaleur et de matière : seront abordés les phénomènes des réactions chimiques, de la diffusion élémentaire, de la rhéologie dans un écoulement visqueux, de la conductivité électrique et de la diffusivité magnétique. Equilibres dans les systèmes géologiques, Eva Chamorro, 40 h, 3 ECTS Cours Magistral (CM) Travaux Dirigés (TD) 50% 50% 20 h 20 h 1. Introduction sur l’équilibre thermodynamique (Eva Chamorro) Rappels des notions de thermodynamique. Application des potentiels thermodynamiques pour décrire l'état d'équilibre thermodynamique. Notion de phase, la règle de phase, exemple du diagramme de phase de l’eau. 2. Le potentiel chimique et diagramme de phases Détermination de G et µ et leur variation avec la pression et la température. Calcul d’une courbe de réaction pour des phases pures. Relation de Clapeyron. Etude et caractérisation des diagrammes de phase binaires. Diagrammes de phase ternaires : exemple du système plagioclase-diopside et du système olivineopx-cpx comme analogue simplifié du manteau. 3. Les transitions de phase Caractérisation des différentes transitions de phase : 1er et 2on ordre ; transitions polymorphiques, transitions ordre-désordre : application aux systèmes magmatiques et métamorphiques. Etat métastable et énergie d’activation. 4. Les solutions solides Définition d’une solution solide. Enthalpie et entropie des solutions. Relation entre l’activité et la concentration ; énergie libre de Gibbs des solutions solides. Exemple d’applications : baromètres et thermomètres des roches métamorphiques. Solution idéale, les lois de Raoult et d'Henri, non-idéalité, les coefficients d’activité. Différents modèles de solution solide non-idéale, paramètres d’interaction, équation de Margules. La démixtion, exemple des feldspaths et des pyroxènes. 5. Equilibres chimiques dans les eaux naturelles (Anne-Marie Aucour), 5.1 Equilibre acide - base Couples acide-base des eaux naturelles. Methode de résolution pour les problèmes d’equilibre en solution : résolution graphique (exemple diagramme logC-pH), méthode de Newton-Raphson Alcalinité. Echelles d’activité et de pH. Recherche des couples actifs TP : échantillonnage d’une eau naturelle, mesures in situ (pH, O2, conductivité), mesure de l’ alcalinité par titrage et du calcium par absorption atomique. 5.2. Dissolution, précipitation Degré de saturation. Composition d’une eau en équilibre avec la calcite. Le système carbonate océanique. Saturation de l’océan vis-à-vis de CaCO3. 5.3 Formation de complexes Spéciation des éléments en traces métalliques et leur régulation dans les eaux naturelles. Cas du zinc et du cadmium. 5.4. Oxydo-réduction Demi-réaction, potentiel standard d'oxydoréduction. Echelles Eh, pe. Diagramme Eh-pH : cas des métaux, de l’N, du S, du C. Zonation rédox. Mise en évidence du non –équilibre rédox. Cinétique d'oxydation: rôle des microorganismes. Structure, histoire et dynamique de la Terre, Pierre Thomas, 80 h, 6 ECTS Cours Magistral (CM) Travaux Dirigés (TD) 50% 50% 40 h 40 h 1. Structure et propriétés du globe (6 h CM, I. Daniel) Description des différentes enveloppes du globe Propriétés physiques, chimiques et minéralogiques 2. Tectonique des plaques 2.1. Cinématique des plaques (4 h CM+TD, N. Coltice) Descriptions des déplacements Méthodes d’acquisition 2.2. Les grandes structures géologiques (24 h,CM+TD, N. Coltice ) Inventaire, fonctionnement … 2.3. Bilan sur la tectonique des plaques (2 h CM, N. Coltice) 3. Histoire de la Terre dans l’Univers 3.1. Origine de l’Univers, du système solaire et de la Terre (8 h, CM, P. Thomas) 3.2. Origine et histoire des enveloppes terrestres fluides et histoire des climats (6 h CM, P. Thomas) 3.3. La croûte continentale et l’archéen (2 h CM+TD, P. Thomas) 3.4. Géologie de l’Ouest européen depuis 600 Ma (9 h CM+TD, V. Lignier) 3.5. Les grandes crises