Correction des exercices

publicité
Sciences de la vie et de la terre
Terminale S
Corrigés des exercices
Rédaction :
Sylvie Bouton
Michel Aguelon
Marie-Laure Gueuné
Yannick Gaudin
Coordination :
Yannick Gaudin
Ce cours est la propriété du Cned. Les images et textes intégrés à ce cours sont la propriété de leurs auteurs et/ou ayants droit
respectifs. Tous ces éléments font l’objet d’une protection par les dispositions du code français de la propriété intellectuelle ainsi que
par les conventions internationales en vigueur. Ces contenus ne peuvent être utilisés qu’à des fins strictement personnelles. Toute
reproduction, utilisation collective à quelque titre que ce soit, tout usage commercial, ou toute mise à disposition de tiers d’un cours
ou d’une œuvre intégrée à ceux-ci sont strictement interdits.
©Cned-2013
© Cned - Académie en ligne
Séquence 1
Sommaire
Correction des exercices du chapitre 1
Correction des activités du chapitre 2
Correction des exercices du chapitre 2
Correction des activités du chapitre 3
Correction des exercices du chapitre 3
Correction des activités du chapitre 4
Correction des exercices du chapitre 4
Correction du devoir autocorrectif n° 1
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
3
© Cned - Académie en ligne
C
orrection des exercices
du chapitre 1
Exercice 1
Des outils pour connaître la structure interne de la Terre
Savoir raisonner et s’informer
Les tremblements de Terre sont à l’origine de la création d’ondes sis-
miques, enregistrées à l’aide de sismographes. Ces ondes sismiques
sont des ondes élastiques. Elles se propagent dans toutes les directions.
Le sismographe doit donc faire des enregistrements dans les trois
plans définissant l’espace : horizontalement N-S, E-O et verticalement.
Sismogramme A enregistré à Hawaï, 6630 Km et B en Australie,
7870 Km.
L
S
P
Sismogramme A
L
P S
Sismogramme B
44 46 48 50 52 54 56 58 00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
21 h
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
5
© Cned - Académie en ligne
Distance
foyer-station
en KM
Hawaii
(Camberra) Australie
6630
7870
Délai (min.) Vitesse (KM.s-1)
Délai (min.
Vitesse (KM.s-1)
Ondes P
11
10,045
13
10,089
Ondes S
19
5,81
22
5,96
Plus les stations d’enregistrement sont éloignées de l’épicentre, plus
la vitesse de l’onde est importante. Il y a une augmentation de la
vitesse avec la profondeur. La Terre n’est pas homogène.
Temps (Km)
24
Ondes L
20
16
Ondes P
12
8
4
O
Distance à
l’épicentre (Km)
2000
4000
6000
8000
10000
12000
La célérité des ondes sismiques à une profondeur donnée dépend de
la nature de la roche et des conditions physiques (pression et température) qui règnent à ces niveaux.
L’augmentation progressive de la vitesse des ondes P dans le man-
teau indique une augmentation de densité du matériel à mesure
qu’on s’enfonce dans ce manteau.
Exercice 2
Principes de propagation des ondes
Raisonner
Les ondes qui ont permis le calcul de ces vitesses sont les plus rapides
donc ce sont les ondes P
L’analyse des enregistrements obtenus à la suite de tremblements
de terre permet de connaître la structure interne de la planète terre
c’est à dire l’organisation des différents éléments la constituant.
On aboutit ainsi à la constitution d’un modèle sismologique du globe
caractérisé par l’existence de couches concentriques séparées les
unes des autres par des discontinuités.
6
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
Principe de propagation des rais sismiques
Exercice 3
Un modèle sismologique de la Terre interne
S’informer, réaliser un graphique et construire un modèle
et 0
Vitesse des ondes sismiques (km.s-1)
5
10
0
15
0 km
1000
2000
3000
4000
5000
6000
- 6371 km
Profondeur (km)
Sur les 15 premiers kilomètres de la croûte, la vitesse de propagation
des ondes P est de 6 km.s-1 ce qui correspond à la vitesse de propagation des ondes dans les basaltes et gabbros. Le profil de la faille de
Véma nous montre bien la présence de basaltes et gabbros « posés »
sur de la péridotite. Or les vitesses de propagations plus profondes
sont de 8 km.s-1, ce qui correspond à la vitesse de propagation des
ondes dans de la péridotite.
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
7
© Cned - Académie en ligne
Exercice 4
Comparaison de la croûte océanique et continentale
Recenser, extraire et organiser des informations
De 0 à 30 km la vitesse de 5,5 km.s-1 montre la présence de granites et
gneiss. De 30 à 120 Km la vitesse de 8,5 Km.s-1 révèle la présence de péri-
dotite hydratée et en dessous le ralentissement de la vitesse indique
la présence de péridotite déshydratée.
Voir le schéma bilan àla fin du chapitre 1.
Exercice 5
L’origine de la lithosphère
Recenser, extraire et organiser des informations
0
0
500
Température (°C)
1000
1500
2000
0
Géotherme
de dorsale
Profondeur (km)
Géotherme
de plaine
abyssale
Solidus
160
240
Domaine de
fusion partielle
des péridotites
5
Pression (Gpa)
2,5
80
7,5
Les profondeurs et pressions correspondantes à cette fusion sont
0,5 à 3 GPa et 20 à 90 km.
Le taux de fusion partielle de la péridotite qui permet d’obtenir le
magma basaltique au niveau de la dorsale est de 15 %.
En effet, la composition du basalte de la dorsale est la plus proche de
la composition du magma obtenu par une fusion partielle de 15 %.
Au niveau des dorsales ; sous l’effet de la baisse de la pression à
température constante, la fusion partielle des péridotites de l’asthénosphère entraîne la création d’un magma acide. Les cristaux qui se
forment dans la chambre magmatique formeront les gabbros et le
magma basaltique remontant vers la surface et se refroidissant ainsi
rapidement formera le complexe filonien et la couche de basalte pré-
8
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
sente à la surface de la croûte océanique. Ainsi se crée la lithosphère
océanique. Il reste sous les gabbros, la péridotite résiduelle appauvrie de ses éléments acides partis dans le magma : elle est extrêmement basique, elle formera le manteau de la lithosphère océanique.
Schéma bilan : l’origine de la lithosphère
Filons
Basaltes
Chambre
magmatique
Gabbros
MOHO
Péridotites
résiduelles
Manteau
en fusion
partielle
5 km
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
9
© Cned - Académie en ligne
C
orrection des activités
du chapitre 2
et :
Document 2
Altitude à la surface de la Terre
-71 m
181 m
5591 m
-5479 m
La croûte au niveau de la Manche est de nature continentale. Les alti-
tudes sont négatives au-dessous du niveau de la mer.
Les roches les plus représentatives de la croûte continentale sont :
des gneiss, des granites et des roches sédimentaires.
Activité 1
Des outils pour calculer la profondeur du Moho
Document 3
La profondeur du Moho sous les Alpes
Les ondes sismiques émises au cours des séismes se propagent dans le
globe. La propagation de ces ondes doit nous apporter des informations
quant à la structure du globe.
On étudie un séisme qui a eu lieu en Italie (région d’Asti) le 21.01.2007.
10
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
Extraction des sismogrammes.
Les ondes P retardées n’ont pas fait le même trajet. Celui-ci a été plus
long. Celles arrivant donc après les ondes P ayant pris le chemin le
plus court.
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
11
© Cned - Académie en ligne
Calcul de la profondeur du Moho
Calculs : v =
d
t
d = distance (km)
t = temps (seconde)
Temps d’arrivée des ondes :
P et la différence Tp-To s’affiche automatiquement (= 13.8 s)
pointer autre (PmP) et le retard par rapport à P directe apparaît (= 8.6 s)
pointer
Distance parcourue par P directe = 5.5 x13.8 = 75,9 km .
Distance parcourue par PmP = 5.5x(13.8 + 8.6) = 123 km
On a (FH)² = (FG)² + (GH)²
Profondeur du Moho GH = (61.5²-37.9²)^ 1/2 = 48,3 km.
PMP
Activité 2
L’équilibre de la croûte continentale sur l’asthénosphère : l’isostasie
Un modèle analogique
12
© Cned - Académie en ligne
Niveau de l’eau
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
La partie émergée est très petite par rapport à la partie immergée.
Il faut une racine crustale de 4 cm pour avoir une partie émergée d’un
centimètre.
Un modèle numérique
et :
Pour avoir une altitude de 8848m, il
faut une racine crustale de 60138m de
profondeur.
Après érosion de 100m, il y a un
rééquilibrement isostatique. C’està-dire que la croûte continentale
remonte un peu, il n’y a donc pas
réellement une perte de 100m d’altitude.
Dès 68m il y a présence d’une racine
crustale.
Activité 3
Composition de la croûte continentale et isostasie
Mesure de la masse de chaque échantillon
Peser chaque échantillon à l’aide de la balance.
Noter le résultat obtenu.
Mesure du volume de chaque échantillon
Verser de l’eau dans l’éprouvette jusqu’à une
graduation repère ;
Immerger l’échantillon dans l’eau de l’éprouvette ;
Lire le niveau atteint par l’eau, une fois l’échantillon totalement immergé au cm3 près ;
Sachant que le volume de l’échantillon correspondant au volume d’eau déplacé, calculer la
densité de l’échantillon
masse
d=
volume
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
13
© Cned - Académie en ligne
La densité étant le rapport g/V en mL on peut calculer la densité de la
péridotite : 3/10=0,3
La croûte continentale, essentiellement composée de granite et de
gneiss, a une densité proche de 2,6. Celle-ci est plus faible que la densité de la croûte océanique (3) essentiellement constituée de basalte.
Le manteau constitué de péridotite est donc le plus dense (3,3).
Le verre gradué et la balance ne permettent pas des mesures précises.
Les éléments majeurs de la croûte océanique sont : l’oxygène, la silice,
l’aluminium, le fer et le calcium.
Les éléments majeurs de la croûte continentale sont : l’oxygène, la silice
et l’aluminium.
Le fer, très présent dans la croûte océanique est un élément très lourd.
L’oxygène et la silice sont des éléments plus légers. Ils constituent à
80 % la croûte continentale et à 60 % la croûte océanique.
Activité 4
Datation de l’âge de la croûte continentale :
Évolution de la quantité d’élément père P en fonction du temps
o
Si l’on connait une valeur du rapport P/P0, on peut déterminer graphi-
quement le temps, donc l’âge géologique de la roche.
On peut conclure que la proportion d’atomes radioactifs qui se désin-
tègrent par unité de temps est une constante pour un élément donné.
Activité 5
Datation de l’âge de la croûte continentale
Application
Au bout de 5820 années la moitié de la quantité initiale est restante.
Au bout de 11275 années, il en reste le quart.
14
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
Le temps de demi-vie correspond au moment où la moitié des noyaux
radioactifs d’une source se sont désintégrés.
Temps de
demi-vie
Élément
14C
5820 ans
40K
1,244GA
87Rb
-
238U
4,473GA
0,698GA
235U
Domaines d’application
Datations d’objets peu anciens (peintures) ou
ossements préhistoriques
Événements géologiques très anciens
L’axe des abscisses représente le rapport 87Rb/ 86Sr où 87Rb est
l’élément père et 86Sr est l’isotope de référence sur les grandeurs du
système de coordonnées choisi. L’axe des ordonnées représente le
rapport 87Sr/ 86Sr où 87Sr est l’élément fils.
Les échantillons dont la teneur en 87Sr augmente le plus sont ceux
qui ont le plus de 87Rb au début. 87Sr sont issus de la désintégration
de 87Rb.
La disposition des points représentant les divers échantillons à un
instant t quelconque est toujours alignée sur une droite.
Le rapport isotopique 87Srinitial / 86Srinitial est constant dans tous les
minéraux d’une même roche, et la quantité d’isotope 86Sr (isotope
stable) ne varie pas au cours du temps.
S’il n’y a pas de 87Rb au départ, il n’y aura pas formation de 87Sr. Le
système reste toujours le même.
La formule donnant le temps t (en années) en fonction de la pente A de
ln( A + 1)
la droite isochrone est : t =
1, 42.10−11
L’âge d’une roche dont la droite isochrone a une pente de 0,0143 est
de 0,9999.109 ans.
En supprimant la dernière valeur, les conditions sont réunies. Les
points sont alignés sur une droite isochrone de pente : 0,0048
L’âge des roches donné par la méthode est de 339,67Ma. Cet âge
correspond à la date de mise en place de la roche.
Les roches de la croûte continentale sont âgées de plus 2500Ma à
200Ma alors que les roches de la croûte océanique vont de l’actuel
à 180Ma. Dans les chaînes de montagnes, les roches sont les moins
anciennes de la croûte continentale. La croûte océanique est plus
âgée au niveau des côtes et est récente au centre des océans.
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
15
© Cned - Académie en ligne
Activité 6
Comparaison de la croûte océanique et continentale
Croûte continentale
Répartition à la surface de la planète
Le domaine de la croûte continentale ne se limite pas aux terres
émergées. Il englobe également
les plateaux et les talus continentaux sous-marins. Les bordures
continentales qui se raccordent
à la croûte océanique portent le
nom de marges.
Épaisseur
Elle est de 20 à 80 km, avec une
moyenne de 30 km.
Elle est d’environ 7 km en
moyenne.
Elle présente une hétérogénéité
verticale et horizontale. Des
roches sédimentaires et volcaniques ne forment qu’un placage
de quelques kilomètres d’épaisseur au maximum, reposant sur
des roches essentiellement métamorphiques, telles que les gneiss,
et roches magmatiques, comme
des granitoïdes (terme désignant
l’ensemble des granites et des
roches apparentées), cristallisés
en profondeur. L’érosion permet
l’observation de ces dernières à
l’affleurement.
Elle a une organisation verticale
et horizontale homogène. Elle est
constituée de plusieurs couches
rocheuses de propriétés différentes : en surface, des sédiments
plus ou moins consolidés, puis
des roches volcaniques, basaltes
en coussins (sur une épaisseur de
0,5 km) et basaltes en filons (sur
une épaisseur de 1,5 km) et à la
base des roches magmatiques de
profondeur, des gabbros (sur une
épaisseur de 5 km).
Les roches de type granite sont
représentatives de la croûte continentale. Elles sont grenues, totalement cristallisées, ce qui indique
un refroidissement lent. Chaque
minéral cristallisé correspond à
une espèce chimique précise.
Les basaltes sont des roches volcaniques effusives généralement
de couleur foncée.
Organisation
Roches et minéraux :
les roches sont des
assemblages de minéraux.
16
© Cned - Académie en ligne
Croûte océanique
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
L’ensemble des fonds océaniques
jusqu’à la base des talus continentaux est donc tapissé de basaltes.
Les minéraux sont essentiellement :
des
feldspaths (silicates) potassiques et des plagioclases
(feldspaths
calco-sodiques)
riches en sodium,
du quartz c’est-à-dire de la silice
Ils sont constitués :
de gros cristaux (appelés macro-
cristaux ou phénocristaux),
surtout des pyroxènes et des
péridots (comme l’olivine), qui
sont des silicates généralement
riches en fer et magnésium,
de
(SiO2).
d’autres
minéraux, dits accessoires, sont souvent présents,
tels que les micas et les amphiboles.
cristaux de petite taille ou
microlites, essentiellement des
feldspaths plagioclases riches
en calcium,
une
pâte amorphe où aucune
organisation géométrique n’est
observable.
Les gabbros sont des roches grenues, totalement cristallisées,
mais ils ont la même composition
minéralogique que les basaltes.
Éléments chimiques
Elle est riche en silicium (Si), en
aluminium (Al), en potassium (K)
et en sodium (Na).
Elle est plus pauvre en silicium (Si)
et plus riche en fer (Fe), magnésium (Mg) et calcium (Ca).
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
17
© Cned - Académie en ligne
C
Exercice 1
orrection des exercices
du chapitre 2
Nature géologique de la Manche
Terres
émergées
Post Crétacé sup.
Lille
MANCHE
Plateau
continental
Crétacé sup.
Crétacé inf.
Reims
Caen
Paris
Jurassique sup.
Terres
émergées
Jurassique inf.
Rennes
Socle anté-triasique
Les roches sont de nature continentale.
Exercice 2
Calcul de la profondeur du Moho
Foyer
d
Station
h
x
MOHO
Schéma des ondes directes et réfléchies
obtenues par Mohorovicic
Le théorème de Pythagore donne
d 
d’où h = x −  
 2
2
2
d 
2
2
 2  + h = x
2
En domaine continental, la vitesse des ondes est v=d/t1
donc v=100/18,1=5,52km.s-1.
18
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
v . t
2
Par ailleurs, v=2x/t2 donc x =
2
x=5,52.21/2=58 km.
On a donc h = (58, 02)2 – (100 / 2)2 = 29, 4 km.
En domaine océanique, la vitesse des ondes est v=d/t1
v=80/13,6=5,88 km.s-1. Par ailleurs, v=2x/t2 donc x = v . t2/2
x=5,88.14,4/2= 42,3 km.
On a donc h = ( 42, 3)2.(80 / 2)2 = 13, 7 km.
La croûte océanique est beaucoup moins épaisse que la croûte
continentale.
Exercice 3
La profondeur du Moho sous l’Himalaya
x
2
2
d 
2
2
2 d 
 2  + h = x d’où h = x −  2 
En domaine continental, la vitesse des ondes est v=d/t
t1=150/27,1=5,53 km.s-1. Par ailleurs, v=2x/t2 donc x=vt2/2,
x=5,53 x 37,1/2=102,7 km.
On a donc h= (102, 7)2 − (150/2)2 = 70,1 km.
Pythagore donne
Habituellement, au niveau des croûtes continentales, l’épaisseur
moyenne est de 30 km. Ici, on constate que l’épaisseur est très supérieure.
Peut-être est-ce dû à la collision de deux masses continentales, qui
est responsable de la surrection de l’Himalaya.
Exercice 4
Formation d’un bassin sédimentaire
le bassin est comble si S est tel que d = 0.Smax = D
Smax = 14,4 km.
 ρe − ρm 
 ρs .ρm 
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
19
© Cned - Académie en ligne
Exercice 5
Glace et isostasie
a = 5000-p
5000x0,91=px3,3 soit a = 5000-(5000x0,91/ 3,3)–3620 m
Le déficit de masse entraîne une remontée isostatique jusqu’à l’équi-
libre mais il y a un retard à l’isostasie car la fonte des glaces est plus
rapide que le réajustement isostatique.
Exercice 6
Collision et isostasie
Soit Ei l’épaisseur initiale de la croûte continentale (donc Ei = 30 km),
r l’épaisseur de la racine crustale et h l’altitude du relief formé (donc
hauteur de la montagne), p la densité de la croûte continentale (2,7)
et d celle du manteau (3,2), Ef l’épaisseur finale de la croûte (donc
Ef = 60 km).
On sait qu’à l’équilibre isostasique, il y a équilibre des masses sur
différentes verticales tel que :
px( Ei + h + r ) = px( Ei ) + d (r ).
Comme Ef - Ei = r + h ce qui fait : h= Ef – Ei - r
Alors px( Ef ) = px( Ei ) + d (r ).
r= px( Ef –Ei)/d
r=2,7(60 -30)/3,2=25,31 km
h= Ef – Ei – r donc h=60 -30 - 25,31
h= 4,68 km
Exercice 7
Détermination de l’âge d’une roche magmatique à l’aide du
couple Rubidium-Strontium (Rb/Sr)
L’âge d’une roche dont la droite isochrone a une pente de 0,0143 est
de 0,9989GA
La pente étant de 0,005 on obtient un âge de 354,41Ma
La pente est obtenue en prenant les rapports 87Rb/86SR et 87SR/86SR
dans 2 échantillons.
87SR / 86SR  échantillon A– 87SR / 86SR  échanttillon B
Exemple : 
87Rb / 86SR  échantillon A– 87SR / 86SR  échantillon B
0, 8622 − 0, 7726
=
31, 50 − 13, 54
20
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
C
orrection des activités
du chapitre 3
Pour débuter
Les altitudes culminantes des Alpes sont aux alentours de 4810m.
Activité 1
Les indices sur le terrain : les indices tectoniques
et :
Plaine
Montagne
Axes des
synclinaux :
vallées
Plaine
Axes des
anticlinaux :
sommets
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
21
© Cned - Académie en ligne
Coupe simplifiée selon A-B.
Oligocène inférieur
Éocène-Sénonien
A
Urgonien
Hauterivien-Valanginien
B
Berriasien
5 km
A
B
La structure géologique témoignant de l’épaississement est un pli. Les
strates les plus anciennes (Berriasien) se situant à l’intérieur de la courbure, il s’agit d’un anticlinal.
Activité 2
Les indices pétrographiques
L’association glaucophane –jadéite est stable dans des conditions de
pression et température définies (de 100 à 300°C et de 0,6 à 1,2 GPa).
Si cette roche est portée à une profondeur différente donc soumise
à des conditions de pression et température différentes, alors des
réactions chimiques entre les minéraux formant la roche se produiront
donnant naissance à de nouveaux minéraux. C’est le métamorphisme.
Une roche peut être portée à une profondeur différente lors d’une
subduction mais également en cas d’épaississement de la croûte par
empilement par exemple.
Activité 3
Étude des déformations profondes de la lithosphère dans les Alpes
et Profil sismique ECORS
Croûte
continentale
manteau
lithosphérique
Asthénosphère
Racine centrale
On observe des failles inverses, des plis, des chevauchements dans
les formations sédimentaires. La racine centrale est formée d’écaille
de croûte compilées. Ces structures témoignent d’un épaississement
et d’un raccourcissement de la croûte.
22
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
Le granite du massif de Belledone recoupe tous les terrains environ-
nants comme un emporte pièce. C’est un granite intrusif. Il a été formé
par fusion partielle de la croûte continentale lors d’une décompression de la chaîne de montagne. A la base de la racine, le flux géothermique est plus élevé: si la décompression des roches due à la remontée de la racine est suffisamment rapide cela entraîne une fusion
partielle à l’origine de la formation des granites intrusifs.
Chevauchements
et charriages de
nappes
Collision
Collision
Croûte
continentale
Manteau
Croûte
océanique
Isotherme
800°C
Érosion des
reliefs
Le granite est intru-
sif et présente une
auréole de métamorphisme dans les
terrains en contact. Il
est donc postérieur à
ces terrains.
Mise en place
des granites
Fusion
crustale et
mantellique
Rééquilibration
isostatique
Croûte
continentale
Croûte
océanique
Manteau
Granite
Isotherme
800°C
Les terrains sont plissés
et présentent un métamorphisme en plus de
l’auréole mais le granite ne présente pas
de métamorphisme. Il
est donc postérieur à la
phase de plissement.
Les terrains au contact
du granite sont plus anciens que les terrains un peu plus loin. Le granite est remonté au niveau d’un anticlinal.
Ensuite, il y a eu érosion.
C’est le scénario B
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
23
© Cned - Académie en ligne
Schéma bilan
Nappe de
charriage
Croûte continentale
Pli
Faille
Granite issu
de fusion
partielle
5 km
MOHO
Roches sédimentaires
Granite et roches
métamorphiques (gneiss...)
24
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
Péridotite
C
orrection des exercices
du chapitre 3
Exercice 1
Principe de datation relative
L’histoire géologique de la formation 1 :
L’histoire géologique de la formation 2 :
Sédimentation
Sédimentation
Granite
Compression/
Sédimentation
Granite
Distension/
Érosion
faille
Sédimentation
Exercice 2
plis
Sédimentation
De la coupe à la carte et vice versa
B
A
B
A
C
C
D
D
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
25
© Cned - Académie en ligne
E
F
E
F
G
G
H
H
Exercice 3
Faille inverse
Chevauchement
Profondeur (km)
W-NW
Aravis Bormes Belledonne
Grand Paradis Sesia
Plaine du Pô
E-SE
Apennins
Pli
50
Epaississement
100
150
100
Distance (km)
200
300
Dans les Alpes actuelles, on observe en surface :
des failles inverses (= déformations cassantes se mettant en place lors
d’une compression et entraînant un raccourcissement horizontal et un
épaississement des terrains affectés par la faille).
des
plis (= déformations ductiles des couches géologiques).
des chevauchements (= recouvrement d’un terrain par un autre terrain).
26
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
des
charriages (= chevauchements de grande ampleur. La nappe de
charriage est l’ensemble des terrains déplacés venu recouvrir un terrain initialement éloigné du précédent).
Exercice 4
Les géothermomètres et géobaromètres de la chaîne de l’Himalaya
Pression (kB)
20
Zone à
disthène + grenat
15
e
èn te
h
t
i
Dis man
i
l
Sil
10
Zone à
sillimanite + disthène
5
Sillim
anite
Anda
lous
ite
0
600
Grenat
Cordiérite
Zone à
cordiérite + sillimanite
700
800
900
1000
Température (°C)
Globalement les conditions P et T révélées par ce secteur de la chaîne
Himalayenne sont de haute pression et basse température.
Exercice 5
Évolution tectonique de la Sainte-Baume (Provence)
L’évolution tectonique comporte 4 étapes principales :
une première phase de plissement à la limite Crétacé inférieur/Crétacé
supérieur ;
deuxième phase de plissement post-Crétacé supérieur ;
la mise en place d’unités charriées ;
une déformation cassante postérieure au charriage.
une
Exercice 6
Analyse comparée de 3 échantillons de roches
Il convient de faire une analyse comparée. Dans les deux échantillons
on observe :
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
27
© Cned - Académie en ligne
uniquement des cristaux visibles à l’œil nu (pas de matrice ou de pâte).
Ces deux roches sont entièrement cristallisées et sont donc des roches
plutoniques (cristallisées en profondeur).
des
minéraux clairs abondants et de grande taille, de petits minéraux
sombres.
Il est possible de les identifier : les minéraux blancs de grande taille sont
des feldspaths ; les minéraux gris correspondent à du quartz. Quant
aux minéraux sombres, plusieurs hypothèses peuvent être proposées :
pyroxène, amphibole ou biotite. Leur forme n’est pas parfaitement géométrique (à cette échelle d’observation) mais elle apparaît néanmoins
en tablettes (vues de face en X et de profil en Y) et, comme quartz et
feldspath (alcalin) sont abondants, on peut conclure à de la biotite,
minéral sombre des roches riches en silice (présence du quartz).
Mais l’agencement des minéraux diffère entre les deux échantillons.
Aucune structure particulière n’est observable dans l’échantillon X ce
qui permet de qualifier de grenue sa pétrofabrique. Cette roche peut être
un granite. Au contraire, dans l’échantillon Y, on note la présence de lits,
bien soulignés par l’alignement des minéraux sombres ou gris. Ce qui
fait penser à une schistosité.
La structure foliée et la composition minéralogique de Y permettent de placer cet échantillon dans les roches métamorphiques. Il s’agit d’un gneiss.
L’échantillon Z présente une structuration sous la forme de plans.
Il semble être un gneiss un peu plus métamorphisé que l’échantillon Y.
Nous pouvons relier ces roches selon l’hypothèse : une roche mag-
matique plutonique (X) donnera une roche métamorphique (Y) et (Z).
Ceci peut être dû à une augmentation de pression par enfouissement
lors d’une collision.
Exercice 7
Détermination d’un processus tectonique à partir de l’analyse
d’une lame mince
Le gabbro est une roche essentiellement constituée de pyroxènes et de
feldspaths.
L’échantillon montre la présence de pyroxène et quartz en majorité avec
quelques grenats et une auréole réactive d’amphibole autour des grenats.
On peut donc écrire la réaction suivante :
Pyroxène + feldspath = Pyroxène + quartz + grenat
Si on replace cette réaction sur un diagramme température/ pression, on
peut voir que ce type de métamorphisme est caractéristique d’une zone
de haute pression et basse température.
Le phénomène tectonique peut donc être une collision entraînant l’empilement de croûte donc l’enfouissement de la roche mère lors de la formation des montagnes.
28
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
C
orrection des activités
du chapitre 4
Pour débuter
Le massif armoricain est le plus ancien massif en France. Il culmine à
400m d’altitude alors que les Alpes culminent à 4810m et font partie
de la chaîne la plus récente.
Plus les chaînes de montagnes sont anciennes moins leur reliefs sont
élevés.
Cours
Activité 1
Documents 3
et 4
Des données de terrain
Sur le document 3, on peut observer de nombreuses failles ainsi que
des plis. Ce sont des marqueurs tectoniques de la formation d’une montagne. Ces plis se retrouvent aussi à l’échelle de l’affleurement.
Le long de la Rance, on observe des faciès contenant des roches métamorphiques à l’affleurement. Du Sud vers le Nord, on peut voir la présence
de roche de plus en plus déformées. Les minéraux rencontrés sont : la
chlorite/ muscovite/ biotite puis la chlorite et la biotite sont remplacées
par la cordiérite. La cordiérite et la muscovite laissent ensuite place à la
sillimanite. A l’embouchure de la Rance, le métamorphisme est tellement
important que les roches entrent en fusion partielle (anatexie).
Document 5
Les roches rencontrées sont des roches présentant à l’œil nu un aspect
plissé et en alternance de bandes sombres et claires. Ces roches présentent une fusion partielle.
Document 6
Ces faciès montrent un gradient croissant de métamorphisme du Sud
vers le Nord, témoin de zone soumises à de fortes températures, haute
pression témoignage pétrologique de l’enfouissement des matériaux
lors de la formation des montagnes.
Activité 2
L’effacement des reliefs
Les montagnes en arrière plan sont hautes et acérées. Celles en avant
plan sont moins hautes et arrondies, elles ont été érodées. Dans ces
montagnes on trouve des traces de ruissellement, des vallées glaciaires ou fluviales pouvant expliquer les phénomènes d’érosion des
montagnes.
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
29
© Cned - Académie en ligne
On peut observer les bords s’effondrer et le tas de terre prendre la
forme caractéristique des montagnes réelles. Le matériel ruisselle le
long des pentes.
La couche d’argile imperméable protège la couche de terre inférieure.
L’érosion ne touche que la couche de terre du dessus.
Le granite sain a une surface presque lisse, sans cristaux proémi-
nents. Les cristaux sont fortement engrenés les uns dans les autres.
On peut reconnaître des micas noirs, des feldspaths (clair et brillant)
et du quartz (translucide, de forme irrégulière).
Le granite altéré a une surface rugueuse et de couleur brune. Les
grains perdent leur cohérence après désagrégation des biotites par
l’eau. Les minéraux plus résistants apparaissent en relief et le granite
devient friable. La teinte brune est due à la libération d’oxyde de fer
au cours de l’altération de la biotite.
L’arène granitique est constituée de peu de micas qui ont été altérés,
des feldspaths plus ou moins altérés et des quartzs non altérés. Il
y a aussi une poudre argileuse résultat de l’altération chimique des
feldspaths et des micas.
En circulant dans les fissures du massif granitique, l’eau de pluie
chargée de CO2 provoque une hydrolyse minérale et découpe ainsi
le massif en blocs anguleux entourés par un matériau grossier fait de
quartz, de feldspaths, micas altérés, et d’argiles : l’arène granitique.
Les argiles résultent principalement de la transformation des feldspaths plagioclases et des biotites.
Schéma fonctionnel expliquant la formation d’un chaos granitique.
Massif granitique fissuré
Massif granitique présentant
des blocs anguleux
Massif granitique présentant
des blocs arrondis
Granite
Arène granitique
Les pressions tectoniques les ont fait éclater selon des plans de cli-
vage d’orientations multiples, qui se recoupent. Ainsi la roche est-elle
«prédécoupée» en prismes, relativement faciles à désassembler.
Activité 3
Quantifier l’érosion d’un massif actuel
À la Roubine, la pente des terrains est élevée et les sols n’ont pas de
couvert végétal. La quantité de produit érodé est de 5mm et le taux de
production de sédiments est de 8848 t .an -1.
30
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
A Laval, la pente est plus douce et les sols sont nus. L’érosion est
tout aussi importante mais la production de sédiments n’est que de
29,8 t. an -1. Par contre, au Brusquet, où la pente est identique à celle de
Laval, mais où les terrains ont un couvert végétal important ; l’érosion et
la production de sédiments ronds est peu importante.
Lorsqu’il y a eu érosion, selon le principe de l’isostasie, il y a eu un rééquilibrage des masses entrainant une remontée de la croûte continentale donc nouvelle augmentation de l’altitude des reliefs et une diminution de la racine crustale. Les phénomènes d’isostasie participent donc
aussi à la disparition des reliefs.
Activité 4
Le devenir des produits de démantèlement
Affleurement de grès rose de Fréhel
Strate
Le grès est formé d’une accumulation de grains de quartz : c’est une
roche sédimentaire. Ce quartz peut être issu de l’altération de granite.
Les résidus issus de l’arénisation ont été transportés puis déposés au
niveau du lieu de formation de ces grès.
Le temps géologique nécessaire pour former une strate d’un mètre
d’épaisseur est :
Il faut 1,25 mètre pour fabriquer 1 m de grès.
Sachant qu’on estime qu’actuellement il se dépose environ 20 µm (ou
20.10-6 m) de sédiment sableux par mois au fond de la mer, il faut
donc : 1,25/20.10-6=62500 mois donc 5208 ans.
Au
Cap Fréhel, la falaise de grès rose dépasse les 70 m, il a fallu
36458 ans.
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
31
© Cned - Académie en ligne
Détail de l’affleurement, stratification entrecroisée
1 cm
Cette organisation ressemble à la stratification observée dans les sables
d’une plage. On peut donc penser que :
Les grains de quartz se sont accumulés en milieu marin, par strates horizontales.
L’environnement marin à l’époque du dépôt des grès de Fréhel correspondait vraisemblablement à ce que l’on connaît aujourd’hui au niveau du Mt
St Michel où de vastes étendues sableuses irrégulières sont modelées
par des dunes ou des rides de sable. Des chenaux de marées, comblés à
la faveur des flux et des reflux recoupent l’ensemble des formations.
Activité 5
Le transport des matériaux de démantèlement
% de refus cumulés et de tamisats cumulés.
32
© Cned - Académie en ligne
Tamis
(mm)
Refus cumulés
(g)
Refus cumulés
en %
Tamisats cumulés
(%)
5
2,5
1,25
0,63
0,315
0,160
0,08
Granulat filtré
39
21,5
650
1380
1800
1910
1980
1999
1,95
10,75
32,5
69
90
95,5
99,25
100
98,05
89,25
67,5
31
10
4,5
0,75
0
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
Le mode de transport de ces graviers peut être un courant de débit
élevé.
Activité 6
Une roche sédimentaire particulière, le bassin molassique périAlpin
Les molasses sont souvent des grès à ciment de calcaire argileux. Les
molasses plus proximales présentent des galets, formant ainsi des
conglomérats. Ce sont donc des roches sédimentaires.
Les éléments présents dans les molasses sont de toutes les tailles :
galets, graviers et argiles. Ils ne sont pas classés (pas de granulo-classement). On peut penser que ce sont des torrents de très forts débits
qui ont charrié ces blocs ou bien que ce sont des éboulements de
pente.
Les molasses sont des formations de roches sédimentaires détritiques
syn-orogéniques, qui s’accumulent dans des bassins périphériques
d’une chaîne de montagnes.
Les molasses sont fréquemment accumulées dans des bassins flexuraux
(créés par la flexure de la lithosphère sous le poids de la chaîne de montagne en cours de formation.) Les molasses sont des sédiments marins
peu profonds (littoraux) ou continentaux
Corrigés des activités – Séquence 1 – SN02
33
© Cned - Académie en ligne
C
Exercice 1
orrection des exercices
du chapitre 4
Observation d’un paysage breton
On observe des strates de grès (roches sédimentaires). Le principe de
continuité latérale : Une même couche sédimentaire est de même âge
en tous ses points permet de dire que chaque strate est de même âge
sur toute sa longueur.
Le principe de superposition : De deux couches superposées, la plus
basse est la plus ancienne permet d’indiquer que les strates les plus
superficielles se sont déposées après les plus profondes.
Le principe de recoupement : un corps rocheux qui en recoupe un autre
est nécessairement plus jeune que celui qu’il recoupe. Les filons de
dolérites sont donc postérieurs au banc de grès.
Puis ces filons ont été altérés.
On a donc eu : dépôt/ (basculement) / remontée de filons/ érosion
Filon de dolérite
dolérite
1
matériau issu de l’altération
2
3 et 4
(1) Situation avant l’altération. Le filon de dolérite, avec son réseau de
diaclases, à quelques mètres ou dizaines de mètres sous la surface.
(2) L’eau de pluie, en circulant dans les fissures du filon de dolérite, provoque une hydrolyse et attaque les minéraux qui constituent la roche.
Les blocs se dégradent progressivement en partant de la périphérie, seul
reste le cœur solide. On parle d’une érosion en pelure d’oignon.
(3) et (4) Après érosion, avec le départ du couvert végétal et des produits
issus de l’altération, il reste sur place des boules de doléite dont la surface se desquame en pelure d’oignon après altération périphérique du
granite.
34
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
Exercice 2
La formation des sols
et :
Diaclases
L’eau de pluie et les diaclases favorisent et permettent l’érosion.
L’arène granitique accélère le phénomène.
L’érosion d’un granite aboutit à une arène granitique constituée de
peu de micas qui ont été altérés, des feldspaths plus ou moins altérés
et des quartzs non altérés. Il y a aussi une poudre argileuse résultat de
l’altération chimique des feldspaths et des micas. Après transport de
ces éléments, ils seront sédimentés puis soudés par un ciment d’argile ou de calcaire.
Les éléments susceptibles d’être modifiés par l’eau sont le ciment et
les restes de micas et feldpaths.
Exercice 3
Les dunes de Normandie
Les sédiments présents à l’Est de l’embouchure de l’Orne sont des
produits de l’érosion d’un massif de l’arrière pays. Ces sédiments sont
emportés par les eaux de ruissellement dans les cours d’eau qui se
jettent dans l’Orne. Arrivé à son embouchure, le débit du fleuve diminue et les sédiments sont déposés. Cet amas de sable est ensuite
déplacé par les courants marins.
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
35
© Cned - Académie en ligne
Les roches affleurant de cette région qui pourraient être à l’origine des
sables sont des roches riches en quartz : les granites et les grès.
Exercice 4
Les sables de Fontainebleau
Le sable de Fontainebleau est un sable fin, blanc de très grande pureté
(97 à 99 % de quartz). Ces sables s’étendent de Nemours à Etampes et
Dourdan sur près de 50 km.
On cherche à connaître l’origine de ces sables.
Le sable de Fontainebleau, très riche en quartz, est une roche sédimentaire issue de l’érosion d’une roche elle aussi riche en quartz.
On peut émettre l’hypothèse que ce sable provient de l’érosion d’une
chaîne de montagne lors de sa formation.
Document 1
La localisation de ces sables peut faire penser que ces sables sont issus
de l’érosion du massif armoricain ou du massif central. Ces deux massifs
sont constitués en partie de granite, roche riche en quartz qui peut être à
l’origine de la formation des sables.
Mais comment ces sables issus de l’érosion du massif armoricain ou du
massif central sont-ils arrivés dans le bassin parisien ?
L’hypothèse la plus simple est de penser que ces sables ont été transportés par l’eau.
Document 2
À l’époque de l’orogénèse hercynienne, au moment de la formation du
massif central, coulait un fleuve en direction du bassin parisien et qui se
jetait dans la mer qui s’y trouvait.
Le sable transporté par ce fleuve s’accumulait au niveau des rivages
lorsque le débit du fleuve diminuait en arrivant à son embouchure.
Le sable de Fontainebleau est donc un produit d’érosion des granites du
massif central à l’époque de la formation de celui-ci. Ces sables ont été
transportés par un fleuve présent à cet époque.
36
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 1 – SN02
C
orrection du devoir
autocorrectif n° 1
Partie 1
Histoire de la chaîne alpine
Les chaînes de collisions résultent de la convergence des plaques lithosphériques qui amènent en contact deux croûtes continentales.
Problème : comment évolue la lithosphère lorsque la convergence aboutit à la rencontre de deux lithosphères continentales ?
Par l’examen successif des marqueurs morphologiques et structuraux
puis tectoniques, nous montrerons ici l’épaississement et le raccourcissement qui président à la formation d’une chaîne de montagnes.
1. Les indices d’un épaississement : une topographie particulière
Topographie = figuration des formes du terrain sur une carte.
Dans les Alpes, l’épaississement de la croûte est mis en évidence par :
Des reliefs élevés (Mont Blanc à 4807 m) : marqueurs morphologiques
omniprésents dans les Alpes.
Une
racine c’est-à-dire un épaississement de la croûte continentale,
le Moho pouvant descendre jusqu’à 70 à 80 km de profondeur. La
connaissance de ces marqueurs structuraux découle de l’observation
et de l’analyse de profils sismiques.
2. Les marqueurs tectoniques d’un raccourcissement
Des
plis : Il s’agit de marqueurs tectoniques prouvant un raccourcissement qui s’effectue de façon continue.
Des
failles inverses : Ces autres marqueurs tectoniques prouvent un
raccourcissement discontinu. Les failles inverses provoquent un raccourcissement, contrairement aux failles normales témoins d’une
extension.
Des
charriages : Nappe de charriage = ensemble de terrains qui a été
déplacé (allochtone) et est venu recouvrir un autre ensemble (autochtone) dont il était éloigné à l’origine.
Chevauchement
: Superposition verticale de deux ensembles de terrains dont la succession n’est pas normale. La superposition de ces
écailles entraîne l’épaississement de la croûte.
Corrigé du devoir autocorrectif – SN02
37
© Cned - Académie en ligne
L’analyse de l’ensemble des marqueurs permet de démontrer que des
chaînes de collision résultent d’un raccourcissement de la lithosphère
continentale à l’origine de structures tectoniques caractéristiques : plis,
failles inverses, charriages et chevauchement. Ce raccourcissement
contribue à l’épaississement de la lithosphère continentale et à la formation d’une racine crustale.
Partie 2
QCM
1-b : L’élément père se désintègre en élément fils.
2-a : C’est le principe de la décroissance radioactive. Cette quantité initiale d’élément père décroît en fonction de sa constante de radioactivité.
3-a
4-b : Un système ouvert signifie un système où des échanges se déroulent avec l’extérieur. Dès que ce système se ferme, les échanges avec
l’extérieur cessent. C’est le moment de la fermeture du système que l’on
peut dater.
5-a : Un minéral totalement cristallisé lorsque le magma s’est refroidi
n’effectue plus aucun échange avec l’extérieur.
6-c : Pour cela il faut mesurer les quantités actuelles de ces éléments
en rapport avec le Sr86 qui est isotope stable, dans plusieurs minéraux.
7-b : Plus la roche est ancienne, plus la pente de l’isochrone est forte.
8-b : Plus la pente est faible, plus la roche est récente.
Partie 3
Documents 2a
et 2b
La mesure du temps dans l’histoire de la Terre et de la vie
Les calcaires contiennent des ammonites du Jurassique.
Les roches A contiennent des trilobites du Cambrien.
Application du principe d’identité paléontologique :
Les calcaires se sont formés entre -200 et -145 millions d’années.
Les roches A se sont mises en place entre -570 et -510 millions d’années.
Document 1
On constate que les dolomies et les calcaires recouvrent le granite et les
roches A .Les calcaires sont au-dessus des dolomies érodées.
Application du principe de superposition :
Les calcaires se sont déposés après les dolomies.
L’application du principe de superposition place après les roches A, les
dolomies et les calcaires.
(La définition des principes de superposition et de recoupement n’est
pas attendue).
38
© Cned - Académie en ligne
Corrigé du devoir autocorrectif – SN02
Document 3
Détermination de l’âge du granite grâce à la méthode des isochrones :
a = )x/)y
Avec le couple ( 0,8; 25 ) du mica blanc et le couple (0,9 ; 50) du mica
noir :
a=
0, 9 – 0, 8
1
=
50 − 25 250
Les autres couples donnent la même valeur de a
a= 4.10–3 soit 0,004
t = 281 millions d’années, le granite s’est donc mis en place après la
roche A
Mise en relation et synthèse :
1er
événement : mise en place des roches A(-570 à -510 millions d’années)
2e
événement : mise en place du granite dans les roches A (-281 millions d’années)
3e
événement : dépôt des dolomies et des calcaires (dépôt des calcaires entre -200 et -145 millions d’années)
4e
événement : mise en place de la faille
Corrigé du devoir autocorrectif – SN02
39
© Cned - Académie en ligne
Séquence 2
Sommaire
Correction des exercices du chapitre 1
Correction des activités du chapitre 2
Correction des activités du chapitre 3
Correction des exercices
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
41
© Cned - Académie en ligne
C
Exercice 1
orrection des exercices
du chapitre 1
Lithosphère continentale et lithosphère océanique
Principales caractéristiques de la lithosphère continentale et de la
lithosphère océanique.
Lithosphère continentale : a, c, e, f, i.
Lithosphère océanique : a, b, d, f, g, h.
1. L’expansion des fonds océaniques
a) La proposition est correcte.
La lithosphère océanique nouvellement mise en place au niveau de
la dorsale « repousse » le plancher océanique plus ancien de part
et d’autre. Par conséquent, plus on s’éloigne de la dorsale plus les
basaltes qui constituent la partie superficielle du plancher océanique
sont anciens.
b) La proposition est incorrecte.
Au niveau d’une dorsale la croûte océanique est en formation ; la
lithosphère océanique constituée de la croûte et de la partie supérieure du manteau supérieur (l’asthénosphère) est peu épaisse, elle
s’épaissira en s’éloignant de la dorsale en refroidissant.
c) La proposition est correcte.
Au niveau des dorsales, les roches, basaltes et gabbros, de la croûte
océanique se mettent en place en raison d’une activité magmatique
provoquée par la fusion partielle de l’asthénosphère du fait de la
montée de cette dernière par convection. Associées aux péridotites
du manteau supérieur, elles constituent la lithosphère océanique.
d) La proposition est incorrecte.
Les sédiments les plus récents se déposent sur la nouvelle lithosphère océanique créée au niveau des dorsales. Lorsqu’on s’éloigne
de la dorsale, l’épaisseur des sédiments augmente et les sédiments
au contact des basaltes sont de plus en plus anciens.
2. Les fonds océaniques
a) On peut considérer que cette proposition est correcte, car une grande
partie des fonds océaniques présentent des basaltes en pillow lavas
qui constituent les roches les plus superficielles de la croûte océanique.
b) La proposition est incorrecte. Les fonds océaniques commencent à
la suite du plateau et du talus continental qui font partie de la lithosphère continentale.
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
43
© Cned - Académie en ligne
c) La proposition est incorrecte. Les fonds océaniques ne contiennent
pas de quartz et sont donc pauvres en silice, car ils sont constitués de
basalte (et gabbros).
d) La proposition est correcte. Ces basaltes comme d’ailleurs les gabbros, situés plus en profondeur dans la croûte présentent la même
chimie : ils sont riches en Pyroxène, minéral ferromagnésien contenant les éléments Si, O, Mg, Fe et Ca.
e) La proposition est correcte.
Exercice 2
Les mouvements des plaques lithosphériques : utilisation de
données GPS
Il s’agit de montrer en utilisant le logiciel Tectoglob que
les plaques Pacifique et Nazca divergent
les plaques Nazca et Sud-américaine convergent.
Les plaques Pacifique et Nazca divergent alors que les plaques Nazca et
Sud-américaine convergent.
Les tirets représentent des zones de dorsales.
Le déplacement relatif des plaques est mesuré en temps réel à l’aide de
satellites. Les vecteurs GPS (Global Positionning System = Système de
Positionnement par Satellite) indique à la fois la direction du déplacement et l’intensité du mouvement.
On constate que, de part et d’autre de la dorsale Est Pacifique, la
plaque Pacifique se déplace vers le Nord Ouest à une vitesse d’environ
9 cm.an-1 alors que la plaque Nazca se déplace vers l’Est à une vitesse
de 7 cm.an-1. Ces deux plaques divergent.
La plaque Nazca se déplace vers l’Est à une vitesse de 7 cm.an-1 alors la
plaque Sud-américaine se déplace plutôt vers le Nord Est à une vitesse
moyenne de 3 cm.an-1. Le mouvement relatif entre les deux plaques est
par conséquent un mouvement de convergence au niveau de leurs frontières matérialisées par la fosse océanique, puisque la plaque Nazca va
plus vite que la plaque Sud-américaine.
44
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
Exercice 3
Le modèle de la tectonique des plaques
Le modèle de la tectonique des plaques : les différents types de frontières de plaques.
FRONTIÈRE DE CONVERGENCE
ZONE DE SUBDUCTION
Séismes
Volcans
superficiels
à profonds
Chaîne de
montagne
ou arc
insulaire
FRONTIÈRE DE COULISSAGE
FAILLES TRANSFORMANTES
Fosse
océanique
Séismes
D
E
A, B, C, D, E =
plaques lithosphériques
- peu déformables sauf
au niveau de leurs frontières
- d'épaisseur variable
Lithosphère
C
B
A
Asthénosphère
FRONTIÈRE DE DIVERGENCE :
DORSALES
- Reliefs symétriques
- Séismes superficiels
Exercice 4
Introduction :
L’expansion océanique : l’étude des anomalies magnétiques
Les plaques lithosphériques auxquelles appartiennent des continents
tels que l’Afrique et l’Amérique du Nord sont animées de mouvements
relatifs de divergence, convergence et coulissage. Il s’agit de justifier la
reconstitution proposée dans le document 6 de la position des continents il y a 148 Ma.
Conditions de l’observation, de l’expérience
= ce que les chercheurs
ont fait.
Document 6
Il s’agit d’une reconstitution de la position
des continents Afrique
et Amérique du Nord, il
y a –148 Ma
Les résultats observés
Les déductions
L’Amérique du Nord
et l’Afrique sont très
proches. Le plancher
océanique de l’océan
Atlantique correspond à
la zone située entre les
limites des deux plateaux
continentaux.
On peut supposer qu’il
s’est formé à partir du
fonctionnement de la dorsale figurée en noir sur le
document.
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
45
© Cned - Académie en ligne
Conclusion :
Document 5
On constate que :
On a enregistré et daté
au niveau des basaltes
du plancher océanique,
les anomalies magnétiques de l’océan Atlantique central actuellement. Ces dernières
sont dues au champ
magnétique « fossilisé » par les basaltes
au moment de leur formation au niveau de la
dorsale.
les
anomalies magnétiques
les
plus
anciennes (148 Ma) se
situent près de la limite
du plateau continental ;
elles
sont de plus
presque symétriques
par rapport à la dorsale,
zone de création de
plancher océanique ;
elles
sont segmentées
comme la dorsale par
des failles transformantes dont la présence est repérable
grâce aux décalages
observables.
Le fonctionnement de
la dorsale médio atlantique est donc sensiblement symétrique : il y a
formation de plancher
océanique à l’axe de la
dorsale « fossilisant »
le champ magnétique,
puis les basaltes anciens
sont repoussés de part
et d’autre de la dorsale . La dorsale est par
conséquent une zone de
divergence et il y a eu
expansion du plancher de
l’océan Atlantique depuis
au moins 148 Ma, âge de
l’anomalie magnétique
la plus ancienne enregistrée.
La reconstitution proposée dans le document 6 supprime tout le plancher océanique qui s’est formé de façon symétrique de part et d’autre de la dorsale depuis
–148 Ma (document 5). Elle figure le commencement du fonctionnement de la
dorsale médio atlantique.
Temps (Ma)
Dorsale
Croûte océanique
en formation
Amérique du Nord
Afrique
Actuel
M22 M0
33
24
13 13
24
33
M0 M22
Document 5
- 76
M22 M0
33
33
future Amérique du Nord
M0 M22
future Afrique
- 148
M22
46
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
M22
Document 6
Exercice 5
La création de lithosphère océanique au niveau des zones de dorsales
Titre du document 7 : Modèle de la création de la lithosphère océanique
au niveau d’une dorsale océanique
Basalte en coussins
5
Gabbro
7
Divergence
14
Fusion partielle
2
Croûte océanique
10
Moho (discontinuité de Mohorovicic)
13
Lithosphère océanique
11
Asthénosphère
12
Péridotites asthénosphériques
9
Chambre magmatique
3
Montée par convection de l’asthénosphère
1
Magma à composition basaltique avec des cristaux en formation
4
Basaltes en filons
6
Manteau lithosphérique : péridotites résiduelles
8
Les images
Roche A
Roche B
Roche C
Image d’après
une
observation en Lumière
Polarisée et non
Analysée
Petits cristaux en
baguettes, globuleux
ou de forme géométrique : microlites
Feldspaths : translucides avec un
aspect « sale »
Olivines : cristaux
incolores translucides,
globuleux,
craquelés
Structure de la
roche
Présence de microlites, petits cristaux
en baguettes, globuleux ou de forme
géométrique, dans
une pâte : structure
microlitique
Présence de cristaux juxtaposés :
structure grenue
Présence de cristaux juxtaposés :
structure grenue
Identification de
la roche
Basalte
Gabbro
Péridotite
Pyroxènes : formes
géométriques légèrement teintées en
marron pâle
Pyroxènes : formes
plus géométriques,
légèrement teintés
jaunâtres.
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
47
© Cned - Académie en ligne
Conditions de
mise en place
pour les roches
A et B
Le basalte à structure microlitique : il
s’agit d’une roche
volcanique qui s’est
formée en surface au
niveau de la dorsale
océanique suite à un
refroidissement brutal
au contact de l’eau de
mer
Le gabbro à structure grenue : il s’agit
d’une roche magmatique plutonique
dont le refroidissement a été lent (en
profondeur)
Les
péridotites
représentent la partie non fondue des
péridotites de l’asthénosphère : péridotites résiduelles
L’état des péridotites asthénosphériques pour :
Une
profondeur de 200 km et une température de 1400°C : solide
Une profondeur de 200 km et une température de 2000°C : liquide
+ solide
Une profondeur de 100 km et une température de 1400°C : solide
Une profondeur de 50 km et une température de 1400°C : solide
+liquide
Les conditions de température et de pression permettant la fusion
partielle des péridotites asthénosphériques à l’aplomb des dorsales.