et les périodes charnières (9 h CM+TD, G. Dromart) 4. Structure, dynamique et histoire comparée des planètes (3 h CM, P. Thomas) 5. Exposés (5 h, G. Dromart) Les étudiants prépareront et présenteront un exposé synthétique sur l’un ou l’autre des thèmes cidessus, à partir d’un article scientifique. Physique, chimie des minéraux et des roches, Micheline Boudeulle, 60+40 h, 6+3 ECTS Cours Magistral (CM) Travaux Dirigés (TD) 50% 50% 50 h 50 h Tronc commun (60 h, 6 ECTS) 1. Introduction : présentation du module (objets et méthodes) ; cycle pétrogénétique (1h) 2. Minéralogie (20 h, M. Boudeulle) : - Réseaux cristallins, symétrie, morphologie et habitus - Propriétés physiques caractéristiques (densité, dureté, optique cristalline) - Arrangements atomiques, formules structurales - Grandes familles de minéraux (oxydes, carbonates, silicates) 3. Ensembles magmatiques (24 h, H. Bertrand) : - Traceurs chimiques et minéralogiques des processus magmatiques : Propriétés des éléments, coefficients de partage, éléments compatibles et incompatibles. Fractionnements chimiques et traçage de la fusion partielle, de la cristallisation fractionnée et des mélanges. Exemples de diagrammes. - Traçage isotopique (systèmes Rb-Sr, Sm-Nd, U-Th-Pb) de la différenciation et des hétérogénéités croûte -manteau. - Cristallisation des magmas et textures des roches. - Le manteau supérieur. Minéralogie primaire et secondaire : barométrie, métasomatisme, fusion partielle. Textures et dynamique du manteau. - La croûte océanique. Composition des basaltes et origine des magmas. Variations verticales et processus de différenciation. Apport des ophiolites. Fonctionnement des dorsales et des chambres. - Le magmatisme associé à la convergence de plaques. Volcans et plutons dans les zones de subduction et de collision. Rôle des fluides dans la genèse et la différenciation des magmas. Diversité des sources. 4. Ensembles métamorphiques (15h, E. Chamorro) - Source et transferts de chaleur dans la Terre, différents états thermiques de la lithsophère, définition et localisation du métamorphisme. - Etablissement des grilles pétrogénétiques ; règle des phases, les principes de Schreinemakers. - Thermobarométrie : assemblages stables, métastables et en déséquilibre. Les thermobaromètres : les réactions de transferts et les réactions d’échanges. - Déformation et métamorphisme Optionnel (40h, 3 ECTS) Minéralogie (20h, M. Boudeulle) : Les minéraux dans l'espace P-T-X : - Stabilité, métastabilité - Solutions solides, séparations de phases - Phases de haute pression, haute température Les minéraux et les fluides : -Inclusions fluides -Minéraux hydratés Ensembles magmatiques (10h, H. Bertrand) : - Le volcanisme d’îles. Séries tholéiitiques et alcalines. Processus de différenciation. Interaction avec la croûte océanique. Origine des magmas, hétérogénéités des sources, points chauds et contraintes pour la dynamique du globe. - Les provinces magmatiques géantes. Trapps, réseaux de dykes et intrusions litées. Origine et différenciation des magmas : sources enrichies, contamination crustale. Rôle des panaches mantelliques. Conséquences sur la géodynamique et sur la biosphère. Ensembles métamorphiques (10h, E. Chamorro) Métamorphisme et tectonique : Les transformations métamorphiques sont abordées à partir de l’exemple des Alpes : - métamorphisme lié à la subduction : exemple des métabasites (gabbro et basaltes) et des métasédiments (schistes lustrés) du Queyras, du Monviso et de dora Maira. Géophysique 2 et 3, Frédéric Chambat, 60+40 h, 6+3 ECTS Cours Magistral (CM) Travaux Dirigés (TD) 50% 50% 50 h 50 h Tronc commun : Géophysique 2 – Mécanique des milieux continus (60 h, 6 ECTS) A. Ecoulements Géophysiques (Y. Ricard) 40 h Cinematique dans un milieu continu: Points de vue Eulerien et Lagrangien, Derivees partielles, totales et advectives. Lignes de courant (courbes paralleles a l'ecoulement a un instant donne), trajectoires (courbes suivie par une particule advectee),lignes d'injection (courbe formee par l'ensemble des points qui sont passes par le meme point a un instant precedent), deformation d'un objet. Illustrations par des processus mantelliques: ligne de courant dans l'ecoulement mantellique actuel, trajectoire d'un morceau de croute introduit dans le manteau, forme d'une zone de subduction, deformation d'une heterogeneite spherique dans un cisaillement simple ou pur.... Forces et contraintes: Forces volumiques, forces surfaciques et forces d'inertie (centrifuge, Coriolis et Poincare). Tenseur des contraintes. Changement de coordonnees du tenseur des contraintes. Contraintes normales et cisaillantes sur un plan. Deformations reversibles et irreversibles. Rheologies elastiques, visqueuses. Viscoelasticite et temps de Maxwell. Equations de conservation dans l'approximation de Boussinesq: 4h On etablira la conservation de la masse, de la quantite de mouvement et de l'energie dans un milieu ou tout les parametres physiques (viscosite, densite, conductivite...) sont constants sauf eventuellement dans le terme des forces de volume. Coordonnees cylindriques et spheriques (on explicitera le changement de coordonnees pour la conservation de masse ou pour le gradient mais on l'admettra pour le laplacien). Conditions aux limites. Theoreme Pi et analyse dimensionnelle: On mettra en evidence certains nombres sans dimension, choisis parmi Re, Pr, Ra, Gr, Ro, Nu... que l'on pourra estimer pour l'ocean, l'atmosphere, le manteau et le noyau. On resoudra des problemes de mecanique des fluides grace a l'analyse dimensionnelle (par ex on pourra deviner la loi de Stockes, le fait que la convection thermique demande Ra>>1, la taille des gouttelettes, la relation Nu-Ra, le temps du rebond postglaciaire, le temps de thermalisation d'une sphere...) Ecoulements simples: *Ecoulement de Couette, contraintes sous une plaque lithospherique en mouvement *Ecoulement de Poiseuille en coordonnees cylindrique et cartesienne 2D. Milieux poreux et Loi de Darcy. Conduit volcanique, Flux de retour sous la lithosphere. *Loi de Stokes. Transport d'anomalie de masse dans le manteau, de xenolithes dans un conduit volcanique. Panaches thermiques *Deformation en couche mince. Etalement visqueux d'un dome de lave, d'une calotte glaciere et de la tete d'un point chaud. *Ecoulement geostrophique. Theoreme de Proudman. Introduction a la circulation atmospherique et oceanique, bananes de Busse. *Ecoulement en coin. Equilibre d'une zone de subduction, dorsales oceaniques. *Inertie et turbulence. La description restera essentiellement phenomenologique. Attendus: les etudiants devraient maitriser les ecoulements simples : Poiseuille, Couette, Stockes, Corner flow, comprendre les effets dues a la rotation, a l'inertie et a la viscosite et dominer des équations de bilan simple dans diverses géometries. B. Elasticité terrestre et ondes sismiques (F. Chambat) – 20 h Introduction : sismogrammes, isostasie. I. Elasticité (3D), 6 h 1. Rappels sur les équations de conservation. 2. Les contraintes. Contraintes principales, contrainte lithostatique, isostatique. 3. Les déformations. Déformations principales, compression et cisaillement. 4. Principe de l'élasticité linéaire. Exemple de la contrainte uniaxiale. 5. Elasticité linéaire isotrope. Modules d'élasticité, équation de Navier. Exemple : contraintes et déformation dans une zone de cisaillement. II. Elasticité statique et tectonique, 9 h 1. Contraintes élastiques dans un volcan. 2. Contraintes de poinsonnement dans un ½ espace. Application au Tibet ? 3. Déformation radiale d'une sphère. Applications : déformation de la Terre sous l'effet de l'atmosphère ou d'une variation de vitesse de rotation et/ou modes propres sismiques radiaux. 