La réponse d est correcte.
Les étapes de la formation de la lithosphère océanique au niveau des
dorsales.
Lithosphère océanique formée :
manteau lithosphérique
Péridotite du manteau
lithosphérique
Croûte océanique
Péridotite du manteau
lithosphérique
Gabbro
Péridotite résiduelle
(partie non fondue)
Filons de micro-gabbro
Magma (partie fondue)
Fusion partielle de la péridotite du manteau
asthénosphérique, naissance d'un magma
Baisse de la pression (température constante)
Le géotherme recoupe le solidus de la péridotite t°
Remontée de la péridotite solide
du manteau vers la surface
Mouvement de convection
mantellique (branche ascendante)
48
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
P
Basalte Pillow-lavas
Exercice 6
Quelques marqueurs des zones de subduction
Mise en évidence des marqueurs sismiques.
Coupe A :
Amérique du Sud
Coupe B :
Japon Nord
D/ fosse (km) P (km)
Point de départ servant de référence
Foyers des
séismes superficiels
Foyers des
séismes situés à
une profondeur
moyenne
Foyers des
séismes profonds
D/ fosse (km)
Coupe C :
Mariannes
D/ fosse
(km)
P (km)
P (km)
0
0
0
0
0
0
73
90
135
280
373
-30
-33
-33
-97
-104
51
119
161
171
216
-33
-32
-43
-86
-182
75
94
-26
-57
206
223
-151
-192
480
-210
329
-272
800
-537
585
-568252
252
-501
Mise en évidence des marqueurs volcaniques
Plaque chevauchante
Amérique du Sud
Japon
Mariannes
Distance à la fosse
des volcans
Caichinque
(nord du Chili,
4450 m) 373 km
Chirpoï (742 m)
182 km
Agrigan (965 m)
214 km
Plans de subduction (plans de Wadati-Benioff) et position des volcans au
niveau des plaques chevauchantes des zones de subductions considérées.
Fosse
océanique
VB VC
Profonfeur des foyers (km)
200
VA
400
Distance de la fosse (km)
600
800
1000
VA = volcans au niveau de la plaque
Sud-américaine.
–100
VB = volcans au niveau de la plaque
Philippines
–200
VC = volcans au niveau de la plaque
Eurasie.
–300
–400
Coupe C
Mariannes
Coupe B
Japon
Coupe A
Amérique du Sud
–500
–600
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
49
© Cned - Académie en ligne
Les marqueurs morphologiques, sismiques et magmatiques caractérisant les zones de subduction.
morphologiques
fosse océanique, relief positif tel qu’une chaîne de montagnes ou un arc
insulaire.
sismiques
une activité sismique importante est une signature des zones de subduction (des déformations instantanées cassantes sont à l’origine des
séismes).
Les foyers sismiques liés au phénomène de subduction se répartissent
en profondeur sur « une surface inclinée », dite plan de Wadati-Benioff
qui part à l’aplomb de la fosse et s’enfonce sous un continent ou un arc
insulaire. Ce plan correspond au sommet de la lithosphère océanique en
subduction : c’est le plan de subduction.
L’existence de foyers sismiques jusqu’à environ 700 km de profondeur met en évidence l’existence d’une plaque lithosphérique plongeante froide et cassante qui s’enfonce dans l’asthénosphère ductile
(ou les déformations sont non cassantes).
Au-delà de 700 km, on n’enregistre plus de foyers sismiques : les roches
de la lithosphère océanique se comportent de manière plastique.
magmatiques
des volcans localisés sur la plaque chevauchante sont présents dans les
zones de subduction.
Zone de convergence
Zone de convergence
Zone de subduction
Dorsale
Marqueurs morphologiques
Relief +
Relief Chaîne de
Fosse
océanique montagnes ou arc
insulaire
Volcans associés à la
chaîne de montagnes ou à
un arc volcanique
PLAQUE
CHEVAUCHANTE
manteau
lithosphérique
croute
continentale
0
50
PLAQUE
PLONGEANTE
fusion
partielle
manteau
13
100
Profondeur (km)
croûte océanique
00
asthénosphére
°C
Mouvement de plaques
Magma à composition basaltique
Foyers sismiques
Exercice 7
Marqueurs magmatiques
Marqueurs sismiques
Répartition des foyers
sismiques suivant le
plan de Benioff-Wadati
Lithosphère et asthénosphère dans une zone de subduction
Un séisme est provoqué par la rupture brutale des roches de la lithos-
phère en profondeur, en une zone ponctuelle, le foyer situé à la verticale de l’épicentre, projection à la surface de la Terre de la position du
séisme en profondeur.
50
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
La présence de séismes indique par conséquent que le matériau qui
se rompt est rigide et non déformable.
La tomographie sismique montre la présence d’une bande qui s’en-
fonce obliquement et qui présente des vitesses sismiques plus élevées,
signatures de l’existence d’un matériel plus froid. Cette bande s’enfonce au sein d’un matériel plus chaud (anomalies négatives).
À cette bande plus froide sont associés des séismes qui permettent de
dire que cette zone est constituée de matériaux cassants.
La tomographie sismique et la répartition des séismes, confirment la
plongée au niveau de la fosse du Japon, de la lithosphère océanique
froide et rigide de la plaque Pacifique dans un matériel plus chaud
correspondant à l’asthénosphère.
Modélisation des variations de température en fonction de la profon-
deur au niveau d’une zone de subduction.
Les isogéothermes s’infléchissent au niveau de la fosse, ce qui matérialise un plongement de ses isogéothermes.
On note une « dépression » des isogéothermes au niveau du plan de subduction : la température y est plus basse que dans le manteau environnant.
Ces anomalies thermiques et foyers sismiques profonds (document 10)
matérialisent la plongée de la lithosphère océanique froide au niveau
de l’affrontement des deux plaques.
Le plongement de la lithosphère océanique froide à des vitesses relativement élevées maintient un contraste des températures.
L’isotherme 1300°C sépare un domaine rigide (lithosphère) d’un
domaine déformable mais non fondu (asthénosphère), le tout à composition chimique constante (péridotite).
Plaque
chevauchante
Plaque
plongeante
Zone
Fosse
volcanique
océanique
Lithosphère
800°C
1000°C
1200°C
1300°C
1400°C
100
200
300
Lithosphère
océanique
400
500
600
Profondeur
(km)
Plan de WadatiBenioff
Lithosphère
océanique plus
froide et cassante
(séismes)
Asthénosphère
plus chaude
Mouvements de
convergence
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
51
© Cned - Académie en ligne
Exercice 8
Indices du raccourcissement et de l’empilement dans une chaîne
de montagne
Épaississement lié à un
raccourcissement
Profondeur (km)
Charriage
Pli
Chevauchements
profonds et superficiels
10
0
10
20
30
40
50
60
Croûte
continentale
Manteau
lithosphérique
Écailles
crustales
Relief positif :
montagnes
Importante
racine crustale
Épaississement lié à un empilement
d'écailles crustales
52
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
C
orrection des activités
du chapitre 2
A. Pour débuter
Le modèle de la tectonique globale : un modèle prédictif
Subduction
Subduction
Dorsale
Chambre magmatique
Collision
Croûte
continentale
Croûte
océanique
Chambre magmatique
Manteau
lithosphérique
Manteau
supérieur
Divergence
Convergence
La chambre magmatique est localisée au niveau de la croûte océanique
à l’axe de la dorsale.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
53
© Cned - Académie en ligne
Les structures géologiques observées actuellement dans les chaînes
de montagnes et les questions qu’elles suscitent.
Documents 2a et 2b : Dans les Alpes comme dans Quels sont les témoins
l’Himalaya, se trouvent des sédiments d’origine dans une chaîne de collision, de la présence d’un
marine et des ophiolites.
ancien domaine océaLe document 3 précise que les ophiolites sont des
nique ?
fragments de lithosphère océanique constitués de
basaltes, gabbros et péridotites.
Document 2 : on constate de plus que ces structures constituent une suture, c’est-à-dire une zone
de contact, dans les Alpes, entre les marges continentales de la plaque européenne et de la plaque
africaine, et dans l’Himalaya, entre les marges
continentales de la plaque indienne et de la plaque
eurasiatique. Cette suture ophiolitique correspond
aux restes d’un ancien océan aujourd’hui disparu.
Le document 2b montre qu’au niveau de l’Himalaya
il existe associés aux ophiolites (lithosphère océanique) des sédiments de prisme d’accrétion, sédiments qui peuvent se trouver au niveau de certaines
fosses de subduction, et des granites de subduction.
Quels sont les témoins
dans une chaîne de collision d’une subduction
océanique puis continentale ?
Quels sont les témoins
d’une remontée vers la
surface au cours de la
collision de matériaux
préalablement enfouis au
Document 3 : les ophiolites sont des fragments de
cours de la subduction ?
lithosphère océanique portés en altitude dans un
contexte de convergence.
Documents 2a et 2b : Les sédiments marins, les
sédiments de prisme d’accrétion et les ophiolites
sont actuellement en altitude et appartiennent au
domaine continental.
Les premiers constats effectués doivent être suivis d’études plus poussées afin de comprendre les mécanismes qui permettent la formation
des chaînes de montagnes.
B. Cours
Activité 1
Montrer que les ophiolites du Chenaillet sont des roches vestiges d’une
ancienne lithosphère océanique.
L’observation microscopique de l’association minérale présente dans
une roche permet de connaître les conditions de pression et température subies au cours du temps. Il s’agit de tracer le trajet PressionTempérature d’un gabbro du Chenaillet.
L’exploitation va être présentée sous la forme d’un tableau.
54
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
Le type de données
fournies
par le document
Les observations effectuées
au niveau du document
Les ophiolites du Chenaillet sont constiDocuments 4 et 5 :
géologie des ophio- tuées de basaltes en coussins, de gabbros
et de péridotites métamorphisées, qui
lites du Chenaillet
actuellement sont situés entre 2100m et
2650 m d’altitude
La ou les déductions
Ces ophiolites constituent un
fragment de lithosphère océanique qui se retrouve en altitude
du fait de la collision alpine.
Les minéraux de C1 étant à l’équilibre, on peut supposer que ces
minéraux, à un moment donné,
n’ont plus été à l’état d’équilibre, puisque dans C2 apparaît
un autre minéral, la hornblende,
qui les sépare. Ils ont été déstaC2 : feldspaths plagioclases et pyroxènes bilisés. Une nouvelle déstabilisaentourés d’amphibole (hornblende)
tion est sans doute à l’origine de
C3 puisque de nouveaux minéC3 : feldspaths plagioclases, pyroxènes,
raux sont présents.
hornblendes, mais aussi actinotes (autre
Quelle est l’origine de cette désamphibole) et chlorites
tabilisation ?
Tous les gabbros présents au niveau du
Document 6 :
Les gabbros du Che- Chenaillet n’ont pas exactement la même
naillet et leur compo- composition minéralogique :
sition minéralogique
C1 : feldspaths plagioclases et pyroxènes
à l’équilibre (composition d’un gabbro se
formant au niveau d’une dorsale)
La présence d’eau et la diminution de température due à l’éloignement de la dorsale sont à
l’origine d’un changement des
conditions initiales de formation des gabbros : les minéraux
sont déstabilisés et de nouveaux
La lithosphère océanique qui vient de se
minéraux hydratés apparaissent.
former est constituée de minéraux non
hydratés alors que la lithosphère océa- On peut supposer que C2 et C3
nique transformée suite aux circulations proviennent d’une déstabilisahydrothermales présente des minéraux tion et donc d’une transformahydratés tels que les amphiboles et la tion d’un gabbro de dorsale de
type GA auquel correspond C1,
chlorite.
suite à l’hydrothermalisme qui
affecte la croûte océanique.
Document 7 : Les
conditions de température et de circulation d’eau de mer
au niveau du plancher océanique
Les gabbros cristallisent au niveau des
dorsales dans certaines conditions de
température et de pression. Dans la croûte
océanique fracturée circule de l’eau de mer
à l’origine d’une hydratation des roches et
d’un refroidissement.
Document 8 : les
domaines de stabilité des assemblages
minéralogiques des
gabbros suivant leur
localisation par rapport à la dorsale :
Chaque minéral possède un domaine de
stabilité : éventail de pressions et températures à l’intérieur duquel un minéral ou
une association minérale est stable correspondant aux conditions de sa formation.
En dehors de ce domaine, il y a déstabilisation : il y a alors des transformations et /ou
On peut replacer C1, C2 et C3
dans ce diagramme P-T :
C1 correspond à GA, C1Æ C2
(réaction 1) et C2ÆC3 (réaction 2).
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
55
© Cned - Académie en ligne
ce diagramme a été
construit à partir
de résultats d’expériences réalisées
sur des associations
minérales dont on a
fait varier les conditions de P et T
des interactions des minéraux entre eux,
ce qui aboutit à la formation de nouveaux
minéraux plus stables dans les nouvelles
conditions. Cette transformation structurale et minéralogique des roches appelées
métamorphisme implique des réactions
chimiques (réactions 1 ou 2) à l’état solide
entre les minéraux.
GA correspond à un gabbro de dorsale qui
cristallise dans la croûte (profondeur 5 à 7
km), à une pression faible et une température inférieure à 1100°C.
Le trajet Pression–Température d’un gabbro du Chenaillet
0
0
200
5
C3
10
Plagioclase
Hornblende
Actinote
Chlorite
20
25
30
35
2
600
C2
Profondeur (km)
56
© Cned - Académie en ligne
800
1
Plagioclase
Amphibole
(hornblende)
Eau
Conditions non
réalisées dans la nature
15
400
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
1000
1200
Température
(°C)
0
C1 GA
Plagioclase
Pyroxène
Eau
0,5
Solidus du
gabbro
Bilan :
1
Pression
(GPa)
Les indices de la présence
d’un ancien océan
Les indices de collision
Documents 4 et 5
Documents 4 et 5
Présence d’ophiolites c’est-à-dire Actuellement les ophiolites du Ched’une ancienne lithosphère océanique naillet sont situés entre 2100m et
constituée de basaltes en coussins, 2650 m d’altitude.
gabbros et péridotites.
La disposition des différentes roches
est oblique par rapport à la disposiDocuments 6, 7 et 8
tion horizontale qu’elles présentent au
Présence dans les gabbros du Cheniveau du plancher océanique.
naillet, d’associations minérales montrant un métamorphisme dû à l’hydrothermalisme qui affecte la lithosphère
océanique au niveau d’un océan. Les
gabbros de dorsales se transforment
à terme en métagabbros du faciès
Schistes Verts (document 16b) caractérisés ici par l’association minérale :
Feldspaths plagioclases, Actinote,
Chlorite.
Document 10
Présence de radiolarites, roches sédimentaires d’origine marine résultant
de l’accumulation de squelette siliceux d’organismes planctoniques
marins unicellulaires, les radiolaires,
déposés au niveau des plaines abyssales.
Activité 2
Rechercher les preuves de l’existence d’une marge continentale
passive
Il s’agit de dégager les caractéristiques morphologiques, tectoniques
et sédimentaires d’une marge continentale passive actuelle comme la
marge de Galice. Les marges continentales constituent le domaine de
transition entre continent et océan. Aux marges actives, on oppose les
marges passives ou stables qui sont des régions calmes à faible activité
sismique ou volcanique.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
57
© Cned - Académie en ligne
Caractéristiques
morphologiques
Caractéristiques tectoniques (déformations)
Caractéristiques
sédimentaires
Trois unités plus ou
moins profondes se
succèdent en partant
du littoral : le plateau
continental (0 à 200m),
prolongement du continent, le talus continental (200 à 3000-4000
m) et le glacis (3000
à 5000 m), surface
quasiment plane, où
la bordure continentale (lithosphère continentale) se raccorde
aux fonds océaniques
(lithosphère
océanique).
Les caractéristiques tectoniques des marges
passives ont été déterminées à partir de techniques sismiques et
de forages (documents
12b et 12c). les marges
passives
présentent
un amincissement de
la croûte continentale
(document 13) depuis
la zone émergée jusqu’à
sa limite où la bordure
continentale
(lithosphère
continentale)
se raccorde aux fonds
océaniques (lithosphère
océanique). La partie
supérieure de la croûte
est découpée en blocs
basculés, séparés par
des failles normales, pas
ou peu actives actuellement qui témoignent
d’une extension contemporaine de la formation
d’un rift (document 13).
La croûte fracturée est
recouverte de sédiments
de nature différente. Les
marges passives stables
sont des pièges sédimentaires.
Leurs sédiments peuvent
donc fournir des renseignements sur l’histoire du
continent.
Les séries sédimentaires
présentant actuellement
une disposition en éventail
(séries sédimentaires 2
des documents 12b, c
et 13a) : elles se sont
déposées initialement à
l’horizontale sur un socle
instable, en phase de
fracturation sous l’effet
de l’extension ; elles sont
contemporaines de la formation du rift.
Les séries sédimentaires
(séries sédimentaires 3
des documents 12b, c et
13b), qui sont en position
de dépôt, à l’horizontale :
elles se sont formées
lorsque la dorsale océanique a commencé à fonctionner.
La collision entre deux blocs continentaux met en contact deux marges
continentales qui en se déformant sont à l’origine de la chaîne de montagnes. Certaines parties de ces marges conservent leur structure initiale, malgré les déformations dues à la collision. Il s’agit de montrer
que les structures présentes au niveau du Massif du Taillefer dans les
Alpes, sont les témoins d’une ancienne marge continentale permettant
de dater la période de la fracturation continentale.
58
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
Le massif du Taillefer présente des affleurements de socle continental
constitué de roches métamorphiques et magmatiques (comme le granite),
fracturé par des failles normales (3 sont visibles dans le document 11)
plus ou moins parallèles. Ces failles délimitent des blocs basculés, ménageant entre eux des zones où les sédiments se sont accumulés. Les failles
normales et les blocs basculés constituent des structures semblables à
celles des marges continentales passives actuelles telles que la marge
de Galice (document 12).
Le Jurassique inférieur et moyen présente des couches plus ou moins
disposées en éventail et date donc la période de fracturation en distension
qui forme le rift. La présence de fossiles d’Ammonites et de Belemnites,
mollusques marins et de Crinoïdes, organismes vivant fixés sur les fonds
marins, témoigne de l’existence de la mer à cette époque.
Le Jurassique supérieur et le Crétacé sont constitués de couches pratiquement horizontales. Les fossiles d’Ammonites et de Calpionelles témoignent d’une mer plus profonde qui accompagne l’existence d’un domaine
océanique ancien qui apparaît donc au Jurassique supérieur.
Cette région des Alpes correspond à une ancienne marge continentale
et témoigne de l’étirement et de l’amincissement d’un continent ce qui
a abouti à sa rupture.
L’interprétation des observations effectuées sur cet affleurement permet
d’établir une succession de différents phénomènes :
Une extension fracture la croûte continentale et forme des blocs basculés
(document 11).
La divergence des domaines continentaux ainsi fracturés se poursuit : il y
a formation d’un domaine océanique comme en témoignent les fossiles
contenus dans les roches sédimentaires du Jurassique et du Crétacé
Des indices de raccourcissement montrent que les marges continentales
sont déformées au cours de la collision.
La coupe figurée dans l’encadré, montre des plis et une faille inverse postérieure au jurassique moyen, terrain recoupé par la faille le plus récent
figuré sur cette coupe. Ces plis et cette faille inverse témoignent donc
d’un raccourcissement.
Ces observations permettent de continuer la chronologie des phénomènes
qui ont affecté cette région : la divergence cesse et est remplacée par
une dynamique de convergence aboutissant à la fermeture du domaine
océanique et à une collision dont témoignent la faille inverse et les plis.
Activité 3
Rechercher au niveau de massifs ophiolitiques alpins les indices
d’un métamorphisme lié à une subduction océanique ayant précédée la collision
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
59
© Cned - Académie en ligne
Lieu de prélèvement des
Chenaillet
échantillons observés Documents de l’activité 1
Queyras
Document 14
Roche(s)
Roches
constitutives
d’une ancienne lithosphère océanique : Métabasaltes, Métagabbros,
et Métapéridotites
Roches
constitutives
d’une ancienne lithosphère océanique : Métabasaltes, Métagabbros,
et Métapéridotites
Minéraux
C1 : Feldspaths plagioclases et pyroxène
C2 : Feldspaths plagioclases, Pyroxène, Hornblende,
C3 : Feldspaths plagioclases, Actinote, Chlorite.
Document 14
Domaine de stabilité C1
des différents miné- P < 0,25 GPa
raux (document 16a) : T =1100 à 700°C
C2
Pression
P < 0,25 GPa
Température
T=700 à 400°C
C3
P < 0,25 GPa
T=400 à 300 /200°C
Faciès métamorphique C3 : faciès Schistes Verts
(document 16c)
Âge en Ma corres- -150 à -146
pondant à l’âge pour
lequel les roches ont
été soumises à une
pression maximale.
Contexte
géodyna- Les ophiolites du Chemique (roches indica- naillet correspondent,
trices d’une expansion du fait des composiocéanique, d’une sub- tions
minéralogiques
duction ; indiquer la des métagabbros qui les
profondeur atteinte)
constituent, à une lithosphère océanique qui n’a
pas participé à une subduction mais a subi un
métamorphisme Basse
Pression-Haute température (hydrothermalisme).
60
© Cned - Académie en ligne
Mont Viso
Document 15a Roches
constitutives
d’une
ancienne lithosphère
océanique : Métabasaltes, Métagabbros,
et Métapéridotites
Document 15b
Q1 : Feldspaths plagio- V1 : Epidote, Quartz,
clases, Pyroxène, Acti- Glaucophane, Grenat,
Jadéite
note, Glaucophane.
Q1
P=0,8 à 1 GPa
T =400 à 300°C
V1
P= 1,8 à 2 GPa
T= 450 à 550°C
Schistes Bleus
Eclogites
- 90 à - 50 (l’âge varie - 50 à - 48
selon
l’affleurement
considéré).
Les ophiolites du Queyras et du Mont Viso ont
subi un métamorphisme Haute Pression –Basse
Température dans un contexte de subduction.
Dans le cas du Queyras, la profondeur atteinte au
cours de la subduction est inférieure.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
On peut supposer que les roches de la lithosphère océanique du
Queyras et du Mont Viso ont suivi le même trajet P-T-temps que celles
du Chenaillet : elles se sont formées à la dorsale, ont subi un métamorphisme par hydrothermalisme et se sont transformées en métagabbros du faciès Schistes Verts, puis la lithosphère océanique est
rentrée en subduction. Le document 14 montre d’ailleurs que les
métagabbros question renferment de l’actinote, minéral caractéristique du faciès Schistes Verts, qui s’est formée postérieurement au
pyroxène puisqu’elle le recoupe, et antérieurement à la glaucophane
qui l’entoure.
Les trajets P-T effectués au cours du temps par un gabbro qui est à
l’origine de Q1 et un gabbro qui est à l’origine de V1.
0
200
0
400
0,5
600
C
800
B
Température (°C)
1000
1200
A
Domaine
de fusion
paritelle
D
25
E
50
Profondeur (km)
Pression (GPa)
2
es
lisé
réa
on ure
t
sn
ion la na
dit
s
con dan
1
Q1
G
F
V1
Trajet P et T d'un métagabbro
du Queyras Q1
Trajet P et T d'un métagabbro
du Viso V1
Les domaines A, B, C, D, E, F et G correspondent aux domaines de stabilité des associations minérales.
A : Plagioclase + Pyroxène
B : Plagioclase + Amphibole (hornblende)
C : Plagioclase + Amphibole (actinote) + Chlorite
D : Plagioclase + Amphibole (glaucophane)
E : Glaucophane + Jadéite
F : Grenat + Jadéite +ou – Glaucophane
G : Grenat + Jadéite.
Le métamorphisme des zones de subduction est qualifié de métamor-
phisme « Haute Pression-Basse Température ».
Les roches de la lithosphère océanique telles que celles du Queyras et
du Mont Viso présentent des associations minérales montrant que la
pression à laquelle ont été soumises ces roches est élevée, entre 0, 8
et 2 GPa, alors que la température n’a pas dépassé 550°C.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
61
© Cned - Académie en ligne
Lorsque la lithosphère froide s’enfonce dans l’asthénosphère au cours de
la subduction, ses roches subissent une faible augmentation de température et une forte augmentation de pression, qui entraînent la transformation de leurs minéraux en de nouveaux assemblages minéralogiques
stables pour les nouvelles conditions de pression et de température.
Les ophiolites du Queyras et du Mont Viso comportent des indices de
l’expansion océanique, de la subduction puis de la surrection lors de
la collision des plaques Europe-Asie à l’origine des Alpes.
Des indices d’une
expansion océanique
Des indices
d’une subduction
Documents 14 et 15
Document 14
Document 15
Les ophiolites du
Queyras et du Mont
Viso sont des fragments de lithosphère
océanique
constitués de métabasaltes, métagabbros
et métapéridotites :
ces roches se sont
formées au niveau
d’une dorsale et sont
les témoins de l’expansion océanique.
Le métagabbro Q1 renferme
entre autre de la Glaucophane
qui indique qu’il a subi un métamorphisme Haute PressionBasse Température.
Les ophiolites du
Mont Viso, fragments
de lithosphère océanique, sont situées à
une altitude 3841m.
Document 15
Le métagabbro V1 du Mont Viso
renferme quant à lui du grenat
et de la jadéite, qui indiquent
qu’il a été soumis à une pression
supérieure à celle subie par Q1.
Document 14
Autre indice de l’expansion, le métagabbro Q1 renferme de
l’actinote,
minéral
caractéristique
du
faciès Schistes Verts
qui montre que ce
gabbro en s’éloignant
de la dorsale a subi
un métamorphisme.
62
© Cned - Académie en ligne
Des indices de collision
Les associations minérales
contenues dans ces roches
témoignent ainsi d’un métamorphisme caractéristique d’une
zone de subduction.
Documents 14 et 15
Les schistes lustrés du Queyras
sont interprétés comme étant
des sédiments de prisme d’accrétion, structure pouvant exister
au niveau de certaines fosses de
subduction, où l’accumulation
sédimentaire est importante.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
Les
différentes
roches sont disposées en lambeaux
obliques séparés par
des failles actives qui
ont fonctionné durant
leur exhumation qui
fait suite à leur subduction.
C
Les marqueurs des zones de subduction
Zone de convergence
Zone de subduction
Marqueurs morphologiques
Relief –
Relief +
Fosse Chaîne de
montagnes ou
océanique arc insulaire
Marqueurs magmatiques
Volcans associés à la
chaîne de montagnes
ou à un arc volcanique
croûte
0
continentale
SV
PLAQUE
PLONGEANTE
50
SB
E
manteau
13
Profondeur (km)
PLAQUE
CHEVAUCHANTE
100
00
Marqueurs
métamorphiques
SV
SB
E
°C
Marqueurs sismiques
Répartition des foyers
sismiques suivant le plan
de Benioff-Wadati
SV : métagabbros du faciès Schistes verts.