4. Déformation élastique de marée. 5. Théorie des plaques minces. 6. Flexure de la lithosphère sous un volcan sur un point chaud. 7. Flexure d'une zone de subduction. III. Ondes sismiques P et S, 5 h 1. Ondes P et S en milieu homogène. Existence des deux types d'ondes à partir de l'équation de Navier. Ondes planes, polarisation, fronts, rais, ondes sphériques. 2. Applications : Sismique, modèle de Terre à deux couches. 3. Ondes P et S en milieu inhomogène : introduction à la théorie des rais. 4. Conditions de réflexions et réfraction. Continuité du déplacement : lois de Snell-Descartes. Continuité des contraintes et coefficients de réflexion : devoir à rendre. 5. Sismogrammes, construction et interprétation d'hodochrones, modèles moyens de Terre. 6. Introduction au principe de la tomographie de temps de parcours. Attendus: les étudiants devraient savoir résoudre les problèmes simples d'élasticité isotrope avec les conditions aux limites, maîtriser les concepts de flexure lithosphérique, l'origine des différentes ondes P et S, connaître les lois de réflexion/réfraction, savoir comment les hodochrones sont tracées et reliées à un modèle de Terre. Optionnel : Géophysique 3 : magnétisme et pesanteur (40h, 3 ECTS) Magnétisme (20 h, S. Labrosse) Plan Rappel des équations de Maxwell. Calcul du champ induit par un courant électrique et du courant électrique produit par un champ variable. Application à l’induction dans la Terre. Le champ actuel : observations et modèles. Harmoniques sphériques. Décomposition du champ magnétique en champ interne et champ externe. Spectre du champ et origines : le champ externe, le champ crustal (rémanent et induit) et le champ nucléaire. Prolongement vers le haut ou le bas. Le rayon du noyau vu par le spectre du champ. Évolution temporelle du champ. Évolution récente : la variation séculaire. Secousses géomagnétiques. Évolution à long terme : paléomagnétisme. Inversions. Hypothèse du dipôle axial centré. Champ d’un dipôle, relation latitude-inclinaison. Applications à la tectonique des plaques : ouverture des océans et mouvement en latitude des continents. Dynamique du noyau (notions). Équation d’induction, nécessité du mouvement dans le noyau pour expliquer l’existence du champ sur l’histoire de la Terre. Nombre de Reynolds magnétique et effet dynamo. Équilibre géostrophique. Attendus : l’étudiant devra comprendre la décomposition du champ en harmoniques, la détermination de l’origine des sources, les méthodes de prolongement et de filtrage. Il devra comprendre et pouvoir utiliser les résultats du paléomagnétisme Pesanteur et forme de la Terre (20 h, F. Chambat) Introduction : Quelques mesures et applications I. Historique : La rotondité de la Terre, l'aplatissement, la gravimétrie moderne II. La gravité et son potentiel Quelques définitions du champ de gravité Le potentiel de gravité Théorème de Gauss Attraction de quelques corps simples : sphère, plateau… Propriétés des harmoniques sphériques, potentiel des planètes en harmoniques sphériques Force centrifuge, potentiel de pesanteur, géoïde III. Ellipsoïde hydrostatique, ellipsoïde de référence Définition de l'équilibre hydrostatique, propriétés de la stratification hydrostatique « L'ellipsoïde » hydrostatique, exemple de l'ellipsoïde de Maclaurin Les ellipsoïdes de référence IV. Mesures de la pesanteur et de la forme de la Terre Gravimètres, déviations de la verticale, méthodes spatiales Détermination du champ global Détermination d'un ellipsoïde de référence Le positionnement sur la surface, l'altitude Détermination du géoïde, du quasi-géoïde Résumé des surfaces utiles V. Applications, modèles d'intérieurs de la Terre Effets de l'aplatissement, de l'altitude, des masses topographiques Anomalies à l'air libre, anomalies de Bouguer Isostasie : observations, interprétation Modèles élastiques, flexure Mouvements verticaux, rebond post-glaciaire Gravimétrie locale : quelques principes Modèles moyens de densité : masse, inertie, modes propres Interprétations des modèles globaux de gravité : isostasie, convection VI. Principes de mécanique ; forces dans le référentiel terrestre Lois de la mécanique rationnelle : loi d'inertie, principe fondamental de la dynamique, loi d'actionréaction Lois des systèmes, centre de masse Théorème du moment cinétique, de l'énergie cinétique Mécanique céleste, lois de Képler Changement de référentiel, composition des accélérations Forces d'inertie dans le référentiel terrestre VII. Marées Forces de marées, son potentiel, expressions approchées, déformations, évolution temporelle VIII. Rotation de la Terre Moments cinétiques dans le système solaire Durée du jour, éloignement de la Lune, rebond post-glaciaire Mouvement du pôle Précession et nutation Paléoenvironnements, Fabienne Giraud, 60+40 h, 6+3 ECTS Cours Magistral (CM) Travaux Dirigés (TD) 50% 50% 50 h 50 h Tronc commun (60 h, 3 ECTS) 1. Evolution des environnements de dépôts le long d'un transect continent - océan (30h) - Méthodes numériques de description du relief - Processus diffusifs et advectifs, lois de transport des sédiments - Rôle des organismes dans l'altération des roches et l'érosion sédimentaire - Nature et quantité de matière transférée des continents aux océans - Exemples d'évolutions de systèmes fluviatiles et lacustres 2. Utilisation des fossiles comme proxies des variations paléoenvironnementales le long d'un transect continent – océan (30 h) - Influence des changements climatiques sur les interactions flore terrestre - vertébrés continentaux : étude des phénomènes de migration. - Reconstitution des changements climatiques et/ou paléocéanographiques par l'étude des microfossiles : analyse des structures des différents groupes et de leur relation, au travers de la diversité (composition des assemblages) et de l'abondance relative. - Réponse morphologique des organismes aux variations environnementales en domaine océanique: quantification des variations de taille chez les ammonoïdes. Optionnel (40h, 3 ECTS) : Quantification des paléoenvironnements et paléoclimats marins et terrestres à l'aide des concepts et outils de la géochimie (40h, en option) Concepts introduits avec des exemples concrets et des exercices (exploitation de données réelles). - climat: structure, amplitudes et fréquences des variations (calcul de températures de l'air ; estimation de volumes de glaces polaires ; constructions de gradients thermiques) - biomasse et biodiversité (calcul de vitesses de croissance d'exosquelettes) - courants océaniques et masses d'eaux (recherche de courants océaniques et mises en relation avec des migrations de faunes ; estimations de salinités ; calcul de températures marines) - chimie des eaux naturelles et des sédiments (calcul de pH marins et pCO2 atmosphériques) Ecole de Terrain : géologie structurale, sédimentologie, pétrologie, Hervé Bertrand, 60+40 h, 6+3 ECTS Travaux Dirigés (TD) 100% 100 h Tronc commun (60 h, 6 ECTS) 10 journées de travail sur le terrain 1. Volcanisme (H. Bertrand) J1 : Structure, composition et genèse de volcans monogéniques (exemple de la chaîne des Puys) : Dynamismes éruptifs (coulées, dômes et déferlantes, maars). Différenciation d’une série alcaline. Diversité des enclaves : structure et composition de la lithosphère sous-jacente. J2 : Edification et démantèlement d’un strato-volcan (exemple du Mont Dore) : Dynamismes éruptifs (coulées, dômes, éruptions pliniennes, coulées pyroclastiques, formation de caldeiras, instabilités de flancs et avalanches de débris). Coexistence de séries alcalines saturée et soussaturée, figures de mélanges de magmas. 