SB : métaggabbros du faciès Schistes Bleus.
E : métagabbros du faciès Eclogites
Activité 4
Rechercher les témoins d’une subduction continentale
La répartition géographique des roches métamorphiques (document 19)
permet de mettre en évidence une zonation très nette du métamorphisme
dans les Alpes. D’Ouest en Est, on constate un passage progressif de roches
du faciès Schistes verts à des roches du faciès Schistes bleus puis à des
roches du faciès Eclogites : l’intensité du métamorphisme est donc croissante d’Ouest en Est, ce qui signifie que les roches ont été portées à des
températures et des pressions de plus en plus importantes. La subduction
qui a provoqué la disparition de l’océan alpin s’est effectuée d’Ouest en
Est : la plaque européenne a plongé sous la plaque africaine.
Quels sont les arguments minéralogiques et sismiques qui ont contri-
bué à élaborer le modèle de subduction continentale ?
Les arguments minéralogiques sont présentés dans les documents 19 et 20 :
des minéraux indicateurs d’un métamorphisme Ultra Haute Pression ont été
retrouvés dans des roches continentales ce qui indique que celles-ci ont été
enfouies jusqu’à des profondeurs allant de 90 à 140 km.
Les arguments sismiques sont fournis par la technique de tomographie sismique du document 21 : on peut constater que la lithosphère
continentale indienne plus froide plonge sous la plaque eurasiatique.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
63
© Cned - Académie en ligne
Coupe au niveau des frontières de la plaque indienne et de la plaque
eurasiatique réalisée à l’aide de Tectoglob.
Himalaya
Plaque indienne
Plaque eurasienne
Subduction continentale
de la plaque indienne
Grenat
(Fe,Mg)3Al2Si3O12
Métamorphisme
Ultra Haute
Pression
Coésite (SiO2)
Quartz
SiO2
Document 19 : La présence de coésite contenue dans
des roches caractéristiques de la lithosphère continentale indique qu’elles ont été enfouies à plus de 90 km
de profondeur (pressions : 2,5 à 3 GPa)
Document 20 : La présence de diamant dans des
roches caractéristiques de
la lithosphère continentale
indique un enfouissement à
plus de 120 km de profondeur (pressions de plus de
4 GPa)
Croûte océanique
0
Croûte continentale de
la plaque subduite
30
60
Croûte continentale de
la plaque chevauchante
90
Manteau
lithosphérique
Asthénosphère
Coesite
(métamorphisme UHP)
120
Profondeur
Sud
9LWHVVHGHV
RQGHV
(par rapport à
la normale)
Supérieure
Plaque indienne
A
400
km
Normale
Nord
Plaque eurasiatique
B
Lithosphère
continentale
plus froide
qui plonge
Asthénosphère
plus chaude
800
km
Inférieure
Gros séismes
64
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
Document 21 : La tomographie sismique montre le plongement de la
plaque indienne continentale sous la
plaque eurasiatique : il y a subduction
continentale.
Activité 5
Rechercher les témoins d’une remontée en surface d’écailles de
l’ancienne lithosphère océanique et continentale
Le document 23 va permettre de retrouver le trajet suivi par les méta-
gabbros du Queyras et du Mont Viso lors de l’exhumation qui les a
ramenés en surface après qu’ils aient subducté.
Des métagabbros du Queyras (Q2) présentent ainsi des cristaux de
glaucophane entourés de cristaux de chlorite et d’actinote, ces derniers minéraux se sont donc formés aux dépends de la glaucophane :
en remontant ces métagabbros se sont retrouvés dans les conditions
Pression et Température du faciès Schistes Verts.
Des métagabbros du Mont Viso, V2 présentent de la glaucophane sans
grenat et jadéite et sont eux mêmes recoupés par V3 constitué de chlorite et d’actinote. Les métagabbros du Mont Viso sont donc passés du
faciès Eclogites au faciès Schistes Bleus, puis au faciès Schistes Verts,
au cours de l’exhumation.
Les trajets (P, T, temps) suivis par les roches métamorphiques du
Queyras et du Mont Viso de leur formation au niveau des dorsales
jusqu’à leur exhumation.
0
200
0
400
0,5
C
D
V3
Q2
25
Profondeur (km)
Pression (GPa)
Activité 6
50
es
lisé
réa
on ure
t
sn
ion la na
dit
s
con dan
Q1
E
1
2
600
800
Température (°C)
1000
1200
Trajet P et T de la dorsale
à la zone de subduction
A
B
Domaine
de fusion
paritelle
V2
F
Exhumation rapide
G
V1
Trajet P et T
au cours de la
subduction
S’appuyer sur les indices relevés pour reconstituer un scénario
possible de l’histoire des Alpes en relation avec le modèle
Quels sont les arguments qui ont permis d’aboutir à la formulation de
l’affirmation « Les roches du Chenaillet montrent un métamorphisme
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
65
© Cned - Académie en ligne
hydrothermal net ; elles n’ont donc pas été affectées par la subduction
ni par la collision »
Il faut ici ne s’intéresser qu’aux roches c’est-à-dire aux associations
minérales qu’elles présentent.
Les métagabbros du Chenaillet présentent plusieurs sortes d’associations minérales (document 6) :
C1 : Feldspaths plagioclases et Pyroxène
C2 : Feldspaths plagioclases, Pyroxène, Hornblende,
C3 : Feldspaths plagioclases, Actinote, Chlorite
Ces associations sont apparues successivement lors de l’éloignement
du gabbro de l’axe de la dorsale, lieu de sa formation (C1) suite au
refroidissement et à l’hydratation de la croûte océanique (document 7)
par hydrothermalisme (C2 puis C3). En effet, ces associations minérales
indiquent que les températures et les pressions auxquelles ont été
soumises les métagabbros qui les renferment, varient entre 1000°C
et 200°C pour la température, pour une pression faible quasiment
constante, de l’ordre de 0,25GPa (document 8).
Les roches du Chenaillet ne présentent pas de minéraux indicateurs
d’une pression plus importante tels que la glaucophane, le grenat
et la jadéite qui permettrait de dire qu’elles ont participé à une subduction.
Elles ne présentent pas de traces d’exhumation, c’est-à-dire de traces
d’une remontée en surface d’écailles au cours de la collision. En effet,
le document 23 montre qu’au cours de l’exhumation, les associations
minérales des métagabbros du Queyras et du Mont Viso, stables aux
conditions de température et de pression correspondant à la profondeur atteinte au cours de la subduction océanique sont déstabilisées,
de nouveaux minéraux apparaissent indiquant un retour vers la surface.
De même, le document 24, permet de dire que le même phénomène
se produit pour des roches enfouies au cours d’une subduction continentale : des roches continentales renferment de la coésite, entourée
d’une auréole de quartz. Ces roches ont d’abord été enfouies au cours
d’une subduction continentale, d’où la formation de coésite (métamorphisme Ultra Haute Pression) par transformation du quartz, puis
une exhumation, synonyme d’une diminution de pression, a induit une
recristallisation du quartz à partir de la coésite.
Les roches du Chenaillet, dont les associations minérales montrent un
métamorphisme hydrothermal, ne présentant ni minéraux indicateurs
de subduction ni traces d’exhumation au cours de la collision, n’ont
donc pas été affectées par la subduction ni par la collision.
66
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
les différents indices qui ont contribué à l’élaboration des étapes
du modèle de la formation des Alpes.
Les étapes du modèle de la formaLes indices qui ont contribué à élaborer ce modèle
tion des Alpes
Étape 1 : Ouverture et expansion de Indices d’ouverture
d’anciennes marges continentales passives (document 11)
l’océan alpin (-250 à –80 MA).
qui caractérisent la phase d’ouverture continentale (blocs
basculés limités par des failles normales indicatrices d’extension)
Indices de l’expansion océanique
des
ophiolites (fragments d’anciennes lithosphères océaniques) et de sédiments marins à Radiolaires par exemple
(document 10)
des
ophiolites telles que celles du Chenaillet (activité 1) qui
renferment des métagabbros, dont les associations minérales sont le reflet des conditions (hydratation, température,
pression) régnant au cours de l’expansion océanique.
Étape 4 : La subduction SO2 fonc- Indices de subduction océanique
tionne. La lithosphère océanique
Les métagabbros du Queyras à glaucophane (document 14) et
en subduction subit un métadu Viso (document 15) à grenat et jadéite, présentent des assomorphisme HP-BT. Du plancher
ciations minérales indicatrices d’un métamorphisme HP-BT
océanique (futures ophiolites du
caractéristiques des zones de subduction (document16).
Chenaillet) chevauche la marge
Les schistes lustrés du Queyras sont des indicateurs d’un
européenne. Le prisme d’accrétion
prisme d’accrétion ayant existé au niveau de la fosse de subserait à l’origine des schistes lustrés
duction.
du Queyras.
Indice montrant que toute la lithosphère océanique n’a pas
subducté
Les ophiolites du Chenaillet (activité 1) présentent des associations minéralogiques caractéristiques uniquement d’un
métamorphisme hydrothermal (documents 7 et 8) du type de
celui qui affecte la lithosphère du plancher océanique.
Étape 5 : Des fragments de la lithos- Indices d’exhumation de fragments de lithosphère océanique
phère océanique subduite sont Les ophiolites du Queyras et du Mont Viso présentent des
rapidement exhumés (ophiolites du modifications de leurs associations minérales montrant
Queyras et du Mont Viso). Une par- qu’elles ont subi une diminution de pression au cours d’une
tie de la marge continentale euro- remontée rapide (document 23).
péenne entraînée par la lithosphère Indices de subduction continentale
océanique entre en subduction Les roches métamorphiques continentales du Massif de Dora
continentale (SC) : la collision des Maira (document 19) contiennent de la coésite, minéral indideux marges débute et entraîne un cateur de Ultra Haute Pression, résultant de la transformation
raccourcissement et un épaississe- du quartz.
ment de celles-ci. Un détachement
Indice d’exhumation d’écailles de croûte continentale
de la lithosphère océanique serait
à l’origine d’une remontée de la La coésite de Dora Maira (document 24) montre une déstabilisation, indicatrice d’une diminution de pression, à l’origine
croûte continentale subduite.
d’une recristallisation de quartz.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
67
© Cned - Académie en ligne
Activité 7
Préciser les modifications subies par la lithosphère océanique depuis sa
création à la dorsale jusqu’à sa subduction
Le document 29 présente l’épaississement de la lithosphère océanique
au cours de son éloignement de l’axe de la dorsale.
Calcul de l’âge et de l’épaisseur d’une lithosphère océanique située
à 1000 km de l’axe de la dorsale.
À 1000 km de l’axe de la dorsale, l’âge de la lithosphère océanique
est de : 1000.105 : 8 = 125.105 ans soit 12,5 Ma.
HL0 = 9, 2 12, 5 = 32, 5 km
de la masse d’une colonne de 1m2 de surface de cette même
lithosphère océanique.
Calcul
M = ␳C.hC + ␳ML.(HLO-hC)
M= 2,85.103. 5 + 3,3.103 (32,5-5) = 103650 kg soit 103,65. 103
tonnes
Comparaison
avec celle d’une colonne d’asthénosphère sousjacente de même épaisseur et de même surface.
M = ␳A.HA
M= 3,25.103. 32,5
M = 105625 kg soit 105,625. 103 tonnes.
À ce stade la masse d’une colonne d’asthénosphère est supérieure à la
masse d’une même colonne de lithosphère. La lithosphère «flotte» sur
l’asthénosphère.
Il s’agit de mettre en relation les évolutions du flux thermique, de la pro-
fondeur de la surface de la lithosphère océanique et de son épaisseur.
Le document 28 montre qu’au niveau de l’axe de la dorsale, le flux
thermique est important, ce qui correspond, à une profondeur du plancher océanique d’environ 2 km, et une lithosphère très peu épaisse
(document 29).
Puis, lorsque la lithosphère océanique s’éloigne de la dorsale :
le flux thermique diminue,
la profondeur de sa surface augmente, jusqu’à 6 km environ au
niveau des plaines abyssales,
elle s’épaissit (documents 29 et 30) par le bas ; l’épaisseur de la croûte
ne varie pas alors que celle du manteau lithosphérique augmente.
La profondeur de l’isotherme 1300°C (document 29) marquant la limite
lithosphère-asthénosphère augmente
Les dorsales sont des chaînes de montagnes sous marines où la lithosphère océanique est bombée, chaude et peu épaisse, en s’éloignant de
la dorsale elle se refroidit (hydrothermalisme) lentement. Son épaisseur
et sa densité augmentent, la lithosphère océanique s’enfonce alors
progressivement dans l’asthénosphère : il y a subsidence thermique.
68
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
Variations en fonction de l’âge de la masse d’une colonne de lithos-
phère océanique et de celle d’une colonne d‘asthénosphère de même
épaisseur.
300
Variation en fonction
de l’âge d’une colonne
de lithosphère océanique
Masse (en 103 tonnes)
Âge en 103
250
200
Variation en fonction de l’âge
d’une colonne de asthénosphère
de même épaisseur
150
100
50
0
0
4000
2000
6000
8000
Age (en 106 ans)
Les variations sont minimes.
À partir de 30 millions d’années la lithosphère océanique devient plus
dense (document 30) que l’asthénosphère ; elle devrait couler.
Variations en fonction de l’âge de la masse d’une colonne de lithos-
phère océanique et de celle d’une colonne d‘asthénosphère de même
épaisseur.
300
Masse (en 103 tonnes)
Âge en 103
3
250
200
2
150
100
1
50
0
0
Croûte
océanique
2000
4000
Manteau
lithosphérique
6000
8000
Age (en 106 ans)
Asthénosphère
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
69
© Cned - Académie en ligne
Les deux graphes sont quasiment superposés sur ce document, car la
variation est minime à cette échelle.
1 : La masse d’une colonne de lithosphère océanique est inférieure à celle
d’une même colonne d’asthénosphère.
2 : La masse d’une colonne de lithosphère océanique est égale à celle
d’une même colonne d’asthénosphère.
3 : La masse d’une colonne de lithosphère océanique est supérieure à
celle d’une même colonne d’asthénosphère.
L’âge des fonds océaniques est fourni par le logiciel Tectoglob.
Remarque
L’âge de la lithosphère océanique n’excède pas 200 Ma.
Les fonds océaniques ont un âge très supérieur à 30
Ma puisque, les plus anciens fonds océaniques ont
un âge d’environ 180 Ma.
La lithosphère lorsque sa densité est devenue supérieure à celle de l’asthénosphère continue à « flotter ». En effet, l’asthénosphère exerce une résistance mécanique à
l’enfoncement (document 31). Cette instabilité va perdurer plusieurs
dizaines de millions d’années.
Activité 8
Montrer qu’au niveau d’une subduction, les transformations
minéralogiques s’accompagnent d’une modification de la densité
des roches qui entretient la descente de la lithosphère océanique.
Il s’agit de montrer que les transformations de la croûte océanique
entretiennent la descente de la lithosphère océanique.
Une expérience simple permet de mettre en évidence qu’un gabbro,
qui n’a pas participé à une subduction, a une densité inférieure à
celle d’une éclogite, c’est-à-dire, d’un métagabbro transformé, suite
au métamorphisme Haute Pression-Basse Température qu’il a subi au
cours de la subduction.
Document 32
Calcul de la masse volumique de chaque échantillon
Echantillon
Masse (g)
Volume (mL)
Masse volumique (g.cm-3)
Gabbro
3
25,8
8,5
1
22,6
7,5
2
34,8
11,5
3,013333
3,026087
3,035294
4
17,1
5,5
5
17,7
6
6
25
8,5
3,109091
2,95
2,941176
Eclogite
Echantillon
Masse (g)
Masse volumique
(g.cm-3)
70
© Cned - Académie en ligne
1
65,3
2
18,9
3
35,5
4
31,6
5
7,6
3,957576
3,78
3,736842
3,717647
3,8
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
Ces échantillons de gabbros et d’éclogites sont des roches de la croûte
océanique. La densité de cette dernière augmente, par conséquent, au
cours de la subduction.
Remarque
La densité d’un objet est le rapport de sa masse volumique sur la masse
volumique de l’eau. Or, la masse volumique de l’eau est égale à 1 g.cm-3, la
densité se déduit donc directement de la masse volumique de l’échantillon.
Le document 33 permet de calculer l’augmentation relative de masse
volumique moyenne de la lithosphère océanique lors de la subduction.
Lithosphère océanique Lithosphère océanique
Lithosphère océanique
en cours de subduction en cours de subduction
avant la subduction
Profondeur 1
Profondeur 2
Masse volumique
moyenne
3,3
3,304
3,3075
La masse volumique moyenne de la lithosphère océanique augmente
au cours de la subduction. Cette augmentation est liée à l’augmentation
de densité de la croûte océanique dont les roches se transforment en
métagabbros du faciès Schistes Bleus et en métagabbros du faciès
Eclogites, ce qui est à l’origine d’une augmentation de leur densité du
fait des transformations minérales résultant du métamorphisme Haute
Pression-Basse Température.
Les transformations minéralogiques entretiennent donc la subduction.
L’évolution de la lithosphère océanique à l’origine de sa subduction
dans l’asthénosphère et de l’entretien de celle-ci.
Zone de divergence
Zone de convergence
Dorsale
Zone de subduction
Augmentation de l'âge
Volcans
Augmentation de la profondeur du plancher océanique
croûte
océanique
G
SV
a
manteau
lithosphérique
asthénosphère
b
SV
0
50
SB
E
manteau
100
Refroidissement
Métamorphisme HP-BT des roches
de la lithosphère océanique
Épaississement
Augmentation de l'épaisseur du
manteau lithosphérique (a, b)
Doc 29,
30
Transformation minéralogique
SV ➝ SB ➝ E
Augmentation de la densité
Augmentation de la densité
La lithosphère océanique devient
plus dense que l'asthénosphère
SUBDUCTION
quand l'équilibre est rompu
Profondeur (km)
croûte
continentale
Fosse
dSV < dSB < dE
ENTRETIEN de la subduction et
MOTEUR du déplacement des plaques
G
Doc 32,
33
Gabbro
SV
Métagabbro
(faciès schiste vert)
SB
Métagabbro
(faciès schiste bleu)
E
Métagabbro
(faciès éclogite)
Il est fait référence sur le schéma aux documents de l’activité 8.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
71
© Cned - Académie en ligne
C
orrection des activités
du chapitre 3
A. Pour débuter
Il s’agit de montrer que les régions présentées dans les documents 2 et
3 sont des zones de subduction sièges d’une activité magmatique.
Document 32
Une subduction Océan-Continent : convergence des plaques Nazca et
d’Amérique du Sud au niveau du Pérou et du Chili.
Les données GPS montrent que des points situés sur la plaque Nazca
se déplacent vers l’Est à une vitesse comprise entre 61 et 77 mm par an
alors que des points situés sur la plaque Amérique du Sud se déplacent
vers l’Ouest à une vitesse comprise entre 1 et 1,9 mm par an.
Le mouvement relatif de ces deux plaques traduit bien une convergence et la frontière de ces deux plaques est donc une frontière
de convergence.
La limite entre ces deux plaques est marquée par :
l’existence d’une fosse ;
une
activité sismique avec des foyers séismiques d’autant plus profonds que l’on s’éloigne de la fosse vers l’Est.
Profondeurs des foyers des séismes en fonction de la distance à
la fosse et localisation du volcanisme.
Volcans
Fosse
Profondeurs
Distance à la
des foyers des
fosse (km)
séismes (km)
0
0
-100
100
-150
200
-200
300
-250
400
-300
500
-550
650
-600
800
Distance de la fosse (km)
0
100 200
400
600
800
1000
Profonfeur des foyers (km)
–100
Plaque chevauchante
Amérique du Sud
–200
–300
–400
–500
Plan de Wadati-Benioff
Plaque Nazca
en subduction
–600
72
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
l’existence d’un volcanisme au niveau de la cordillère, longeant la fron-
tière de convergence, c’est-à-dire parallèle à la fosse.
Tous ces indices constituent des marqueurs d’une zone de subduction et
la disposition des foyers sismiques laisse à penser que c’est la plaque
Nazca qui plonge sous la plaque Amérique du Sud.
Conclusion
Les différents marqueurs permettent de conclure que la côte Ouest de
l’Amérique du Sud représentée est une zone de subduction siège d’une
activité magmatique.
Marqueurs morphologiques
+ (voir Google Earth)
Marqueurs
magmatiques
Fosse océanique Chaîne de
(-8000m)
(montagnes
(+7000m) :
axe des plis
parallèles à la
fosse.
Volcans
alignés
parallèlement à la
fosse.
600
350
300
250
200
0
0
Plaque Amérique
du Sud
1.7
u
ro
Pé
Plaque Nazca
Fosse océanique
Foyers des séismes jusqu’à
600 km de profondeur. Les
courbes reliant les séismes
de même profondeur permettent de visualiser le
plan de Wadati-Benioff.
15
10
u
ed
ss
Fo
600
300
250
Lignes reliant les
foyers des séismes
de même profondeur
(km)
Marqueurs
sismiques
A
1.0
B
77
Vecteur vitesse
d'après des mesures
GPS (mm/an)
Volcans
Plaque plongeante
Document 3
77
61
Fosse du Ch
ili
77
1.9
100 km
Vecteurs GPS de déplacement de la plaque Nazca
et de la plaque Amérique
du Sud : les plaques sont
en convergence.
Une subduction Océan-Océan, le long de l’arc insulaire des îles Tonga :
convergence de la plaque Pacifique et de la plaque indo-autralienne.
Les données recueillies par Google Earth ne figurent pas dans ce corrigé.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
73
© Cned - Académie en ligne
Les données morphologiques et volcaniques
Les points blancs correspondent aux volcans.
Les données GPS montrent que des points situés sur la plaque pacifique
se déplacent vers le Nord Ouest à une vitesse d’environ 10 cm par an
alors que des points situés sur la plaque indo-autralienne se déplacent
vers le Nord Est à une vitesse comprise entre 50 et 70 mm par an.
Le mouvement relatif de ces deux plaques traduit bien une convergence
et la frontière de ces deux plaques est donc une frontière de convergence.
La profondeur des foyers sismiques augmente d’Est en Ouest.
Conclusion
La limite entre ces deux plaques est marquée par :
l’existence
d’une fosse ;
une activité sismique avec des foyers séismiques d’autant plus profonds que l’on s’éloigne de la fosse vers l’Ouest ;
l’existence d’un volcanisme au niveau d’un arc insulaire parallèle à la
fosse.
74
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
Tous ces indices constituent des marqueurs d’une zone de subduction et
la disposition des foyers sismiques laisse à penser que c’est la plaque
Pacifique qui plonge sous la plaque Indo-autralienne.
Les différents marqueurs figurés sur la coupe permettent de conclure que la région
des îles Tonga est une zone de subduction siège d’une activité magmatique.
Volcan
Fosse
180 km
Plaque australienne
Plaque
chevauchante
100 km
Profondeur (km)
Subduction de la
plaque pacifique
Plan de Wadati Benioff
700
Les deux zones de subduction étudiées montrent, outre une topographie particulière et une activité sismique, marqueurs de la subduction, une activité magmatique localisée au niveau de la plaque chevauchante parallèlement à la fosse.
B. Cours
Activité 8
Montrer qu’il existe dans une zone de subduction une signature
thermique du magmatisme
Il s’agit de montrer que dans une zone de subduction, il existe une
double anomalie thermique, signature de la subduction de la lithosphère océanique et du magmatisme.
Le document 6 présente la variation du flux thermique en surface dans
une zone de subduction : le flux de chaleur augmente (>160mW.m-2)
au niveau des arcs volcaniques ou de la cordillère, et diminue (< à
40mW.m-2) au niveau de la fosse.
Les documents 4,5 et 10 (chapitre 1), qui ont été réalisés par tomographie
sismique, permettent de repérer au niveau de la côte ouest de l’Amérique
du Sud, des îles Tonga et du Japon, l’existence d’une zone d’anomalies
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
75
© Cned - Académie en ligne
positives de la vitesse de propagation des ondes sismiques en profondeur.
Une anomalie positive signifie qu’il existe un matériel plus froid et plus
rigide que celui que l’on s’attendait à trouver aux profondeurs indiquées.
Cela traduit la plongée d’une lithosphère froide de plus en plus profondément, ce qui confirme l’idée d’une subduction :
cette zone de matériel plus froid et plus rigide plonge de l’Ouest vers
l’Est au niveau de l’Amérique du Sud ce qui reflète le plongement de
la plaque Nazca sous la plaque Amérique du Sud;
elle plonge de l’Est vers l’Ouest aux Iles Tonga ce qui correspond à
la subduction de la plaque Pacifique sous la plaque des Philippines
et au niveau du Japon où cette fois-ci la plaque Pacifique subducte
sous la plaque Eurasienne.
De même la répartition des isothermes présentée dans le document
11 (chapitre 1) révèle la présence d’une zone anormalement froide
s’enfonçant depuis l’aplomb de la fosse vers l’arc et au-delà
En outre, on note au niveau des documents 4, 5 et 10 (chapitre 1)
des anomalies négatives signifiant qu’il existe du matériel plus chaud
dans une zone située au niveau de la plaque chevauchante, au-dessus du toit de la lithosphère plongeante. Ces anomalies peuvent être
mises en relation avec le volcanisme observable en surface.
Ainsi, l’augmentation du flux reflète l’ascension et l’accumulation des
magmas dans la plaque chevauchante alors que la diminution de ce
dernier correspond à l’enfoncement de matériel froid au niveau de la
fosse, c’est-à-dire à la subduction de la lithosphère océanique.
Les marqueurs des zones de subduction
Flux
thermique
anomalie
–
Zone de divergence
anomalie
+
Marqueurs
thermiques
Zone de convergence
Dorsale
Zone de subduction
Marqueurs morphologiques Marqueurs magmatiques
Relief +
Chaîne de
montagnes
ou arc insulaire
Volcans associés à la
chaîne de montagnes
ou à un arc volcanique
PLAQUE
CHEVAUCHANTE
croûte
océanique
manteau
lithosphérique
PLAQUE
PLONGEANTE
fusion
partielle
00
mouvements de plaques
magma à composition basaltique
foyers sismiques
© Cned - Académie en ligne
manteau
13
asthénosphère
76
croûte
continentale
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
°C
Marqueurs sismiques
Répartition des foyers
sismiques suivant le plan
de Benioff-Wadati
0
Profondeur (km)
Relief –
Fosse
océanique
50
100
Activité 9
Préciser les caractéristiques des magmas associés aux zones de
subduction à partir de l’étude des roches magmatiques
Le document 7 présente une région du Pérou située en bordure de
l’océan Pacifique.
Quels sont les indices de convergence lithosphérique observables au
niveau de cette région, frontière entre la plaque Nazca et la plaque
sud-américaine ?
La frontière entre ces deux plaques est marquée par :
▶ l’existence
d’une fosse océanique,
▶ la
présence d’un volcanisme récent parallèle à la fosse au niveau de
la cordillère.
Ces deux indices, juxtaposition d’un relief négatif (fosse océanique) et
d’un relief positif (chaîne de montagnes) et présence de volcanisme,
sont des indicateurs de la présence d’une zone de subduction : la
plaque Nazca plonge sous la plaque sud américaine.
D’autres indices de convergence sont observables au niveau du
document 7. Des structures tectoniques, telles que des chevauchements (exemple au niveau de la région du Lac Titicaca), des failles
inverses et les plis qui affectent les terrains sédimentaires traduisent
le raccourcissement et l’épaississement de la marge andine dans ce
contexte de convergence. Toutes ces structures sont grossièrement
perpendiculaires à l’axe de convergence.
Dans les zones de convergence l’importante activité magmatique pro-
duit des roches variées, des roches volcaniques mais aussi des roches
plutoniques de type granitoïdes (document 7).
En confrontant les données des documents 8 , 9 et 12, et en prenant
en compte le fait que la diversité observée peut être liée à la composition chimique du magma ou à la vitesse de refroidissement, il est
possible d’identifier les roches A,B,C,D et E.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
77
© Cned - Académie en ligne
78
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
Identification
de la roche
Andésite
Magma riche en eau
Granite
Moins riche en silice (55
Riche en silice ( +
à 60 %), plus riche en
de70%), Na et K, ferroma- ferromagnésiens
gnésiens peu importants
Magma riche en eau
Feldspaths plagioclases,
amphibole et biotite
Diorite
Riche en silice (+ de
70%), Na et K, ferromagnésiens peu importants
Feldspaths plagioclases,
amphibole et biotite
Feldspaths plagioclases
de feldspaths potassiques, quartz et biotite
Rhyolite
Feldspaths plagioclases
de feldspaths potassiques, quartz et biotite
Lente
Lente
En profondeur
Roche magmatique plutonique
Grenue
Couleur claire : Gris pâle
Roche D
Rapide
En profondeur
Roche magmatique plutonique
Grenue
Gris foncé
Roche C
Rapide
Moins riche en silice (55
à 60 %), plus riche en
Chimie du magma ferromagnésiens
Minéraux
Vitesse
de refroidissement
En surface
Lieu de mise en
place (profondeur En surface
de cristallisation)
Microlitique
Roche magmatique volcanique
Microlitique
Couleur claire : Gris pâle
Roche B
Roche magmatique volcanique Roche magmatique vol/Roche magma- canique
tique plutonique
Structure
Couleur générale
Gris foncé
de la roche
Roche A
Granodiorite
Magma présentant une
certaine richesse en ferromagnésiens et en eau
Feldspaths plagioclases,
feldspaths potassiques,
quartz amphibole et
biotite
Chimie du magma intermédiaire entre C et D :
Silice (entre 60 et 70%)
Lente
En profondeur
Roche magmatique plutonique
Grenue
Couleur de nuance intermédiaire entre C et D
Roche E
Les différences existant entre ces roches proviennent :
de la vitesse de refroidissement liée à la profondeur de mise en place,
de la chimie des magmas dont elles sont issues.
Les roches A et C proviennent de la cristallisation d’un magma de
même chimie mais dont le temps de refroidissement a été différent. On
peut effectuer la même remarque pour les roches B et D. Par contre, la
roche E provient de la cristallisation en profondeur d’un magma dont la
composition est intermédiaire.
Comparaison d’une roche magmatique des dorsales et d’une roche
magmatique des zones de subduction.
Composition minéralogique : minéraux
Roche magmaCaractéristiques
caractéristiques
tique à structure
des magmas
(Documents 9, 10 et 12)
microlitique
(Documents 11et 12)
Minéraux hydratés en
vert
Magma
Basaltes
Dorsales
océaniques Roches sombres
Fluide
Moins siliceux
Pyroxène, Feldspaths
plagioclases
pas hydraté
Andésites
Zones
Roches plus
de
subduction claires que les
basaltes
Les magmas ou
laves qui atteignent
la surface sont peu
fluides, riches en
gaz : les éruptions
sont violentes (libération brutale de gaz
emprisonnés dans
le magma)
visqueux
+siliceux
+hydraté
Feldspaths plagioclases,
un peu de Quartz,
Amphibole (hornblende), Biotite
Les roches magmatiques des dorsales et des zones de subduction
présentent une certaine proportion de minéraux ferromagnésiens, ce
qui indique l’origine mantellique des magmas dont elles sont issues
(document 12). La présence de minéraux hydroxylés dans les roches
magmatiques, telles que l’andésite, indique la richesse en eau des
magmas des zones de subduction.
Activité 3
Établir un lien entre profondeur de la plaque plongeante et répartition des édifices volcaniques actifs
En comparant plusieurs zones de subduction on peut déterminer la
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
79
© Cned - Académie en ligne
profondeur à laquelle pourrait se déclencher la fusion partielle à l’origine du magmatisme.
Dans le document 13, un lien est établi entre les volcans en surface et
le plan de Wadati-Benioff, c’est-à-dire le plan de subduction, en traçant
un trait à la verticale des volcans et en mesurant la distance entre la
fosse et les volcans.
Le fait de travailler sur plusieurs zones de subduction permet de généraliser la notion dégagée.
On constate que, plus le plan de subduction présente un pendage
important, moins la distance entre la fosse et les volcans est grande.
En effet, quelque soit la zone de subduction considérée, les volcans
sont situés à l’aplomb du plan de Wadati-Benioff, lorsqu’il atteint une
profondeur d’environ 100 à 150 km.
Les constats effectués précédemment permettent de formuler les hypo-
thèses suivantes.
Les roches situées à cette profondeur susceptibles de subir une fusion
partielle à l’origine des magmas sont :
les roches constituant le manteau au-dessus de la plaque plongeante (hypothèse 1),
les roches de la croûte océanique (hypothèse 2),
les roches constituant le manteau au-dessus de la plaque plongeante et les roches de la croûte océanique (hypothèse 3).
L’étude des roches magmatiques des zones de subduction lors de l’activité 2 a montré que ces roches contiennent une proportion de minéraux
ferromagnésiens (biotite, amphibole) qui indique l’origine mantellique
des magmas dont elles sont issues (document 12). On peut par conséquent retenir l’hypothèse 1 : le magma provient de la fusion partielle des
péridotites du manteau au-dessus de la plaque plongeante.
Activité 4
Préciser les conditions de genèse des magmas dans les zones de
subduction
Il s’agit de montrer que, dans une zone de subduction, la présence
d’eau est nécessaire pour qu’il y ait fusion partielle des péridotites du
manteau au-dessus de la plaque plongeante.
Le document 14 présente les résultats de fusions expérimentales de
péridotites dans des conditions de température, de pression et d’hydratation différentes.
D’après le document 14a, on constate que le géotherme des zones de
subduction (variation de la température de la péridotite en fonction de
la profondeur) ne dépasse jamais la température de fusion commen-
80
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
çante (solidus) de péridotites sèches. Il ne peut donc pas y avoir de
fusion partielle de la péridotite à l’aplomb des zones de subduction
donc pas de formation de magmas pour une péridotite sèche car la
température n’est pas suffisante.
D’après le document 14b, on constate que si la péridotite est hydratée,
elle commence à fondre à une température moins élevée (son solidus
est déplacé vers des températures plus basses). Dans ces conditions, le
géotherme des zones de subduction dépasse les conditions de fusion
commençante : l’eau abaisse la température de fusion partielle des
péridotites. Ainsi entre 100 et 150 km (activité 3) de profondeur, une
température de 1000°C suffit pour provoquer cette fusion partielle qui
permet la formation de magmas et explique le magmatisme des zones
de subduction.
Remarque
L’andésite, la rhyolithe (document 11) contiennent de l’eau dans leurs
compositions chimiques. Ce fait permet de valider le modèle expérimental
du document 14b de la fusion partielle d’une péridotite hydratée, et par
la même, d’expliquer la présence d’eau dans les magmas des zones de
subduction, d’où la formation de minéraux tels que les amphiboles et les
micas qui sont des minéraux hydratés (document 10).
Au cours de la subduction les roches de la croûte océanique subissent
un métamorphisme Haute Pression-Basse Température.
Les métagabbros du faciès Schistes Verts se transforment en métagabbros du faciès Schistes Bleus puis en métagabbros du faciès Eclogites.
On peut émettre l’hypothèse que certaines des transformations minéralogiques libèrent de l’eau, à l’origine de l’hydratation des péridotites
situées au dessus de la lithosphère plongeante.
Les conditions de pression et de température auxquelles sont sou-
mises les péridotites mantelliques ne sont pas les mêmes suivant les
contextes géodynamiques. Le taux de fusion partielle ne doit pas être
identique au niveau d’une dorsale et au niveau d’une zone de subduction, ce qui entraîne la formation de magmas de composition différente.
De plus les péridotites ne sont pas hydratées dans un cas et le sont
dans l’autre, la présence d’eau dans le magma résultant de la fusion
partielle des péridotites des zones de subduction permet la formation
des minéraux hydratés constituant les roches magmatiques présentes
dans ces zones.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
81
© Cned - Académie en ligne
L’activité magmatique associée à la subduction sous une marge
continentale active.
Flux
thermique
Zone de divergence
anomalie
+
anomalie
–
Marqueurs
thermiques
Dorsale
Fosse
G
SV
SV
manteau
lithosphérique
E
13
00
°C
mouvements de plaques
métagabbro
G
gabbro
SB (faciès schiste bleu)
SV
métagabbro
(faciès schiste vert)
E
50
100
Répartition des foyers
sismiques suivant le plan
de Benioff-Wadati
foyers sismiques
Activité 5
magma
composition
andésitique
fusion partielle des
péridotites hydratées du
manteau de la plaque
chevauchante
SB
manteau
magma à
composition
basaltique
fusion partielle des
péridotites non hydratées
0
Profondeur (km)
croûte
océanique
croûte
continentale
Marqueurs magmatiques
Roches plutoniques Roches volcaniques
Structure grenue Structure microlitique
ANDÉSITES...
GRANITOïDES
métagabbro
(faciès éclogite)
Relier le métamorphisme de la plaque plongeante au magmatisme observé au niveau de la plaque chevauchante
Le métamorphisme de la plaque plongeante à l’origine de l’hydratation
des péridotites du manteau.
Zone de divergence
Zone de convergence
Dorsale
Zone de subduction
Volcans
Fosse
H2O
G MG
manteau
lithosphérique
SV
SV
PLAQUE
CHEVAUCHANTE
SB
PLAQUE
PLONGEANTE
asthénosphère
H2O
E
fusion
partielle
Gabbro
Métagabbro
Feldspath
plagioclases
Pyroxène
Conditions de
métamorphisme
82
© Cned - Académie en ligne
H2O
Feldspath
plagioclases
Pyroxène
Amphibole
(hornblende)
H2O
Métagabbro
(Faciès
Schiste vert)
Métagabbro
(Faciès
Schiste bleu)
Feldspath
Feldspath
plagioclases
plagioclases
Amphibole H O Amphibole H O
2 (glaucophane) 2
(actinote)
Chlorite
Métamorphisme de la dorsale
à la zone de subduction
- hydratation
- diminution de la température
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
croûte
continentale
0
50
manteau
lithosphérique
Métagabbro
(Faciès
éclogite)
Jadéite
Grenat
Métamorphisme dans une zone
de subduction BT-HP
- déshydratation
- augmentation de la température
100
Profondeur (km)
croûte océanique
Bilan
Couplage entre le métamorphisme de la lithosphère océanique et le magmatisme créateur de croûte continentale dans une zone de subduction.
Zone de divergence
Zone de convergence
Dorsale
Zone de subduction
Volcans
Fosse
G MG
manteau
lithosphérique
SV
SV
SB
PLAQUE
PLONGEANTE
asthénosphère
E
H2O
croûte
continentale
PLAQUE
CHEVAUCHANTE
manteau
Métagabbro
Feldspath
plagioclases
Pyroxène
Conditions de
métamorphisme
H2O
Feldspath
plagioclases
Pyroxène
Amphibole
(hornblende)
H2O
Métamorphisme de la dorsale
à la zone de subduction
- hydratation
- diminution de la température
50
100
fusion
partielle
Gabbro
0
Métagabbro
(Faciès
Schiste vert)
Métagabbro
(Faciès
Schiste bleu)
Feldspath
Feldspath
plagioclases
plagioclases
Amphibole H O Amphibole H O
2 (glaucophane) 2
(actinote)
Chlorite
Profondeur (km)
croûte
océanique
Métagabbro
(Faciès
éclogite)
Jadéite
Grenat
Métamorphisme dans une zone
de subduction BT-HP
- déshydratation
- augmentation de la température
Remarque
Le manteau hydraté est entraîné par la subduction de la plaque plongeante, il ne présente une fusion partielle que dans certaines conditions
de pression correspondant à 100-150 km de profondeur.
Corrigés des activités – Séquence 2 – SN02
83
© Cned - Académie en ligne
C orrection des exercices
Exercice 1
Questions à choix multiples (QCM)
Réponse correcte : b.
Réponses correctes : a et c
Réponse correcte : c
Réponse correcte : c
Réponse correcte : c
Exercice 2
La fusion partielle des péridotites dans les zones de subduction
Réponses correctes : b et e.
a) Faux. Le géotherme de cette zone ne permet pas la fusion des péridotites sèches.
c) Faux .La péridotite qui fond est celle du manteau situé au-dessus de la
plaque plongeante.
d Faux. car e correcte
f) Faux. Une fusion totale des péridotites donnerait un magma qui en cristallisant
redonnerait des péridotites, or il se forme un magma à composition andésitique.
Exercice 3
Le magmatisme des zones de subduction
Tectoglob permet d’effectuer les observations suivantes :
Les volcans de Sumatra constituent un arc volcanique parallèle à la fosse océanique indicateur de la zone où la plaque Australo-indienne plonge. Ils sont
donc localisés sur la plaque chevauchante, c’est-à-dire, la plaque Eurasienne.
a) Faux
84
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
Si l’on effectue une coupe dans cette zone de subduction, on constate
que Les volcans situés sur l’île de Sumatra sont localisés à l’aplomb des
foyers sismiques situés entre 100 et 150 km.
b) Réponse correcte et f réponse fausse.
c) Réponse fausse car la lithosphère océanique n’est pas ductile mais cassante puisque des séismes sont observables au moins jusqu’à 600 km
de profondeur.
d) Réponse fausse car c’est la plaque australo-indienne qui passe en
subduction sous la plaque Eurasienne.
e) Réponse fausse, le volcanisme de Sumatra est un volcanisme caractéristique des zones de subduction, explosif avec des coulées visqueuses
de nature andésitique.
Fosse 245 km
Arc volcanique
Plaque Eurasienne
Plaque Australo-Indienne
Plaque
chevauchante
Subduction de la plaque
Australo-Indienne
Profondeur (km)
150 km
Plan de Wadati Benioff
600
Sumatra est une zone frontière entre la plaque Eurasienne et la plaque
Australo-indienne. Cette dernière est une plaque rapide qui se déplace
vers le Nord est environ 7 cm.an-1 alors que la plaque eurasienne dans
cette région se déplace vers le Sud Est à raison d’environ 3 cm.an-1 : le
mouvement relatif de ces deux plaques est un mouvement de convergence.
g) Réponse correcte
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
85
© Cned - Académie en ligne
Exercice 4
Le trajet P-T temps d’une roche
a) réponse fausse. Une température de 350 °C et une pression de 0,5GPa
ne permettent pas la formation de glaucophane, ces conditions correspondent au domaine de stabilité C. Le champ de stabilité de la glaucophane comprend les domaines D, E et F. dans le document 3, le trajet
indiqué passe par le domaine D.
b) réponse fausse car c = réponse correcte. La glaucophane est un minéral
indicateur d’une augmentation de pression subie par la lithosphère océanique, et par voie de conséquence par un gabbro de la croûte océanique,
au cours de la subduction sans augmentation de température.
d) et e) : réponses correctes. Une température de 350 °C et une pression
de 0,5GPa permettent la formation de chlorite, ces conditions correspondent à son domaine de stabilité C. Le document 3 montre que la croûte
océanique qui va plonger est constituée de métagabbros contenant de la
chlorite (faciès Schistes Verts) et qu’un métagabbro subduit peut remonter et se retrouver dans les conditions de température et de pression qui
permettent à nouveau la formation de chlorite.
f) réponse correcte car le document 2 montre que la chlorite entoure la
glaucophane, minéral indicateur de subduction, elle s’est donc formée
postérieurement à ce minéral lors de la remontée du fragment de lithosphère océanique.
g) réponse fausse. Le document 2 indique que la chlorite présente s’est
formée postérieurement à la glaucophane. La seule observation de cet
échantillon ne permet donc pas d’affirmer qu’elle l’indice que la lithosphère océanique s’est trouvée dans le domaine de stabilité C avant la
subduction.
Exercice 5
Les témoins des étapes de l’histoire d’une chaîne de montagnes
Pour montrer que la chaîne himalayenne résulte de la fermeture d’un
domaine océanique liée à la convergence des deux plaques lithosphériques
indienne et eurasiatique, il faut rechercher dans les données fournies :
les
indices restant de ce domaine océanique,
les indices du mécanisme par lequel de la lithosphère océanique disparaît c’est-à-dire les indices d’une subduction.
les indices d’une convergence à l’origine d’une collision.
Les traces d’un domaine océanique dans les terrains constituant la
chaîne himalayenne.
Les terrains constituant la chaîne himalayenne (documents 4 et 5)
contiennent des ophiolites (suture de Tsango, s’étendant d’est
en ouest et que l’on peut aussi observer au niveau de la coupe),
86
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
ensemble de métabasaltes, métagabbros (document 6a) et métapéridotites qui sont de même composition que le plancher océanique
et dont on pense qu’ils sont des lambeaux. Ces ophiolites prouvent
la présence ancienne d’une lithosphère océanique au niveau de l’Himalaya, et donc la présence ancienne d’un domaine océanique avant
la chaîne de montagne. Elles témoignent d’un domaine océanique
disparu.
Ces terrains comportent aussi des sédiments marins : ils témoignent
également de l’histoire océanique de la chaîne : au fur et à mesure
de la formation de la lithosphère océanique, ces sédiments marins se
sont déposés.
Les traces de la fermeture du domaine océanique par subduction
Le document 4 montre : des sédiments de prisme d’accrétion présents
d’Est en Ouest.
Or, La disparition du plancher océanique se produit par subduction,
c’est-à-dire plongement de la lithosphère océanique sous une autre
lithosphère, le plus souvent continentale. Les sédiments marins présents sur le plancher océanique ont tendance à s’accumuler dans la
fosse et forment une masse de sédiments très déformés appelée prisme
d’accrétion.
Dans
l’Himalaya, on retrouve des granites de subduction (documents 4 et 5).
Lorsque la plaque plongeante atteint une certaine profondeur, une
fusion partielle se produit et le magma en résultant est à l’origine d’un
plutonisme (granites et granodiorites) et d’un volcanisme (rhyolites et
andésites).
La disposition dans l’espace des sédiments marins, du prisme et des
ophiolites, et des granites de subduction suggère une subduction où
la plaque plongeait vers le nord.
Le
document 6a indique que certains métagabbros présents dans
les ophiolites himalayennes contiennent à la fois de la glaucophane
et de la jadéite, minéraux qu’on ne trouve pas dans un gabbro océanique au moment de sa formation à la dorsale.
En profondeur se produisent lors de la subduction des transformations minérales à cause des nouvelles conditions de pression et de
température auxquelles sont portées les roches. Dans une zone de
subduction, c’est surtout la pression qui est élevée, car la lithosphère
qui s’enfonce se réchauffe lentement. Les ophiolites himalayennes
qui contiennent à la fois de la glaucophane et de la jadéite, sont passées dans le domaine C du document 6b, présentant les domaines
de stabilité de quelques associations minérales, c’est-à-dire dans un
domaine où la pression est très élevée, et la température peu élevée
(par rapport aux autres domaines du graphique) : profondeur comprise
entre 25 et 50 km, températures de 150 à 400°C.
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
87
© Cned - Académie en ligne
Les traces de la collision
La fermeture de l’océan entraîne l’affrontement de deux lithosphères
continentales. Quels sont les indices révélant cet affrontement ?
Le document 5 indique la présence d’une croûte anormalement épaisse
(elle atteint 70 km).
Une coupe située vers le km 400 montre une couverture sédimentaire,
déformée, plissée reposant sur un socle métamorphisé, reposant luimême sur un socle non déformé : les deux socles sont séparés par une
surface, un contact anormal appelé chevauchement.
Cela signifie qu’il y a superposition de deux croûtes continentales, ce qui
explique l’épaisseur de 70 km.
Au cours de l’affrontement des deux lithosphères, la lithosphère indienne
s’est cassée et une partie a été charriée sur l’autre partie.
La formation et la superposition de ces écailles de croûte continentale sont
à l’origine du relief très marqué de la région.
Lorsqu’à la suite d’une disparition du plancher océanique, les continents
viennent en contact, il n’y a plus de différence de densité qui permette
à une des plaques de s’enfoncer sous l’autre. Les deux continents se
déforment alors. Il se produit des plis et des failles très inclinées appelées chevauchements. Le sens des chevauchements est influencé par
l’orientation de la subduction : les plans de chevauchement ont le même
sens d’inclinaison que le plan de subduction.
Par ailleurs, Sur les documents 4 et 5, on retrouve des ophiolites dont
certaines sont à glaucophane et jadéite et sont passées par une profondeur de plus de 25 km (document 6b). Leur présence en surface
atteste d’intenses déformations.
Les chevauchements de la carte et de la coupe sont orientés comme le
plan de la subduction qui a entraîné la disparition du domaine océanique. En outre, la lithosphère continentale indienne présente également cette inclinaison, comme si la lithosphère continentale suivait le
mouvement de la lithosphère océanique lors de la subduction.
Bilan
La migration de la plaque indienne vers le nord a fait disparaître un
domaine océanique. Des traces de ce domaine (documents 4 et 5 :
sédiments marins, ophiolites), des déformations (document 4 :
prisme d’accrétion) et transformations minérales (document 6 : métagabbro à glaucophane et jadéite) qui ont accompagné sa disparition
permettent actuellement de détecter cet océan disparu. Enfin, la collision continentale (documents 4 et 5) consécutive à la disparition
complète du domaine océanique a eu pour conséquence la formation
de la chaîne himalayenne.
88
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
Traces d’un ancien
domaine océanique
Documents 4 et 5
Ophiolites : ensemble de roches
magmatiques plus ou moins
métamorphisées qui sont des
fragments de croûte océanique et
du manteau supérieur
Traces de la fermeture
du domaine océanique par subduction
Documents 4
Documents
4 et 5
Documents 6
Sédiments
de prisme
Granites
de Métagabbros à glaus u b d u c t i o n , cophane et jadéite :
d’accrétion
témoins
du témoins du métamorma g ma t is m e phisme Haute Presde la plaque sion-Basse Tempéra-
Sédiments marins
chevauchante
ture affectant la plaque
plongeante
L’Himalaya : chaîne de montagnes de collision
Traces de la collision
Reliefs positifs importants : montagnes
(documents 4 et 5)
Déformations : plis, chevauchement
(documents 4 et 5)
Présence d’une racine crustale : épaississement crustal
(document 5)
Présence en surface d’ophiolites métamorphisées lors d’une subduction (documents 4, 5 et 6)
Exercice 6
Les arguments en faveur d’un modèle présentant l’évolution géodynamique d’une région
Un modèle de l’histoire géologique du nord de la Nouvelle-Calédonie propose six étapes figurées dans le document de référence. Ce modèle géodynamique montre que la partie Nord de la Nouvelle-Calédonie résulte
d’une subduction et d’une collision. Il s’agit de retrouver certains arguments qui ont permis d’établir ce modèle.
Les objets géologiques actuels de la partie Nord de la Nouvelle-Calédonie
Le document 7 présente une coupe schématique du Nord de la NouvelleCalédonie. Le sous-sol de la partie Nord montre des unités juxtaposées
et déformées : un pli et une faille, dans l’unité de Pouébo, des failles
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
89
© Cned - Académie en ligne
inverses dans les unités de Koumac et de Diahot et un charriage (chevauchement de grande amplitude), des ophiolites sur l’ensemble des
unités. Cette nappe ophiolitique s’est donc mise en place postérieurement aux unités qu’elle chevauche, c’est-à-dire les unités sédimentaires
de Koumac et Diahot et les unités magmatiques de Poya et Pouébo.
Toutes ces déformations sont de type compressif et sont dues à une
convergence.
Les terrains déformés contiennent des basaltes (Poya et Pouébo), des
roches sédimentaires (Pouébo et Koumac). Enfin, les terrains contiennent
des minéraux caractéristiques du métamorphisme.
Les ophiolites témoins de l’histoire océanique de la région
Le document 8 présente la lithologie des ophiolites de Nouvelle-Calédonie identique à celle d’une lithosphère océanique de référence. On
remarque une grande similitude entre les deux coupes. De bas en haut,
on trouve des péridotites, des gabbros, un complexe filonien (bien que
moins épais dans les ophiolites) et enfin, des basaltes en coussins et
des sédiments. On peut donc affirmer que les ophiolites de NouvelleCalédonie sont un fragment de lithosphère océanique.
Des minéraux, témoins d’une subduction
Le document 9 permet de déterminer les conditions de pression et de température qui ont entraîné la formation des minéraux du métamorphisme
qu’indique le document 7. Les grenats et les jadéites des basaltes et
des roches sédimentaires de l’unité de Pouebo ont été formés dans les
conditions thermodynamiques de la zone G du diagramme pression/
température, qui seule permet la stabilité de ces deux minéraux. Les
conditions thermodynamiques correspondent à une pression supérieure
à 0,8 GPa et une température comprise entre 200 et 550 degrés Celsius.
De même, les glaucophanes des unités de Koumac et Diahot ont été formées dans les zones D, E ou F, c’est-à-dire à une pression comprise entre
0,4 GPa et 1,5 GPa et une température comprise entre 100 et 500 degrés
Celsius. L’ensemble de ce métamorphisme, dû à une pression qui peut
être très élevée, est caractéristique d’une zone de subduction : il s’agit
d’un métamorphisme Haute pression -Basse température.
Il n’est pas donné d’indications sur les minéraux des basaltes et rares
gabbros de l’unité de Poya : cette unité pourrait être de la croûte épaissie
non entrée en subduction.
Bilan : L’adéquation du modèle proposé aux données documentaires
Le modèle proposé présente un domaine océanique qui subit une
convergence, ce qui se traduit par une subduction qui finit par se bloquer. Pour chaque unité de terrains, nous montrerons que les phénomènes schématisés sur le document de référence sont en adéquation
avec les données des documents.
90
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
La
future unité de Poya (A) est constituée de croûte océanique, ce qui
correspond au fait que l’on y trouve essentiellement des basaltes. Elle
n’est pas engagée dans la subduction, ce qui est en adéquation avec
le fait que dans le document 7, il ne soit pas fait mention de métamorphisme.
La
future unité du Diahot (B) consiste en des sédiments qui se déposent sur la croûte océanique. C’est ce qu’on observe dans le document
7. Cette unité présente des failles (- 40 MA) et est engagée dans la subduction (- 35 MA), dans des conditions thermodynamiques qui conduisent à la présence de glaucophane (documents 7 et 9).