2. Métamorphisme et Magmatisme (G. Mahéo) J3: Reconnaissances lithologique, minéralogiques et structures. J4 et 5: Obtention d’une coupe E-W dans le Massif des Maures. - Relation métamorphisme – magmatisme – déformation - Reconnaissance des gradients métamorphiques - Evolution géodynamique locale 3. Sédimentologie (G. Dromart) J6 et 7 : Lever de colonnes lithologiques et sédimentologiques, à différentes échelles, des terrains de la plate-forme carbonatée du Vercors : - géométries de dépôts (architectures stratigraphiques) à l’échelle des séquences sismiques ; - séquences élémentaires de dépôts ; - structures sédimentaires : dépôts tidaux, de tempêtes, d’écoulements gravitaires ; chenaux d’érosion sous-marine. 4. Géologie structurale (A. Pécher, T. Villemin) La tectonique cassante et ductile en Chartreuse J8 : Surtout analyse à l'échelle du paysage (environs de Chambéry et Chartreuse Nord) : plis et fractures, décrochements, plis et chevauchements, grandes unités structurales. Visualisation à l'aide de coupes à main levée. J9 et 10 : Surtout analyse à l'échelle de l'affleurement, le long des coupes des deux Guiers et du Charmant Som - lithologie des séries carbonatées de la Chartreuse externe - fracturation - plis et figures associées (fractures, schistosité..), reconstruction des grandes structures à partir de données ponctuelles - chevauchements et figures associées (schistosité, étirement, amandes C-S..) Optionnel (40h, 3 ECTS) : Exploitation des données acquises sur le terrain 5. Volcanisme alcalin et rifts continentaux (exemple du Massif Central) (H. Bertrand) - Origine du volcanisme - Dynamismes éruptifs et approche physique des éruptions : analyse de cartes géologiques, photos, données expérimentales. Implications en termes de risques volcaniques. - Analyse des laves et des enclaves en lame mince et des données géochimiques correspondantes (majeurs, traces, isotopes) : identification et quantification des processus pétrogénétiques (cristallisation fractionnée, mélanges de magmas, contamination crustale) ; composition, structure et histoire de la lithosphère sous-jacente. 6. Métamorphisme lié à l’effondrement d’une chaîne de Montagnes : exemple de la bordure est du Massif Central français : (G. Mahéo) Genèse de granites d’anatexie et différenciation de la croûte continentale, à partir de l’étude de cartes géologiques, de cartes structurales et d’échantillons macroscopiques. Etude de lames minces, calculs thermobarométriques (pour roches métamorphiques) et analyses des données géochimiques (pour les granites) identification de la source. 7. Analyse de données pétrographiques, sédimentologiques et sismiques relatives aux plates-formes carbonatées (G. Dromart): - étude de lames minces ; - calibrage des données diagraphiques de forages ; - exercice de stratigraphie sismique. Interprétation en termes de paléoenvironnements et de variation du niveau marin. 8. Géologie structurale : (A. Pécher, T. Villemin) - Que peut-on faire dire (ou au contraire ne pas faire dire) aux données structurales ? - un exemple : contraintes, déformation et cinématique en Chartreuse Utilisation des données récoltées sur le terrain à différentes échelles (paysage, coupes à pied, affleurements), dans différentes parties de la Chartreuse (autour de Chambéry , dans la vallée du Guiers Vif, dans la vallée du Guiers Mort et au Charmant Som), dans différents compartiments tectoniques de la Chartreuse, en utilisant des marqueurs géologiques différents (failles, joints, plis, figures de cisaillement). Exploitation en salle s'appuyant sur des logiciels de traitement de données structurales (inversion des données sur les plans striés pour déterminer les paléo tenseurs de contraintes, analyse statistique et reconstitution géométrique des axes de déformation finie à partir des figures de déformation ductile)