La
future unité de Pouébo (C) est le prisme d’accrétion formé lors de la
subduction. Un prisme est formé de sédiments et de basaltes arrachés
à la plaque plongeante. C’est bien le contenu de la zone de Pouébo
décrit dans le document 7. Dans le modèle, cette unité est engagée
dans la subduction, encore plus profondément que la zone Diahot, ce
qui explique un métamorphisme plus intense, qui produit des grenats
et des jadéites (documents 7 et 9).
Il
y a - 35 MA, la subduction se bloque, mais les flèches des phases
suivantes indiquent que la convergence continue. Le chevauchement
de la lithosphère océanique (futures ophiolites document 8) sur les
autres unités se met alors en place. Sa grande amplitude (plus de
50 km) permet de parler de charriage. Les plis et les failles inverses du
document 7 ne sont pas visibles sur le modèle à ce stade. La remontée
des unités, représentée à partir de - 32 MA sur le modèle permet de
porter en surface les unités soumises au métamorphisme.
L’érosion
permet d’expliquer les différences entre le modèle à –30 MA
et la coupe schématique tracée d’après des observations actuelles du
document 7.
Corrigés des exercices – Séquence 2 – SN02
91
© Cned - Académie en ligne
Séquence 3
Sommaire
Correction des exercices du chapitre 1
Correction des activités du chapitre 2
Correction des exercices du chapitre 3
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
93
© Cned - Académie en ligne
C
Exercice 1
orrection des exercices
du chapitre 1
Au début du XXe siècle Alfred Wegener et la théorie de la dérive
des continents
Il s’agit de préciser des arguments sur lesquels s’est appuyé Wegener
pour élaborer le modèle de la Dérive des continents.
Les observations
Les côtes des continents peuvent
s’emboîter plus ou moins parfaitement. Ainsi, les côtes atlantiques de
Document 1
l’Europe et de l’Afrique sont complémentaires des côtes des continents
Position actuelle
américains. Si on prend en consides continents
dération, non pas le littoral, mais le
talus continental, cette observation
est encore plus pertinente.
Si on referme les océans, par exemple
l’océan atlantique, on constate que
Document 2
les structures des anciennes chaînes
La distribution
de montagne (de - 650 à - 450 Ma)
des anciens blocs
ainsi que les boucliers (anciens
continentaux
blocs continentaux de plus de 2 Ga)
se recollent parfaitement.
La distribution de divers fossiles,
animaux et végétaux, de plus de
200 Ma, montre que la faune et la
flore étaient semblables dans les
Document 3
différents continents avant - 240
Répartition mondiale Ma. Ainsi, les fossiles d’un reptile, le
de quelques espèces Mesosaurus (- 260 Ma) se retrouvent
animales et végétales au Brésil et en Afrique. Il en est de
fossiles
même pour les fossiles de fougères
Glossopteris qui existent en Amérique du sud, en Afrique, en Inde, en
Australie et en Antarctique.
Des marques de glaciations datant
de –250 Ma sont observables au
Document 4
niveau du sud de l’Afrique, en Inde,
Marques
au sud de l’Australie et en Antarcde glaciations
tique.
L’interprétation
qu’il en a donnée
Wegener a supposé que l’Europe et
l’Afrique étaient autrefois réunies
avec l’Amérique du nord et du sud.
Ces continents appartenaient à un
même continent qui se serait ensuite
disloqué.
Cette observation vient étayer son
hypothèse précédente. Elle lui permet de dire que la séparation a été
postérieure à –450 Ma).
Il pense que les animaux, vivant il y
a –240 Ma, n’ont pas pu traverser
les océans qui séparent les continents actuellement. Il considère que
l’Amérique du Sud, l’Afrique, l’Inde,
l’Australie et l’Antarctique ne constituaient qu’un même continent il y
a –240 Ma. La séparation a dû être
postérieure à –240 Ma.
Le continent unique auquel appartenaient l’Amérique du Sud, l’Afrique,
l’Inde, l’Australie et l’Antarctique
devait se trouver près d’un pôle il y
a –250 Ma. Les continents suite à la
séparation ont migré, ont « dérivé ».
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
95
© Cned - Académie en ligne
Wegener, en 1912, émet l’hypothèse qu’autrefois les continents étaient
réunis, et que la place qu’ils occupent actuellement résulte d’un déplacement latéral à la manière de radeaux.
Des arguments géographiques, (document 1), géologiques (document 2), paléontologiques (document 3) et paléoclimatiques (document 4) ont permis à Wegener d’élaborer cette hypothèse.
En raison de la méconnaissance de la nature et des propriétés du manteau, et de l’absence d’un « moteur » à l’origine du déplacement des
plaques, cette théorie ne fut pas acceptée.
Exercice 2
De la dérive des continents à la tectonique des plaques
Il s’agit de montrer comment la convergence des observations océano-
graphiques avec les mesures de flux thermique a permis à Hess d’avancer l’hypothèse d’une expansion océanique par accrétion de matériau
remontant à l’axe des dorsales, conséquence d’une convection profonde.
Les reliefs sous marins découverts au lendemain de la seconde guerre
mondiale montrent des dorsales océaniques à flux de chaleur élevé qui
ont une activité volcanique à l’origine de la formation de la croûte océanique, alors que les fosses océaniques présentent un flux plus faible.
Hess pense que le flux élevé s’explique par des mouvements ascendants de convection du manteau à l’origine du fonctionnement des
dorsales. Le plancher océanique sans arrêt créé par accrétion de matériau, se refroidit et sa profondeur s’abaisse en s’éloignant de la dorsale
jusqu’à la fosse : il serait entraîné par la surface d’une cellule de convection mantellique jusqu’à la fosse où il disparaît dans le manteau grâce à
un mouvement de convection descendant d’où le flux faible enregistré.
Certaines roches, telles que les basaltes, roches constitutives du plancher
océanique, « fossilisent » et gardent en « mémoire » la direction du champ
magnétique correspondant à l’époque de leur formation : on parle de paléomagnétisme. L’étude du champ magnétique dans différentes roches montre
qu’au cours du temps, il s’est inversé plusieurs fois au cours des temps
géologiques, pour des raisons encore mal connues. Des mesures du champ
magnétique terrestre au niveau des fonds océaniques, effectuées à l’aide de
magnétomètres traînés par des navires océanographiques, ont révélé l’existence d’anomalies magnétiques par rapport au champ actuel. Elles sont
positives, lorsque la direction du champ magnétique enregistré est la même
que la direction actuelle, et négatives, lorsque la direction est inverse. On
constate une symétrie de répartition des anomalies, disposées en bandes
de largeur variables et grossièrement parallèles, de part et d’autre des dorsales océaniques. Elles sont d’autant plus anciennes qu’elles sont éloignées
de la dorsale. Les anomalies magnétiques révèlent les mouvements de
divergence aux frontières de plaques que sont les dorsales.
F. Vines et D. Matthews proposent un modèle de formation du plancher océanique par une montée permanente de lave basaltique dans
l’axe des dorsales, les basaltes les plus anciens étant repoussés de part
et d’autre de la dorsale. Le phénomène étant continu à l’échelle des
96
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
temps géologiques, les basaltes mis en place au cours d’une période
normale du champ magnétique présentent une anomalie positive, car
la direction du champ magnétique fossilisé s’ajoute à celle du champ
actuel, et ceux qui se sont formés pendant une période inverse, une
anomalie négative.
Les anomalies magnétiques dues aux inversions du champ magnétique ont
permis de calculer la vitesse moyenne de divergence au niveau des dorsales : ainsi la dorsale Est-Pacifique est une dorsale rapide (10 à 16 cm.an1)
alors que la dorsale médio-atlantique est plus lente (2 à 3 cm.an-1).
Les caractéristiques des trois types de frontières de plaques.
Frontières divergentes :
zones où deux
plaques s’écartent. Au niveau
Géodynamique des dorsales se
forme la lithosphère océanique
Morphologie
Déformations
(tectonique)
Les dorsales sont
des reliefs océaniques
symétriques, dont la
crête axiale est
en général située
à 2500 mètres
sous le niveau
de la mer. Leurs
flancs descendent en pente
douce de part et
d’autre de cette
crête jusqu’aux
plaines
abyssales.
Frontières convergentes :
zones d’affrontement de deux plaques
zones de subduction zones
où la lithosphère océanique disparaît en plongeant (subductant) sous
une autre plaque.
Le fond océanique, voisin
de –4000m, des plaines
abyssales s’enfonce nettement dessinant une fosse
allongée, étroite et profonde pouvant dépasser
10000m.
Au-delà, la fosse est bordée
de reliefs plus ou moins
marqués et représentés :
zones de collision
zones d’affrontement de deux
lithosphères
continentales.
Les zones de
collision correspondent à
des chaînes de
montagnes aux
reliefs élevés,
atteignant parfois plusieurs
milliers de m.
Frontières coulissantes :
zones où il y a
coulissage entre
deux plaques
Des
fractures,
failles entraînent
des décalages
dans les reliefs
affectés
par
celles-ci.
soit
par une cordillère,
chaîne de montagnes
importante marquant le
bord d’un continent
soit par un chapelet d’îles
volcaniques isolées formant un arc.
Failles normales, Des plis, des failles
témoins
de
témoins d’une inverses,
tectonique
en l’existence de forces compressives au niveau de la
extension.
plaque chevauchante.
Des plis, des
failles inverses,
témoins
de
l’existence de
forces
compressives.
Des failles transformantes avec
déplacement en
sens
inverse,
témoins
de
coulissage des
lithosphères de
deux plaques.
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
97
© Cned - Académie en ligne
Séismicité
traduisant
l’existence de
contraintes
provoquant des
ruptures dans
la lithosphère
rigide.
L’activité
sismique
est
concentrée sur
20 km environ de
part et d’autre de
l’axe de la dorsale. Les foyers
sont superficiels.
Volcanisme
à
l’aplomb
des
dorsales : coulées de basaltes
en « oreillers »
(pillow-lavas).
Volcanisme
Les foyers des séismes sont
superficiels, intermédiaires
et profonds se répartissent
suivant un plan incliné
jusqu’à une profondeur
de 700 km dans certains
cas (les ¾ de l’énergie sismique globale sont dissipés dans ces zones).
Le volcanisme est localisé
dans des zones éloignées
de la fosse au niveau de la
plaque chevauchante. Il se
caractérise par des éruptions violentes.
Les foyers des Les foyers sissont
séismes sont miques
s u p e r f i c i e l s , superficiels.
intermédiaires
et profonds.
Pas de volca- Pas de
nisme spéci- nisme
fique.
fique.
volcaspéci-
Exercice 3
Des alignements volcaniques qui ne sont pas localisés à des frontières de plaques
Introduction :
Dans l’océan Pacifique, l’archipel de la Société constitue un alignement d’îles
volcaniques qui s’étend du Sud-Est au Nord-Ouest sur plus de 500 km, depuis
l’îlot de Mehetia jusqu’à l’atoll de Scilly. Il s’agit de montrer que les alignements volcaniques des îles de la Société, sont la trace du déplacement de la
plaque Pacifique au-dessus d’un point chaud fixe, situé dans le manteau.
Ce que l’on observe : les constats
alignement
Document 7
Les îles
de la Société.
Document 8
Datation
des formations
volcaniques
de ces îles, par
une méthode
de chronologie
absolue.
Interprétation
îlots
volcaniques À une extrémité de l’alignement de la chaîne
NW – SE.
des volcans, se trouve un volcan actif situé à
situé à l’ouest de la dorsale Est l’aplomb du point chaud, les autres éteints,
plus ou moins érodés, forment des îles volcaPacifique.
niques dont l’âge augmente quand on s’éloigne
volcanisme intra-plaque : les
du volcan en activité. Ces volcans proviennent
volcans ne sont pas situés à une
de l’activité d’un point chaud, région fixe du
frontière de plaques.
manteau profond à l’origine d’une remontée de
augmentation de l’âge des volmatériel chaud solide. Des magmas issus de la
cans du SE au NW : Mehetia est
fusion partielle de ce matériel à une centaine
le plus jeune et Maupiti le plus
de kilomètres de la surface perforent épisodiancien.
quement la lithosphère de la plaque mobile
à une extrémité de la chaîne se au-dessus de ce point chaud. Les alignements
trouve un volcan actif (Mehetia). de volcans éteints représentent donc, la direction du mouvement de la plaque au cours des
temps géologiques. Le sens du déplacement
de la plaque Pacifique = SE à NW
Calcul de la vitesse de déplacement de la
plaque Pacifique : la vitesse est comprise entre
12,07 cm.an-1 et 11,5 cm.an-1
Remarque :
Le point chaud en fonctionnement est actuellement situé au S-E de Mehetia.
98
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
Exercice 4
Le moteur de la subduction
La lithosphère océanique se forme au niveau des dorsales
Au cours de son éloignement de l’axe de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit par conduction et s’épaissit progressivement par sa
base (diminution de la température du manteau asthénosphérique
supérieur de même nature chimique que le manteau lithosphérique :
ce dernier s’épaissit donc aux dépends de l’asthénosphère). Dès 30
millions d’années sa densité est supérieure à celle de l’asthénosphère
sous-jacente et son plongement au sein de l’asthénosphère devient
inexorable. Ce dernier peut être retardé de plusieurs dizaines de millions d’années en raison de la résistance mécanique à l’enfoncement
qu’exerce l’asthénosphère solide mais visqueuse. L’âge de la lithosphère océanique en surface n’excède pas 200 Ma.
Au cours de la subduction, la transformation en éclogites des roches
de la croûte océanique augmente la masse volumique moyenne de la
lithosphère. La force de traction exercée par la masse de la lithosphère
en subduction constitue un des moteurs de la tectonique des plaques.
Exercice 5
Modèle de la structure de la Terre et de la dynamique de la lithosphère
Croûte continentale
DIVERGENCE
Dorsale
Inde
SC
SC
5100 km
2900 km
DIVERGENCE
Dorsale
Noyau
externe
Japon
SO
Noyau
interne
Croûte océanique
Manteau lithosphérique
CONVERGENCE
Subduction
Afrique
CONVERGENCE
Collision
Tibet
Moho
Discontinuité
de Lehman
Océan
Atlantique
Océan
Pacifique
Amérique du Sud
SC
SO
CONVERGENCE
Subduction
Exercice 6
Discontinuité
de Gutenberg
DIVERGENCE
Dorsale
Manteau
SC Subduction continentale
SO Subduction océanique
Volcan de point chaud
Volcan de subduction
Magmatisme de
subduction
Magmatisme de dorsale
Magmatisme de
point chaud
Zone de fusion partielle
du manteau
Les séismes, manifestations de la libération de l’énergie interne
de la Terre
Les répartitions mondiales des séismes et du volcanisme se super-
posent et permettent de repérer de vastes zones, peu ou pas actives,
les plaques lithosphériques, qui sont limitées par des zones géolo-
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
99
© Cned - Académie en ligne
giquement actives, les frontières de plaques. Des séismes dont les
profondeurs des foyers sont superficielles, caractérisent les frontières
de plaques en divergence (dorsales), et les frontières de plaques en
coulissage (failles transformantes telles que celles qui découpent les
dorsales). Les frontières de plaques en convergence sont, quand à
elles, caractérisées par des séismes dont les foyers sont superficiels
à profonds.
Un contexte de subduction
Les vecteurs GPS montent que la plaque Pacifique et la plaque Eurasie
convergent. La présence d’une fosse océanique montre qu’il s’agit d’un
contexte de subduction.
Ceci est vérifié si l’on tient compte des foyers des séismes que l’on enregistre dans cette région :
Localisation de la coupe
Coupe réalisée dans la région de Sendai
Plaque Eurasie
Sendai Fosse océanique
Foyer : 30 km
de profondeur
Plan de Wadati Benioff
100
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
Plaque pacifique
Un séisme et ses conséquences
compartiment 1
compartiment 2
Foyer
Epicentre
Faille
Ondes
sismiques
Déplacement
des deux
compartiments
Rupture brutale =
libération d'énergie
Ondes
sismiques
Chaleur
Mouvements des plaques =
DIVERGENCE
Succession des événements en mars 2011 dans la région de Sendai au Japon
Convergence
Subduction de la plaque
Pacifique sous la plaque Eurasie
Contrainte
Rupture à 30 km de profondeur au niveau
de la plaque Pacifique = Foyer du séisme
Libération d’une grande quantité d’énergie
Magnitude 9
Chevauchement (mouvement inverse)
Ondes sismiques
au niveau de la plaque en subduction
Modification de la topographie
au niveau de la plaque
À Sendai, dégâts modérés à lourds
même sur des structures résistantes
Tsunami à Sendai
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
101
© Cned - Académie en ligne
La réponse n’est pas rédigée.
Introduction :
La surface de la Terre est façonnée en permanence par le mouvement des
plaques lithosphériques. Il s’agit de montrer que les séismes correspondent à des libérations d’énergie liées à la dynamique de ces plaques.
1. Les frontières de plaques sièges d’une intense activité sismique.
Voir réponse à la question 1
2. Les séismes, des libérations d’énergie liées à une mobilité des plaques.
a) Le séisme de Sendai, un exemple de relation entre séisme et dynamique des plaques.
voir réponse à la question 4
b) Une libération d’énergie en relation avec des contraintes imposées
par le mouvement des plaques.
Voir réponse question 3
Et Document 13 : l’énergie rayonnée à partir du foyer est évaluée par la
valeur de la magnitude : plus cette dernière est élevée plus le séisme a
libéré de l’énergie (comparaison de l’énergie libérée par le séisme de
Sendai avec l’énergie libérée par d’autres séismes).
Conclusion :
Les mouvements des plaques sont à l’origine de contraintes qui s’exercent sur les roches de la lithosphère situées à leurs frontières, ce qui provoque à un moment donné leur rupture brutale, entraînant un séisme,
c’est-à-dire une libération d’énergie qui se dissipe sous forme de mouvements, d’ondes sismiques et de chaleur.
Exercice 7
La place des énergies renouvelables dans les modes de production d’énergie
Il s’agit de montrer qu’utiliser l’énergie de la biomasse, des vents,
des courants marins, des barrages hydroélectriques, revient à utiliser
indirectement de l’énergie solaire.
La lumière solaire permet, dans les parties chlorophylliennes des végétaux, la synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux
et de dioxyde de carbone : c’est la photosynthèse qui n’utilise qu’1 % de
l’énergie solaire.
Ce processus permet, à l’échelle de la planète, l’entrée de matière minérale et d’énergie dans la biosphère. La présence de traces de restes organiques dans les combustibles fossiles (charbons, pétrole) montre qu’ils
sont issus d’une biomasse. Ainsi, brûler un combustible fossile, c’est en
réalité utiliser une énergie solaire du passé. Cette ressource est présente
en quantité limitée et non renouvelable.
Le reste chauffe l’air (par l’intermédiaire du sol) et l’eau (ce qui est à
l’origine des vents et courants) et évapore l’eau (ce qui permet le cycle
de l’eau).
102
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
Utiliser l’énergie des vents (éoliennes), des courants marins (Hydroliennes), des barrages hydroélectriques, revient à utiliser indirectement
de l’énergie solaire. Ces ressources énergétiques elles sont rapidement
renouvelables.
Les deux sources d’énergie qui sont à l’origine des énergies renouve-
lables sont le Soleil et la Terre.
Les énergies renouvelables en relation avec le Soleil :
les
panneaux photovoltaïques,
les éoliennes,
les hydroliennes,
les barrages hydroélectriques,
l’utilisation de la biomasse grâce à la chaleur dégagée par la combustion de ces matières (bois, végétaux, déchets agricoles, ordures
ménagères organiques) ou du biogaz issu de la fermentation de ces
matières.
Les énergies renouvelables en relation avec la Terre :
la
géothermie.
Part des différentes sources d’énergie dans la production d’électricité
en France en 2009
Nucléaire
Énergie renouvelable :
hydraulique
Autres dont géothermie
Thermique à flammes
Part des différentes sources d’énergie dans la production d’électricité
dans le monde en 2009
Nucléaire
Énergie renouvelable :
hydraulique
Autres dont géothermie
Thermique à flammes
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
103
© Cned - Académie en ligne
Part des différentes sources d’énergie renouvelable dans la production
d’électricité en France en 2008.
L’épaisseur de ce trait
représente la part de
la géothermie
L’épaisseur de ce trait
représente la part de
l’énergie solaire
Hydraulique
Éolien
Énergie marine
Biomasse
Part des différentes sources d’énergie renouvelable dans la production
d’électricité dans le monde en 2009
L’épaisseur de ce trait
représente la part des
énergies marines
Solaire
Hydraulique
Éolien
Biomasse
Géothermie
Si l’on compare la part des différentes sources d’énergie en France et
dans le monde, on remarque qu’actuellement en France, la majeure
partie de l’énergie est produite par le nucléaire. Alors que mondialement, c’est l’énergie thermique issue de la combustion du charbon et
du pétrole qui prédomine.
Par contre, si l’on compare la part des différentes sources d’énergie
renouvelable en France et dans le monde, on constate qu’il n’y a pas
de différences significatives, à part peut-être, une utilisation plus
faible des énergies solaires et géothermiques en France.
Il faut de plus noter que la production mondiale d’électricité en 2009 a
représenté un total de 19958 TWh dont la majeure partie est issue du
thermique à flamme essentiellement du fait du développement industriel
de pays tels que la Chine qui dispose de grandes réserves de charbon.
Les autres énergies renouvelables, dans lesquelles se trouve l’éolien,
représentent une faible partie de la production d’électricité. Si l’éolien
n’occupe que la 3e place, elle est avec le solaire l’énergie qui a le plus progressé ces 10 dernières années aussi bien dans le monde qu’en France.
104
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
C
orrection des activités
du chapitre 2
A. Pour débuter
Document 1
Modèle présentant les mouvements relatifs
des principales
plaques lithosphériques
Document 2
Le Flux géothermique en mW.m-2
à l’échelle du
globe
Document 3
La Terre produit de la chaleur qui est Établir ainsi un lien entre cette énergie
évacuée de façon inégale en surface
interne et des phénomènes, en relation
avec la tectonique des plaques, observables au niveau de la lithosphère.
La lithosphère terrestre est découpée
en plaques lithosphériques mobiles
les unes par rapport aux autres. Les
plaques divergent au niveau des dorsales, convergent dans les zones de
subduction et de collision et coulissent
le long des failles transformantes. Un
volcanisme intraplaque (Hawaï…) ou
associé à celui de dorsales (Islande,
Açores…) correspond au fonctionnement de points chauds.
Un flux de chaleur continu au travers de
la croûte correspond à une diffusion de
la chaleur interne de la Terre. Ce flux géothermique est très inégalement réparti
à la surface du globe. Il est faible audessus des masses continentales, plus
élevé au niveau des planchers océaniques. Il est particulièrement important
au niveau des dorsales, où il dépasse
200 mW.m-2, et diminue ensuite de part
et d’autre de ces dernières.
L’Islande présente de très nombreuses Le volcanisme est à mettre en relation
sources chaudes liées à son activité avec la situation de l’île au niveau
volcanique ce qui lui permet d’utiliser d’une dorsale émergée et d’un point
de l’énergie géothermique. Ce volca- chaud(document 1).
nisme comme le montre le document 2
est associé à un fort flux géothermique.
L’Islande, une île
dont plus de 70 %
de la consommation d’énergie
proviennent de
ses ressources
énergétiques
hydroélectriques
et géothermiques
Document 4
La région de Bouillante présente un
volcanisme associé à de nombreuses
L’exploitation
sources chaudes. L’eau circulant dans
géothermique
de Bouillante en les fractures des roches atteint une
température élevée de 250°C.
Guadeloupe
La Guadeloupe est située au niveau
d’une zone de subduction (document 1) ce qui explique le volcanisme
observé.
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
105
© Cned - Académie en ligne
Bilan :
Un flux de chaleur réparti de façon inégale traverse la lithosphère terrestre. Un flux élevé, mis en relation avec le magmatisme observable au
niveau des frontières de plaques (dorsales, subduction) et des points
chauds suggère l’existence d’une chaleur interne à l’origine de la tectonique des plaques. Comment cette chaleur produite par la Terre peut-elle
être à l’origine des mouvements des plaques ?
Une introduction présentant le sujet
Il s’agit de montrer qu’une exploitation géothermique dépend à la fois
de l’énergie solaire et de l’énergie thermique de la Terre.
Des informations retirées des documents en relation avec le sujet
Les documents 3 et 4 font référence à l’existence de sources d’eau chaudes.
De plus, le document 4 montre que l’eau qui circule dans les failles et les
fractures qui affectent les roches est de l’eau de mer et de l’eau de pluie,
ces dernières se réchauffant au contact des roches chaudes.
Des connaissances acquises antérieurement (ici collège et seconde).
L’énergie solaire est le moteur du cycle de l’eau en activant et maintenant constamment les masses d’eau en mouvement : l’échange d’eau
est permanent entre les quatre grands réservoirs d’eau de l’hydrosphère (mers, océans), des eaux continentales superficielles et souterraines, de l’atmosphère et de la biosphère.
Une conclusion faisant référence aux documents.
La circulation d’eau dans les fractures (document 4) dépend par
conséquent de l’énergie solaire alors que le réchauffement de cette
eau (documents 3 et 4) est à mettre en relation avec la dissipation de
chaleur interne de la Terre. La géothermie est une source d’énergie
dépendant à la fois de l’énergie du Soleil et de l’énergie de la Terre.
B. Cours
Activité 1
Mettre en relation les variations du flux géothermique en surface avec
celles du gradient géothermique en profondeur
Le document 2 montre le flux géothermique à l’échelle du globe. Il s’agit
d’une représentation où une moyenne des variations de flux plus précises
a été effectuée pour une région donnée : la France est ainsi située dans
une zone où le flux géothermique varie entre 50 et 100 mW.m-2.
Le document 5 permet de constater qu’en fait il existe en France des
zones où le flux varie dans des limites différentes : certaines comme
par exemple, une partie du Massif Armoricain à l’Ouest, présentent
un flux inférieur à 60 mW.m-2, d’autres, comme une partie du massif
Central, un flux compris entre 60 et 100 mW.m-2 et enfin des zones
où le flux est supérieur à 100 mW.m-2 comme dans l’Est de la France.
L’isotherme 1300°C marque la limite lithosphère-asthénosphère : il
sépare un domaine rigide (lithosphère) d’un domaine moins visqueux
mais non fondu (asthénosphère), le tout à composition chimique
constante (péridotite). Il s’agit donc d’une limite thermique. Le man-
106
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
teau lithosphérique et le manteau asthénosphérique constituant le
manteau supérieur. Sa profondeur dépend du contexte géodynamique.
Au niveau des dorsales, le flux de chaleur est important, l’isotherme
1300°C qui marque la frontière entre le manteau lithosphérique et l’asthénosphère est peu profond, le manteau lithosphérique est très peu
épais. En s’éloignant de la dorsale, la lithosphère se refroidit, la profondeur de l’isotherme 1300°C augmente donc, ce qui entraîne un épaississement du manteau lithosphérique au dépend de l’asthénosphère : l’isotherme 1300 °C, situé à quelque km de profondeur au départ s’abaisse
pour atteindre environ 100 km de profondeur peu avant la subduction.
Au niveau de la lithosphère continentale, sa profondeur va dépendre
de l’épaisseur de la croûte continentale : elle sera plus faible sous
les fossés d’effondrement (rifts) et plus importante sous les chaînes
de montagnes où elle peut atteindre 200 km.
Le géotherme visualisant la structure thermique de la Terre et les dif-
férentes enveloppes
1000
2000
100
4000
5000
Asthénosphère
670 km
Profondeur (Km)
3000
Lithosphère
Température (° K)
0
Manteau inférieur
2000
couche D''
2900 km
Noyau externe
4000
5150 km
Noyau interne
6000
Le gradient thermique mesuré au niveau de la lithosphère varie en
fonction du contexte géodynamique.
Estimation des différentes valeurs des gradients mesurés au niveau
de la lithosphère :
Les chiffres fournis ne sont qu’une estimation effectuée à partir du
graphique en calculant le gradient à partir d’un relevé de température
correspondant à une profondeur de 40 km.
1. Subduction au niveau de
la plaque chevauchante
2. Continents
3. Océanique
4. Dorsale
5. Point Chaud
11°C.km-1
14°C.km-1
22,5°C.km-1
À l’aplomb d’une dorsale la chambre magmatique est localisée à environ 2 km de profondeur, le géotherme est alors très élevé autour de
160°C.km-1 dans la croûte en formation
30°C.km-1
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
107
© Cned - Académie en ligne
Il est plus élevé dans les zones correspondant à une dorsale ou un point
chaud et plus faible dans les zones de subduction. Il est donc de l’ordre
de 10 à 30°C.km-1 alors que le gradient thermique dans le manteau est
plus faible de l’ordre de 0,3°C par kilomètre.
Activité 2
Montrer que le flux et le gradient géothermique varient selon le
contexte géodynamique
Ne pas oublier dans ce type de travail de faire référence aux docu-
ments utilisés.
Les différents contextes géodynamiques présentés dans le document 8 et leurs caractéristiques.
Contexte
géodynamique
Flux thermique
(Documents
2 et 8)
Marge active :
Subduction
Fosse
Plaque
chevauchante
Plaines
abyssales
Gradient
géothermique
(document 6b)
11°C.km-1
Morphologie
(document 8)
Fosse
océanique
Arc insulaire ou
chaîne de
montagnes
20 mW.m-2
Plus de 110
mW.m-2
Magmatisme
(connaissances,
document 1)
Frontières de
plaques et
mouvements
associés
(document 1)
Volcanisme au niveau de Frontières de
la plaque chevauchante plaques en
et formation de plutons convergence
en profondeur
60 mW.m-2
22,5°C.km-1
Absent
Plus de 250
mW.m-2
35°C.km-1
120 mW.m-2
30°C.km-1
Magmatisme au niveau Frontières de
de l’axe des dorsales à plaques en
l’origine de la création divergence
de la croûte océanique
(basaltes et gabbros)
associée aux péridotites
mantelliques résiduelles
(partie qui n’a pas fondue dans la zone de
fusion partielle)
Volcanisme intraplaque
(document 8) ou associé
aux dorsales (document 1)
Dorsales
Point Chaud
Au niveau des dorsales la croûte océanique qui vient de se former est
fracturée. Elle est le siège d’une importante circulation d’eau de mer. Les
gabbros (GA) qui viennent de se former sont encore à une température
comprise entre 600 et 900°C. L’hydrothermalisme est à l’origine d’une
diminution de température et d’une hydratation de ces derniers, car il
entraîne une déstabilisation de leurs minéraux : Pyroxène + Feldspath plagioclase --> Amphibole (Hornblende) qui est un minéral hydraté contenue
dans les gabbros (GB).
108
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
Un aquifère est une formation géologique contenant de façon temporaire
ou permanente de l’eau mobilisable, constituée de roches perméables et
capable de la restituer naturellement et/ou par exploitation.
Relations existant entre le contexte géodynamique le flux géother-
mique, le gradient géothermique et la possibilité d’exploitation géothermique.
Contexte
géodynamique
Flux géothermique
(documents 10 et 11 et
(documents 2 et 8)
bien sûr le document 1)
Subduction : magma- Jusqu’à 110 mW.m-2
tisme au niveau de la
plaque chevauchante
Gradient géothermique
(documents 6b et 11)
(°C.km-1)
100 à 500 dans les
zones proches des
chambres
magmatiques
Autres
exploitations
aux Philippines et au
Japon.
Exploitation de Larderello en Toscane (Italie) : fluides constitués
de vapeur et de gaz
dont la température
varie entre 150°C et
260°C
Exploitation en Islande
(dorsale
Atlantique
émergée) et développée en Californie
(2817MW)en relation
avec la dorsale Est
Pacifique.
Collision (Document 10) Variable tout dépend
de la zone considérée :
plus de 1000 mW.m-2 à
Larderello
Magmatisme
de Dorsales
Magmatisme
de Points chauds
Dans le domaine
continental intraplaque
Fossé d’effondrement
(Document 2, Rift est
africain et document 5
Fossé Rhénan)
Bassins sédimentaires
(Document 5, Bassin
Parisien, Bassin Aquitain)
Plus de 250 mW.m-2
120 mW.m-2
Flux >100 mW.m-2
Exploitation géothermique possible
(documents 9, 10 et
11)
Exploitation
de
Bouillante en Guadeloupe (15MW) : fluides
dont la température est
>150°C
Si on considère l’évolution de la température en fonction de la
profondeur aux abords
proches d’une dorsale,
le gradient estimé
est alors très élevé
puisque la chambre
magmatique est située
à environ deux km de
profondeur
30
Exploitation à Hawaï
(25MW), mais aussi en
Islande
30 à 100
Le flux est variable : 10 à 30
compris entre 60 et
100 ou > 100 mW.m-2
Exploitation possible
Exploitation en France
(337MW) et aux USA
(1874MW)
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
109
© Cned - Académie en ligne
Les exploitations géothermiques sont possibles dans les régions où le
flux et le gradient géothermique sont importants (au niveau de zones
de dorsales, subductions et points chauds), mais aussi au niveau de
régions où le flux et le gradient sont moindres, tels que des bassins sédimentaires présentant des aquifères étendus, c’est-à-dire des quantités
d’eau importantes susceptibles d’être renouvelées (cycle de l’eau) et
réchauffées par les roches dans lesquelles elles circulent.
Activité 3
Préciser la source principale de chaleur interne
Il s’agit d’expliquer les différences d’énergie libérée par les enve-
loppes terrestres.
Les roches constituant la croûte et le manteau terrestre (document 12)
renferment des éléments chimiques dont certains isotopes radioactifs se
désintègrent avec le temps. Mais, du fait des différences de composition,
les roches et donc les différentes enveloppes terrestres ne contribuent
pas de manière équivalente à la libération de chaleur par radioactivité.
En sachant qu’un granite, constituant de la croûte continentale, a un
potentiel énergétique 150 fois supérieur à celui des péridotites du manteau, on pourrait penser que c’est la croûte continentale qui va libérer le
plus d’énergie sous forme de chaleur. Les données fournies par le document 14, qui prennent en compte, non seulement la composition des différentes roches des enveloppes terrestres, mais aussi le volume de ces
dernières, permettent de préciser que c’est le manteau qui est à l’origine
de la libération de chaleur due à la radioactivité la plus importante (20TW).
Une observation permettant de visualiser la radioactivité dans une
granodiorite observée au microscope.
Mica noir
ou biotite
Auréole noire due
à la désintégration
radioactive de U et Th
Zircon
La chaleur interne de la Terre a pour origine :
la
chaleur initiale correspondant à la libération, par suite du refroidissement des matériaux profonds, de l’énergie accumulée lors de la formation de la Terre ;
la
chaleur de différenciation libérée lors de la cristallisation du noyau
solide aux dépends du noyau liquide ;
et
110
© Cned - Académie en ligne
surtout la chaleur liée à la désintégration de certains isotopes
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
radioactifs contenus dans les roches des différentes enveloppes terrestres (environ 27TW sur 43 à 44 TW correspondant à la puissance
totale libérée en surface).
Activité 4
Rechercher une relation entre l’existence de zones chaudes et de
zones froides à l’intérieur du manteau et la géodynamique de surface
Le document 15a présente la carte des anomalies de vitesse de pro-
pagation des ondes sismiques à 100 km de profondeur.
Le manteau terrestre est constitué de roches de type péridotites et
s’étend de la base de la croûte, dont l’épaisseur varie entre 0 et moins
de 10 km pour la croûte océanique et entre 10 et 80 km pour la croûte
continentale, jusqu’à la limite noyau-manteau située à 2 900 km de profondeur.
Par conséquent, la profondeur de 100 km correspond dans le manteau
soit à du manteau lithosphérique soit à du manteau asthénosphérique ;
tout dépend de la zone terrestre considérée. Ainsi près des dorsales,
le manteau lithosphérique étant peu épais, une profondeur de 100 km
correspondra à de l’asthénosphère. Lorsque la lithosphère s’éloigne
de l’axe de la dorsale, du fait de son refroidissement, elle s’épaissit
par le bas, c’est à dire que l’épaisseur de croûte océanique restant la
même, c’est l’épaisseur du manteau lithosphérique qui augmente : à un
moment donné 100 km correspondra au bas du manteau lithosphérique
ou à la limite lithosphère –asthénosphère.
Si on prend en compte le document 15b, et au vu de son épaisseur
totale, on peut donc considérer que la profondeur de 100 km correspond
au sommet du manteau.
Dans la couche située au sommet du manteau, le modèle tomographique montre une forte corrélation entre la position des hétérogénéités de vitesse et la géologie de surface. Sachant que les anomalies de
vitesse sismique sont associées à des variations de température des
roches (les anomalies positives correspondent à des zones plus froides
et plus denses et les anomalies négatives correspondent à des zones
plus chaudes et moins denses), on peut dire qu’au sommet du manteau,
il existe des zones plus chaudes que l’on peut mettre en relation avec les
frontières de plaques (dorsales, plaques chevauchantes des zones de
subduction et certaines parties des zones de collision) et des zones plus
froides localisées au niveau des vieux continents (Amérique du Nord et
du Sud, Antarctique, Afrique, Nord de l’Eurasie et Australie).
À 2850 km de profondeur, à la base du manteau, la tomographie sis-
mique du document 15 b, permet de repérer que la structure thermique est dominée par deux larges anomalies de vitesses lentes correspondant à des zones plus chaudes situées essentiellement sous
l’Afrique et le Pacifique, bordées par des anomalies de vitesses plus
rapides où le manteau est plus froid.
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
111
© Cned - Académie en ligne
On peut se demander s’il existe ou non un lien entre les zones chaudes
et froides superficielles et les zones chaudes et froides situées à
2850 km de profondeur. Les matériaux mantelliques plus chauds du
sommet du manteau remontent-ils des profondeurs ? Les matériaux
plus froids situés à la base du manteau proviennent-ils de la surface ?
Le document 16 présente une coupe effectuée grâce à la tomographie
sismique du sommet du manteau à sa base de la dorsale Est Pacifique à l’Amérique du Sud.
On retrouve bien en surface comme dans le document 15a, une zone
où le manteau est plus chaud au niveau de la dorsale Est Pacifique, et
une zone localisée sous le continent Nord Américain, où le manteau
est plus froid . De même, à 2850 km de profondeur, on peut remarquer
l’existence d’une zone plus chaude située à l’aplomb du Pacifique et
d’une zone plus froide correspondant au continent Sud Américain.
Mais l’intérêt de ce profil réside surtout dans le fait qu’il est possible
d’observer l’enfoncement de la lithosphère océanique (plaque Nazca)
plus froide jusqu’au bas du manteau : une colonne de matière plus
froide relie les parties haute et basse du manteau. Par contre, il ne
semble pas y avoir de lien entre les zones chaudes localisées au sommet et au bas du manteau.
Des matériaux plus froids plongent au cours des subductions des
zones superficielles vers les zones profondes et atteignent la limite
manteau-noyau : des mouvements de matière affectent le manteau.
Activité 5
Préciser les mécanismes qui permettent les transferts de chaleur
à l’intérieur du manteau
Si un corps déformable est refroidi par le bas et chauffé par le haut,
les zones denses seront en bas, les régions peu denses en haut : la
situation est stable, ce qui n’engendrera aucun mouvement.
Un modèle analogique de la convection thermique
Zone froide (glaçons)
qui absorbe la chaleur
Couche limite thermique supérieure
Couches où s'effectuent les
échanges thermiques par
conduction entre les cellules
de convection et les sources
(de froid ou de chaud)
Eau
Paroi isolante
Couche limite thermique inférieure
Montée de
Conduction
matière chaude
Plaque chauffante
(40°C)
qui fournit la chaleur
112
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
o
I
Descente
de matière
froide
Cellule de
convection
Une des différences principales réside dans le fait que l’eau utilisée dans
le modèle est liquide alors que le manteau est solide.
Autre différence : on ne chauffe pas le liquide dans sa masse.
L’activité 3 a permis de mettre en évidence que le manteau libère une
grande quantité de chaleur à cause de la désintégration radioactive
de certains éléments qui constituent ses roches : il existe donc une
chaleur émise en interne c’est-à-dire un chauffage interne.
L’activité 4 montre qu’il existe au moins une relation entre le sommet du
manteau et sa base : de la matière froide correspondant à la lithosphère
océanique âgée plus dense plonge au niveau des zones de subduction
et rejoint parfois le manteau profond. Par contre le manteau plus chaud
situé à l’aplomb des dorsales ne semblent pas enraciné en profondeur.
Dans l’activité 5, le document 18 présente un modèle analogique de
point chaud où l’on réchauffe ponctuellement par le bas un liquide
froid. On peut observer la remontée active d’un panache dont la
« tête » est plus large que le « pied ».
La possibilité 3 prend en compte l’ensemble de ces données.
Les conditions :
le manteau est un corps déformable, il est refroidi par le haut (lithosphère), un petit peu chauffé par le bas (chaleur émise par le noyau) et
sa radioactivité permet un chauffage interne.
Les mouvements
possibles :
La matière froide descend de façon active (subductions) compensée
par des remontées surtout passives (dorsales). Il peut y avoir un peu
de remontées actives (points chauds).
Activité 6
Montrer qu’un modèle scientifique est une construction hypothétique et modifiable, dépendant de l’évolution des connaissances
et des techniques
L’évolution des idées ayant permis de faire évoluer le modèle du fonc-
tionnement de la Terre de Holmes à nos jours.
Les différents modèles
L’évolution des idées
Document 19 :
Le modèle proposé
par Holmes en 1931
Des mouvements de convection du manteau permettraient d’évacuer la chaleur interne due aux
désintégrations radioactives et seraient ainsi le
moteur de la « Dérive des continents ». Il n’établie pas de lien avec les dorsales.
Document 20 :
Le modèle proposé
par Hess en 1960
Il établie une relation entre les observations
effectuées au niveau des fonds océaniques et
des mouvements dans le manteau. Les dorsales
seraient les branches ascendantes de cellules de
convection et les fosses océaniques les témoins
des branches descendantes.
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
113
© Cned - Académie en ligne
Document 21 : Le modèle actuel.
La coupe selon la ligne Est-Ouest atteint une profondeur de 900 km.
Profil tomographique du
Pacifique à l’Afrique
Profil tomographique
au niveau du point chaud
d’Hawaï
Les dorsales (Est Pacifique et Atlantique) ne
se « voient » qu’en surface et ne s’enracinent
pas, alors que les subductions (plaque Nazca
plongeant sous la plaque Sud Américaine) se
« voient » très profond dans le manteau.
La zone observable près de la surface et jusqu’à
2900 km de profondeur, représentant une anomalie négative sous Hawaï, correspond à du
matériel chaud. Il s’agit de manteau chaud
remontant de 2900 km de profondeur jusqu’à la
base de la lithosphère océanique, sous la forme
d’un panache.
La lithosphère océanique plus dense que l’asthénosphère sous-jacente s’enfonce spontanément
dans le manteau au niveau des subductions.
Cette descente spontanée met les plaques en
mouvement et organise la convection mantellique.
Bilan
Les plaques lithosphériques au niveau des zones
de subduction constitueraient les branches descendantes froides de cellules de convection
(document 21 a).
Les branches ascendantes pourraient être représentées par l’ascension de panaches mantelliques sous les points chauds (document 21 b).
Les dorsales (document 21 a) correspondent
uniquement à des épanchements passifs superficiels de matière dans un espace laissé libre par
la divergence.
La tomographie sismique est une technique qui mesure les variations
de la vitesse des ondes sismiques.
Elle indique les anomalies de vitesse de propagation des ondes sismiques à une profondeur donnée. Quand les matériaux traversés sont
froids et rigides, les anomalies sont positives. Quand les matériaux traversés sont chauds et ductiles, les anomalies sont négatives.
Les nouveautés des modèles actuels sont principalement déduites des
données de tomographie sismique qui interprètent les différences de
vitesse de propagation des ondes sismiques dans le manteau par des
différences de température. Ce type de technique peut mettre en évi-
114
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
dence l’origine profonde du matériel chaud mantellique qui remonte au
niveau des points chauds, mais aussi les descentes de matériel froid au
niveau des zones de subduction.
Un modèle du fonctionnement global de la Terre
Croûte continentale
DIVERGENCE
Dorsale
Inde
CONVERGENCE
Collision
Tibet
Croûte océanique
Manteau lithosphérique
Manteau
Japon
DIVERGENCE
Dorsale
Noyau
externe
Noyau
interne
CONVERGENCE
Subduction
Afrique
Mouvements de
la lithosphère
Mouvement de
l’asthénosphère
Mouvement ascendant
du point chaud
Radioactivité
Volcan de point chaud
Océan
Atlantique
Océan
Pacifique
Amérique du Sud
CONVERGENCE
Subduction
Activité 7
DIVERGENCE
Dorsale
Volcan de subduction
Magmatisme de
subduction
Magmatisme de dorsale
Magmatisme de
point chaud
Zone de fusion partielle
du manteau
Préciser les conditions permettant actuellement une exploitation
de l’énergie géothermique
L’exploitation de l’énergie géothermique nécessite :
une
source de chaleur de grande capacité ;
une
roche poreuse ou fracturée perméable servant de réservoir
aquifère ;
une
situation permettant l’approvisionnement en eau de la nappe ;
une
couverture de roches de faible perméabilité empêchant la diffusion de l’eau chaude.
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
115
© Cned - Académie en ligne
Les différents types de géothermie en France
Type de géothermie
Caractéristiques du
réservoir
Utilisations
Exemples
Très basse
énergie
Eau ou air à très
basses températures
(moins de 35°C) et
localisées à faible
profondeur (moins
de 100m)
Chauffage et
rafraîchissement de
locaux, avec pompe
à chaleur
Basse énergie
30°C < Température <
150°C
Bassin de Paris
Chauffage urbain,
utilisations industrielles, thermalisme,
balnéothérapie
Moyenne et
Haute énergie
180°C < Température
< 350°C
Production
d’électricité
Géothermie
profonde
Roches chaudes
Au stade de la
sèches à plus de 3
recherche, pour
000 m de profondeur l’électricité ou le
chauffage
Contexte
géologique
(document 23)
Bouillante en
Guadeloupe
(document 4)
Soultz-sousForêts en Alsace
Le projet de Soultz-sous-Forêts
Faire de la géothermie profonde présente un intérêt, car la tempéra-
ture terrestre augmente avec la profondeur, c’est le gradient géothermique. La Terre libère de la chaleur : le flux thermique a pour origine
principale la désintégration des substances radioactives contenues
dans les roches des enveloppes terrestres. Gradient et flux varient
selon le contexte géodynamique.
Le document 25b montre la répartition des températures en Europe
à –5000 m de profondeur. Cette dernière montre que certaines
régions françaises présentent des températures élevées à 5 km de
profondeur : l’Alsace (>200°C), le Massif Central (>200°C), le Fossé
Rhodanien (>180°C), le Bassin Aquitain (>160°C) et le Bassin Parisien
(140°C-160°C).
Soultz est situé en Alsace dans une zone où le gradient géothermique
est plus important (document 25b) : la température est supérieure à
200°C à 5 km de profondeur.
En France, on pourrait également exploiter les sites correspondant aux
régions précédemment nommées.
Le document 25a présente le contexte géologique du projet de géo-
thermie profonde de Soultz. Soultz est situé dans le Fossé Rhénan qui
est un fossé d’effondrement formés de blocs séparés par des failles.
Ces blocs sont constitués de granite qui contiennent des éléments
116
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
radioactifs (document 25d) qui en se désintégrant libèrent de la chaleur. De plus, la croûte continentale est étirée et amincie, le Moho,
limite entre la croûte et le manteau lithosphérique, est d’ailleurs
localisé entre 25 et 26 km de profondeur alors que sur les bords du
fossé il est à 30 km. Les isothermes remontent dans cette zone, ce
qui explique également que le flux géothermique soit plus important
dans cette région.
L’exploitation géothermique pilote de Soultz repose sur l’extraction
(document 25c) à grande profondeur (5000m) d’eau chaude (200°C)
du sous-sol fracturé. Cette eau chaude est ensuite transformée en
vapeur qui permet la production d’électricité. L’eau refroidie est réinjectée sous pression afin de rouvrir les fractures qui ont tendance à
se colmater du fait des particules sédimentaires véhiculées par l’eau
de pluie infiltrée (document 25d). L’eau en circulant se réchauffe à
nouveau au contact des roches.
Corrigés des activités – Séquence 3 – SN02
117
© Cned - Académie en ligne
C
Exercice 1
orrection des exercices
du chapitre 3
Flux et gradient géothermique
Réponses correctes : c et d
Réponses fausses :
a) Le gradient géothermique moyen dans la croûte continentale est de
30°C par kilomètre.
b) Le flux thermique est très élevé au niveau des dorsales.
La Terre est une machine thermique
Réponses correctes : a, e et f
Réponses fausses :
b) La croûte continentale est bien la plus concentrée en radioéléments,
mais c’est le manteau, qui du fait de son volume est celui qui libère le
plus de chaleur.
c) La conduction n’est pas le mode principal de dissipation de l’énergie
interne de la Terre, les roches terrestres étant mauvaises conductrices.
La majorité de l’énergie interne est dissipée grâce à la convection.
Un modèle actuel du fonctionnement global de la planète Terre
Réponses correctes : a (du fait de sa densité) et c
Réponse fausse :
b) Les points chauds ne correspondent pas à des remontées de magma
profond : le manteau est solide, les zones de fusion partielle du manteau à l’origine des magmas sont très superficielles à l’échelle de la
planète.
La géothermie
Réponses correctes : d (technique des roches fracturées avec injection
d’eau sous pression) et e.
Réponses fausses :
a) L’énergie dissipée par la Terre ne provient pas essentiellement du
noyau, mais du manteau (20 TW) et de la croûte continentale (6TW).
118
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
b) La géothermie basse énergie utilise directement l’eau chaude pour le
chauffage. La géothermie très basse énergie, soit utilise directement
l’eau chaude pour, par exemple, le chauffage de serres, soit la température de l’eau étant insuffisante, a recours à des pompes à chaleur.
c) La géothermie basse énergie utilise de l’eau dont la température est
voisine de 80°C. La géothermie très basse énergie utilise de l’eau dont
la température est comprise entre 15 et 40°C.
Exercice 2
Le contexte géodynamique de l’Islande
Réponses correctes : a, c et e
Réponses fausses :
b) Au niveau d’une dorsale la remontée de manteau chaud est relativement superficielle : sous la dorsale Est Pacifique et sous la dorsale Atlantique (document 21a), les anomalies négatives enregistrées correspondant à du matériel chaud, c’est-à-dire à la remontée d’asthénosphère,
sont localisées jusqu’à une profondeur d’environ 200 km.
d) Le panache n’est pas à l’état liquide. Le manteau solide et déformable, qui remonte par convection, est juste plus chaud que le manteau
environnant. Ce mouvement ascendant correspond à un mouvement de
convection.
Corrigés des exercices – Séquence 3 – SN02
119
© Cned - Académie en ligne
Séquence 4
Sommaire
Correction des exercices du chapitre 1
Correction des activités du chapitre 2
Correction des activités du chapitre 3
Correction des activités du chapitre 4
Correction des activités du chapitre 5
Correction des activités du chapitre 6
Correction des exercices du chapitre 2
Correction des exercices du chapitre 3
Correction des exercices du chapitre 4
Correction du devoir autocorrectif n° 2
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
121
© Cned - Académie en ligne
C
Exercice 1
orrection des exercices
du chapitre 1
Une paire de
chromosomes
homologues
Cellule mère
2n = 4
Une paire de
chromosomes
homologues
Cellule fille
2n = 4
Cellule fille
2n = 4
2 mitoses sont repérables sur le graphe.
Il s’agit de la phase de réplication de l’ADN selon un mode semi
conservatif. Les chromosomes à une chromatide apparaissent formés
de deux chromatides à la fin de cette phase (notée S : synthèse).
L’interphase correspond aux zones 1,2 et 3 du graphe, la mitose à la
zone 4.
Quantité d'ADN contenue dans
le matériel nucléaire
(unités arbitraires)
3
2
2Q
phase
G2
phase S
1
Q
phase
G1
0
0
5
10
15
20
Interphase
25
30
Mitose
Temps
(heures)
Cycle cellulaire
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
123
© Cned - Académie en ligne
Retenez qu’au cours d’un cycle cellulaire constitué d’une interphase et
d’une mitose la quantité d’ADN est conservée.
À l’issue de la mitose chaque cellule fille renferme une copie intégrale
(aux mutations près) de l’information génétique. La mitose est une
reproduction conforme qui conserve le caryotype.
M
G2
M : mitose
G1
G1 + S + G2 : interphase
S
Exercice 2
A. Les chromosomes :
Sont toujours visibles dans la cellule
Sont toujours formés d’une chromatide
Sont séparés en deux lots égaux lors de la prophase de la mitose
Sont dupliqués à la fin de l’interphase
B. Le renouvellement cellulaire :
S’effectue grâce à des mitoses chez les organismes eucaryotes
Concerne toutes les cellules de l’organisme
N’utilise pas le programme génétique
Est la reproduction de l’organisme
C. L’ADN est :
Un polymère de désoxyribose
Un polymère de bases azotées
Un polymère de nucléotides
D. Le rapport A+ G/ T+ C
Est toujours égal à un
Est une valeur variable suivant les ADN
Est égal à un dans l’ARN
E. L’ordre des phases de la mitose est :
Prophase, télophase, anaphase, metaphase
Prophase, métaphase, anaphase, télophase
124
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
Prophase, anaphase, metaphase, télophase
Prophase, metaphase, télophase, anaphase
F. Une mutation :
A toujours lieu sous l’effet d’un agent mutagène
Crée un nouvel allèle
Est néfaste pour la cellule
G. Une mutation :
Peut se produire spontanément
Sont des événements fréquents
Conduit toujours à la formation d’une protéine différente
H. Le génotype d’un individu :
Comporte tous les allèles de ses parents
Ne comporte que les allèles d’un seul parent
Comporte une partie des allèles de ses parents
I. la bonne représentation est :
A
Un gène donné occupe une position précise sur
un chromosome. Cette position est nommée
locus. Elle est la même pour les deux chromosomes d’une même paire et identique pour tous
les individus d’une espèce donnée. Les chromosomes schématisés sont des chromosomes
métaphasiques constitués de deux chromatides.
Les 2 chromatides sont identiques et contiennent les mêmes allèles.
J. Le phénotype de cet individu est [ A], cela indique :
Que l’allèle A est co-dominant
Que l’allèle A est récessif
Que l’allèle A est dominant
K. l’individu en question est de ce fait :
Hétérozygote pour ce gène.
Homozygote pour ce gène.
Hétérozygote pour l’ensemble de ses gènes.
Homozygote pour l’ensemble de ses gènes.
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
125
© Cned - Académie en ligne
Exercice 3
Le caryotype A comprend 22 paires de chromosomes homologues
et une paire de chromosome sexuel X et Y. La présence des chromosomes X et Y confirme qu’il s’agit d’un caryotype masculin.
Le caryotype B comprend lui aussi 22 paires de chromosomes homologues mais ici la paire de chromosomes sexuels est constitué de deux
chromosomes X : ce qui établit qu’il s’agit d’un caryotype féminin.
La lettre n représente le nombre de paires : Dans l’espèce humaine n =23.
Dessin de la paire n° 2
2 chromatides
centromère
2 chromatides
centromère
2
Les chromosomes de ce caryotype sont tous bichromatidiens. Il y a eu
réplication de l’ADN en phase S du cycle cellulaire.
Il y a 23 chromosomes dans chaque caryotype.
Les caryotypes de gamètes ne comportent pas de paires de chromosomes. Chaque gamète renferme la moitié de l’équipement chromosomique de la cellule dont il est issu.
La formation des gamètes résulte donc d’une division particulière
appelée méiose dont nous étudierons les modalités.
Les spermatozoïdes renferment pour la moitié un chromosome
sexuel X ,les autres Y
Les ovules referment toujours un chromosome sexuel X
La fécondation est l’union d’un ovule et d’un spermatozoïde.
C’est donc le père qui dans un couple sera « responsable » du sexe
de l’enfant !
Retenez que la formule chromosomique est caractéristique de l’espèce : elle comprend le nombre de chromosomes noté 2n( où n est
le nombre de paires) chez les espèces diploïdes. Les caractéristiques
des chromosomes sont visibles sur le caryotype montage photographique où les chromosomes sont réunis par paires et numérotés. Les
cellules sexuelles des espèces diploïdes ne renferment que la moitié
des chromosomes de l’espèce (un de chaque paire).
Exercice 4
Une maladie génétique autosomique est une maladie dont le gène
responsable est situé sur un chromosome non sexuel (autosome)
Récessive :
126
© Cned - Académie en ligne
pour s’exprimer l’allèle responsable de l’anomalie doit être présent en
deux exemplaires. (Sur chaque chromosome de la paire de chromosome
homologue)
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
M
M
m
m
Représentation de la paire de chromosomes homologues de chaque parent
(I1 et I2)
Ils sont de phénotype sain mais porteur de l’allèle m car un de leur enfant
est atteint. Cet enfant est homozygote (m//m) et a hérité d’un allèle m de
chacun d’eux.
II1[malade]
m
m
m
m
2 Possibilités pour II2 et II3 : hétérozygotes (M//m) ou homozygote
(M//M)
M
M
m
m
M
M
M
M
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
127
© Cned - Académie en ligne
III4 est hétérozygote car il a un enfant atteint (il lui a transmis l’allèle muté)
M
M
m
m
Arbre généalogique
I
II
(M//m) 1
(m//m) 1
III
2 (M//m) ou 3 (M//m) ou
(M//M)
(M//M)
(M//m) 2
4 (M//m)
5 (M//m)
1 (M//m) ou
(M//M)
2 (m//m)
3 Fœtus
(M//M) ou
(M//m) ou
(m//m)
On ne peut pas savoir si l’enfant sera atteint ou non : il a une possibi-
lité sur 4 d’être atteint de mucoviscidose.1 chance sur 4 d’être homozygote (M//M) et 1 sur 2 d’être hétérozygote.
Les électrophorégrammes nous montrent que les individus II4, II5, III1
sont hétérozygotes (2 taches).
Les individus III2 et III3 sont homozygotes.
On sait que l’individu III2 est malade, cela nous permet de situer la
tache correspondant à l’allèle m.
Le fœtus ne présente pas de tache à ce niveau : il est donc porteur de
deux allèles M : il est de génotype (M//M) et de phénotype sain
Exercice 5
Le polymorphisme d’un gène est le fait de trouver dans une population
donnée plusieurs allèles de ce gène dont deux au moins sont représentés avec une fréquence supérieure à 1%.
Les allèles différent toutes par un seul nucléotide par rapport à de l’al-
lèle de référence. Dans chaque cas la mutation à l’origine de l’allèle
est une substitution.
128
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
69
127
165
453
G6pd ‘’allèle normal’’
...G GCT ATG CC…..G CCC TCC AC…..A ACC GCA TC…..G TGC GCA GA
G6pd Namoru
...G GCC ATG CC…..G CCC TCC AC…..A ACC GCA TC…..G TGC GCA GA
G6pd Vanua lava
...G GCT ATG CC…..G CCC CCC AC…..A ACC GCA TC…..G TGC GCA GA
G6pd Naone
...G GCT ATG CC…..G CCC TCC AC…..A ACC GCA TC…..G TGC ACA GA
G6pd Union
...G GCT ATG CC…..G CCC TCC AC…..A ACT GCA TC…..G TGC GCA GA
Pour
l’allèle Namoru la thymine a été remplacée par une cytosine ce
qui transforme le codon GCU en GCC.
(On rappelle que le brin non transcrit est identique à l’ARN m avec le
changement thymine en uracile)
Ces deux codons codent pour l’acide aminé alanine : il n’y a pas de changement au niveau de la séquence des acides aminés : cette mutation est
silencieuse. L’enzyme G6PDNamoru est fonctionnelle.
Pour l’allèle Vanua lava la thymine a été remplacée par une cytosine. Le
codon UCC devient CCC : la sérine est remplacée par la proline dans le
polypeptide. Cette mutation est dite faux sens et a des conséquences
sur la fonctionnalité de l’enzyme.
Pour l’allèle Naone la guanine et remplacée par une adénine
: le codon
GCA est remplacé par le codon ACA : l’alanine est remplacée par la
thréonine. L’enzyme n’est pas fonctionnelle.
Pour
l’allèle Union une cytosine est remplacée par une thymine : le
codon ACC devient ACU mais ces deux codons codent pour la thréonine :
il s’agit d’une mutation silencieuse (redondance du code génétique).
Exercice 6
Les garçons ne possédant qu’un chromosome sexuel X sont atteints
dès lors qu’ils sont porteurs du gène codant pour une dystrophine non
fonctionnelle. Ils ont hérité du gène de leur mère qui elle est un porteur sain (elle possède un gène « sain » et un gène « déficient ») ;
Pour qu’une fille soit atteinte il faut que sa mère soit porteuse saine
et son père malade : Compte tenu de la gravité de la maladie même si
l’espérance de vie des garçons atteints a augmenté en 10 ans (elle est
passée à 40 ans) la probabilité est très faible.
La séquence donnée est celle du brin transcrit de l’ADN. La séquence
de l’ARNm correspondant s’obtient par complémentarité des nucléotides soit : GGU UUG AUU UGG AAU AUA
D’après le code génétique la séquence des acide aminés : glycine-leucine-isoleucine-tryptophane-asparagine-isoleucine.
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
129
© Cned - Académie en ligne
Si T remplace C en position 12 : le codon UGG devient UGA. UGA est
un codon stop la synthèse de la dystrophine sera arrêtée après l’acide
aminé 111. On peut penser que la fonctionnalité de la protéine sera
altérée. Cette mutation porte le nom de mutation non sens : Le codon
stop provoque un arrêt de la traduction de l’ARNm et entraîne la formation d’une chaîne polypeptidique incomplète.
Si T remplace C en position 6 : le codon UUG devient UUA ; Ces deux
codons codent pour la leucine. La dystrophine ne sera pas modifiée.
130
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
C
orrection des activités
du chapitre 2
Pour débuter
Cellules diploïdes
2n chromosomes
Divisions cellulaires
Cellules haploïdes
n chromosomes
Spermatozoïde
testicule
Fécondation
ovaire
Ovocyte
Zygote
adultes
multicellulaires
Cellules
somatiques
ou
Mitoses
Dans le noyau de pratiquement toutes les cellules d’un organisme
humain (cellules du pancréas, cellules du foie…) on trouve deux jeux
de chromosomes. Ces cellules sont qualifiées de diploïdes. Font
exception les gamètes (spermatozoïdes et ovules) qui ne contiennent
qu’un jeu de chromosomes. Pour cette raison, ces cellules sont qualifiées de cellules haploïdes.
Les cellules haploïdes sont les gamètes (spermatozoïdes et ovocytes).
Les autres cellules sont diploïdes. La fécondation, union de deux cellules reproductrices haploïdes permettra de restaurer la diploïdie.
La phase diploïde et la phase haploïde se succèdent dans le cycle
de développement de l’homme : la phase diploïde domine, la phase
haploïde est limitée aux gamètes.
Les cellules à l’origine des gamètes sont nécessairement diploïdes et
les gamètes sont haploïdes. Une division permettant de réduire par 2
le nombre de chromosomes est donc indispensable. Cette division est
la méiose.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
131
© Cned - Académie en ligne
Activité 1
La méiose est une division qui permet de fabriquer des cellules repro-
ductrices haploïdes à partir de celles diploïdes. Cette division n’a pas
lieu dans toutes les cellules de l’organisme. Seuls les tissus reproducteurs sont concernés. Chez l’homme, la formation de spermatozoïdes se déroule dans les tubes séminifères des testicules et chez la
femme la formation des ovules se déroule dans l’ovaire. La formation
des spermatozoïdes est nommée spermatogénèse et la formation des
ovules, l’ovogénèse.
Dans ces tissus, seules les cellules dites de la lignée germinale sont
concernées par la méiose.
Je dois utiliser les documents 4 et 6 pour remettre dans l’ordre chro-
nologique les photos et dessins d’interprétation du déroulement de la
méiose présenté dans le document 5.
Le document 6 est un graphe montrant la quantité d’ADN contenu
dans une cellule avant et après la méiose.
Ce que je vois
Ce que j’en déduis
La méiose est précédée d’une interphase où la
quantité d’ADN est doublée
(on passe de Q à 2Q).
Il y a eu réplication de l’ADN.
Avant la méiose, les chromosomes sont constitués de 2 chromatides.
À l’issue de la méiose la cellule contient moins
d’ADN.
Pendant la méiose la quantité d’ADN de la cellule
La méiose divise la quantité d’ADN par 4.
passe de 2Q à Q puis de Q à Q/2.
La méiose comprend deux étapes qui divisent à
chaque fois la quantité d’ADN de la cellule.
Le document 4 est une animation permettant de visualiser la méiose.
La cellule de départ contient 4 chromosomes soit deux paires de chromosomes homologues (un bleu d’origine paternel, un rouge d’origine maternelle) (2n=4). Chaque chromosome est constitué de deux chromatides : il y a
eu une phase de réplication qui précède la méiose (confirmation du doc 6).
Je vois que dans une première division les chromosomes homologues
de chaque paire se répartissent chacun dans une cellule différente :
on obtient deux cellules contenant chacune 2 chromosomes (n=2) : la
quantité d’ADN de la cellule a diminué de moitié (de 4 chromosomes à 2
chromosomes soit de 2Q à Q d’après le document 6).
Dans une deuxième division les chromatides de chaque chromosome se
séparent : là encore la quantité d’ADN de la cellule est divisée par deux
(passage de Q à Q/2) : le nombre de chromosomes est conservé (n=2)
mais chaque chromosome est à l’issue de cette étape constitué d’une
seule chromatide.
À la fin de la méiose on obtient 4 cellules contenant chacune un chromosome de chaque paire à une chromatide. Ces cellules sont haploïdes.
132
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Mise en ordre du document 5
Les photos renfermant des chromosomes constitués de deux chromatides constituent les premières étapes de la méiose :
F et H montrent des chromosomes bichromatidiens réunis par paire, en H
ils sont réunis par paires et alignés à l’équateur de la cellule. Les cellules
sont diploïdes.
E montre ces mêmes chromosomes se séparant : un de chaque paire
migrant à une extrémité de la cellule (anaphase 1= anaphase de la première division de la méiose).
C, D montrent ensuite dans chaque cellule formée, les chromosomes à
2 chromatides puis la photo A montre les chromosomes s’alignant de
nouveau à l’équateur de la cellule. La séparation des chromatides en
G représente l’anaphase 2(=anaphase de la deuxième division de la
méiose). Ces cellules sont haploïdes.
Enfin B montre les 4 cellules à n chromosomes obtenues à l’issue de la
méiose. On obtient quatre gamètes (ou quatre spores ou grains de pollen dans le cas des végétaux).
L’ordre des photos est : F, H, E, C, D, A, G, B.
Les deux étapes de la méiose sont deux divisions successives qui s’enchaînent :
La première division réduit le nombre de chromosomes par séparation
au hasard des chromosomes homologues : on parlera de division réductionnelle (photos : F, H, E et C). Il y a passage de 2n chromosomes bichromatidiens à n chromosomes bichromatidiens.
La deuxième division est immédiate et ne réduit pas le nombre de chromosomes (division équationnelle) mais sépare les chromatides de
chaque chromosome. (Photos : D, A, G, B).
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
133
© Cned - Académie en ligne
Activité 2
Première division de la méiose
Prophase I
2n = 4
Une paire de chromosomes
homologues à deux chromatides
1 cellule à 4
chromosomes
à 2 chromatides
Une paire de chromosomes
homologues à deux chromatides
Chiasmas = points de contacts
entre des chromatides homologues
2n = 4
Métaphase I
Plan équatorial de la cellule
Anaphase I
2n = 4
Séparation des chromosomes
homologues
Réduction chromatique
Pôle de la cellule
Un chromosome
dupliqué
Télophase I
n=2
2 cellules à 2
chromosomes
à 2 chromatides
n=2
Un chromosome
à deux chromatides
1 cellule
1 cellule
Au temps T1,la cellule contient 2n chromosomes constitués d’une
seule chromatide soit en quantité d’ADN 2Q. Au temps TI, la quantité
d’ADN passe de 2Q à 4Q . Il y a donc réplication de l’ADN. Cela se
traduit concrètement par le passage de chromosomes à une chromatide à des chromosomes à deux chromatides. Ce sont des chromosomes à deux chromatides qui entrent en méiose.
134
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Seconde division de la méiose
Prophase II
2 cellules à 2
chromosomes
à 2 chromatides
Un chromosome
à deux chromatides
n=2
n=2
Métaphase II
Plan équatorial de la cellule
n=2
n=2
Anaphase II
n=2
Un chromosome
à une chromatide
Séparation des chromatiques
de chaque chromosome
Un chromosome
à une chromatide
4 cellules à 2
chromosomes
à 1 chromatide
n=2
Télophase II
n=2
n=2
n=2
n=2
Au temps T2, la quantité d’ADN est passé de 4Q à 2Q par cellule. Cela
correspond à la séparation des chromosomes homologues lors de la
première division de méiose.
Entre T2 et T3, la quantité d’ADN est divisée par 2 (passage de 2Q à Q).
Cette diminution de la quantité d’ADN par 2 correspond au passage
des chromosomes de 2 à 1 chromatide.
Le passage du stade diploïde au stade haploïde correspond, sur le
schéma au temps T2.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
135
© Cned - Académie en ligne
On considère une cellule ou 2n = 4 c’est-à-dire possédant dans son
noyau deux paires de chromosomes homologues.
Moment A :
Avant la réplication de l’ADN : 2n =4 et 2Q ADN
Matériel génétique
non condensé
Moment B :
Après réplication de l’ADN et avant le début de la méiose 2n=4 et 4Q ADN
Moment C :
à l’issue de la première division de méiose n=2 et 2Q ADN
ou
Moment D :
© Cned - Académie en ligne
ou
à l’issue de la première division de méiose n=2 et 2Q ADN
ou
136
ou
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
ou
ou
La séparation des chromosomes homologues lors de l’anaphase de la pre-
mière division de méiose permet de réduire par deux le nombre de chromosomes. Chaque cellule aura donc un chromosome de chaque paire.
Activité 3
A Un spermatozoïde se fixe sur la
membrane pellucide.
B Les enzymes libérées par le
spermatozoïde digèrent localement la
membrane pellucide.
C Fusion des membranes plasmiques
de l'ovocyte et du spermatozoïde.
La pénétration d'autres spermatozoïde
est rendue impossible.
D Le noyau du spermatozoïde passe
dans le cytoplasme de l'ovocyte.
E Fusion des deux noyaux pour former
le noyau de la cellule œuf.
A
B
E
C
D
Remarque
Généralement une membrane de fécondation imperméable aux autres
spermatozoïdes se forme autour de l’ovocyte dès la pénétration de la tête
du spermatozoïde empêchant la fécondation de l’ovule par plusieurs spermatozoïdes.
n=3
Ovule
(haploïde)
n=3
2n = 6
Spermatozoïde
(haploïde)
Le spermatozoïde est beaucoup plus petit que l'ovule.
Il a été grossi pour qu'on puisse distinguer les chromosomes.
Les noyaux
fusionnent
(caryogamie)
Du point de vue chromosomique, la fécondation est universellement
l’union des noyaux haploïdes pour former un noyau diploïde de la cellule œuf.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
137
© Cned - Académie en ligne
C
Activité 1
orrection des activités
du chapitre 3
Comprendre et modéliser le brassage interchromosomique lors
de la méiose
I
Drosophile à
ailes longues
et corps gris
Drosophile à
ailes vestigiales
2 et corps ébène
1
Méiose
Méiose
gamètes
gamètes
Fécondation
II
nombreuses
cellules œuf
donnant...
1
100% de Drosophile
Méiose
à ailes longues
gamètes
et corps gris
III
nombreuses
cellules œuf
donnant...
1
2
Méiose
gamètes
Fécondation
2
25%
25%
à ailes longues à ailes longues
corps gris
corps ébène
Phénotypes
parentaux
Drosophile à
ailes vestigiales
et corps ébène
4
3
25%
vestigiales
corps gris
25%
vestigiales
corps ébène
Phénotypes
recombinés
On constate que de nouveaux phénotypes sont apparus et nous cherchons à comprendre comment la méiose puis la fécondation peuvent
rendre compte de ces nouveautés.
Pour cela, il faut rechercher ce que devient au cours de la méiose puis de
la fécondation la combinaison d’allèles portée par les parents.
Le document 1 précise que les deux gènes gouvernant les caractères
étudiés sont situés sur des chromosomes différents qui ne sont pas des
chromosomes sexuels. Nous savons également que les allèles à l’origine
des caractères corps ébène et ailes vestigiales sont des allèles récessifs
et les allèles à l’origine des caractères sauvages c’est-à-dire corps gris et
ailes longues sont dominants.
Nommer et écrire les allèles
L’allèle muté à l’origine du corps ébène sera noté : e et l’allèle sauvage à l’origine du caractère corps gris sera noté e+ (Voir fiche méthode
‘’convention d’écriture en génétique’’ pour plus de précisions)
138
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Le même raisonnement appliqué au caractère longueur des ailes
conduira à l’écriture suivante. L’allèle muté à l’origine du caractère ailes
réduites sera noté v et l’allèle dominant à l’origine du caractère aile longue sera noté v+.
Écrire le génotype des parents II1 et II2
Génotype de II2.
Nous savons que les deux gènes sont indépendants c’est-à-dire qu’ils
sont portés par des chromosomes différents.
Nous savons également que les individus II2 sont récessifs pour les deux
allèles.
Ces informations permettent d’écrire le génotype de II2. En respectant
les conventions d‘écriture en génétique, on obtient : (v//v , e//e)
Génétique des individus II1 (génération F1)
Tous les individus de la génération F1 ont le même phénotype : ailes
longues et corps gris.
Ils sont issus d’un croisement entre une drosophile à ailes longues et
corps gris et une drosophile à ailes vestigiales et corps ébène.
Seuls les allèles dominants s’exprimant le génotype peut s’écrire :
(v+//v, e+//e)
Recherche des combinaisons d’allèles portés les gamètes de II1 et II2 à
l’issue de la méiose.
En tenant compte des consignes données, les chromosomes et les allèles
qu’ils portent peuvent être schématisés de la manière suivante.
II1
II2
Cellule
diploïde
(2n = 4)
Cellule
diploïde
(2n = 4)
Recherchons maintenant les gamètes possibles produits par les individus II1 (génération F1) en réinvestissant les connaissances acquises lors
du chapitre précédent.
Lors de l’interphase précédant la méiose, nous savons qu’il y a réplication de l’ADN. Par conséquent, les chromosomes qui entrent en méiose
sont des chromosomes à deux chromatides identiques que l’on peut
schématiser de la manière suivante :
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
139
© Cned - Académie en ligne
Réplication au cours de l’interphase
précédent la méiose
Cellule diploïde à
l’origine des gamètes
Chromosome à deux
chromatides identiques
(2n = 4)
Lors de la première division de méiose, les chromosomes homologues
se séparent.
À l’issue de la première division de méiose, il y a donc formation de deux
cellules contenant chacune 2 chromosomes à deux chromatides.
Cette étape peut être schématisée de la manière suivante :
Réplication au cours de l’interphase
précédent la méiose
(2n = 4)
Cellule diploïde à
l’origine des gamètes
Chromosome à deux
chromatides identiques
1ère division
de méiose
n=2
n=2
Lors de la seconde division de méiose, les chromatides sœurs se séparent. À l’issue de la méiose, on a donc 4 cellules à 2 chromosomes à une
chromatide.
L’ensemble peut donc être schématisé de la manière ci-après :
ª
140
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Réplication au cours de l’interphase
précédent la méiose
(2n = 4)
1ère division
de méiose
n=2
n=2
2ème division
de méiose
n=2
n=2
n=2
n=2
Nous savons que lors de la métaphase de la première division de méiose,
la répartition des chromosomes homologues de part et d’autre de la
plaque équatoriale se fait de manière aléatoire. Il en résulte que l’on
peut envisager une seconde possibilité que celle représentée ci-dessus
concernant la répartition des chromosomes dans les cellules.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
141
© Cned - Académie en ligne
Cette seconde possibilité est schématisée ci-dessous :
(2n = 4)
Réplication au cours de l’interphase
précédent la méiose
(2n = 4)
1ère division
de méiose
n=2
n=2
2ème division
de méiose
n=2
n=2
n=2
n=2
Si on fait le bilan des gamètes produits,
nous constatons qu’il y a 4 types de
gamètes possibles. Les 4 combinaisons
sont équiprobables. Cette probabilité est
de 0,25.
En noir les gamètes parentaux et en vert les
nouvelles associations d’allèles.
Attention
Ce n’est qu’à l’issue de très nombreuses méioses que la probabilité de
0,25 se traduit concrètement par 25 %
de chaque catégorie conformément à la
loi des grands nombres.milés.
142
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Les drosophiles à ailes vestigiales et corps ébène, homozygotes pour
les deux allèles ne produiront qu’un seul type de gamètes que l’on peut
schématiser de la manière suivante :
Gamète haploïde
II2
Le document 3 est l’échiquier de croisement. Lors de la fécondation,
la rencontre des gamètes se fait au hasard. Chaque gamète d’un des
parents est susceptible de rencontrer n’importe quel gamète de l’autre
parent. On constate que l’on retrouve les 4 phénotypes observés à l’issue du croisement 2.
Gamètes produits
par les individus II2
Gamètes produits
par les individus
de la génération F1
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
143
© Cned - Académie en ligne
Réponse
au problème :
Les individus II2 ne présentant que des allèles récessifs les phénotypes
observés à l’issue du second croisement sont représentatifs des allèles
portés par les gamètes des individus de la génération F1.
F1 peut produire 4 gamètes différents qui associés avec les gamètes de
P2 peuvent donner après fécondation les 4 phénotypes observés.
Les phénotypes recombinés trouvent leur origine dans la répartition aléatoire des chromosomes homologues sur le plan équatorial de la cellule
en métaphase 1 lors de la méiose conduisant à la formation des gamètes
chez les individus hétérozygotes pour chacun des 2 gènes considérés.
Dans le cas d’une méiose agissant sur 2 paires de chromosomes, chaque
chromosome peut se retrouvé associer avec l’un ou l’autre de l’autre
paire de chromosome ce qui fait 22 combinaisons de chromosomes possibles soit 4 combinaisons dans notre exemple.
Nous constatons qu’après la méiose, les allèles de gènes dont les loci
sont situés sur deux chromosomes non homologues peuvent être associés de 4 façons. En effet, au cours de la métaphase de la première division, les deux paires de chromosomes homologues se positionnent de
manière aléatoire de part de d’autre de la plaque équatoriale.
Activité 2
Comprendre et modéliser le brassage intrachromosomique
Des nouveaux phénotypes en faibles proportions (6,5 % chacun) sont
apparus à l’issue de ce croisement. Ces phénotypes sont différents des
phénotypes parentaux. Il s’agit de phénotypes recombinés dont nous
devons expliquer la formation.
Par rapport à l’activité précédente nous n’obtenons pas un % de recombinés égal à celui des parentaux (25 %) mais ici très inférieur.
Comment expliquer ces différences ?
Comme pour l’activité précédente nous devons rechercher ce que devient
au cours de la méiose puis de la fécondation la combinaison d’allèles
portée par les parents c’est-à-dire les individus II1 et II2.
I
Drosophile à
ailes longues
et yeux rouges
Drosophile à
ailes vestigiales
2 et yeux pourpres
1
Méiose
Méiose
gamètes
gamètes
Yeux rouges
Fécondation
II
nombreuses
cellules œuf
donnant...
1
100% de Drosophile
Méiose
à ailes longues
gamètes
et yeux gris
III
nombreuses
cellules œuf
donnant...
2
gamètes
Fécondation
1
2
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
3
6,5%
vestigiales
yeux rouges
Yeux pourpres
Les contraintes
d'impression du
cours du CNED
nous obligent à
utiliser ces couleurs
qui ne
correspondent pas
à la réalité
Méiose
43,5%
6,5%
à ailes longues à ailes longues
yeux rouges
yeux pourpres
144
Drosophile à
ailes vestigiales
et yeux pourpres
4
43,5%
vestigiales
yeux pourpres
Écrire le génotype des parents II1 et II2
Le document 6 montre que les deux gènes impliqués dans la réalisation
des caractères étudiés sont situés sur le même chromosome. Ils sont
situés sur la paire de chromosomes 2. Ces gènes sont liés.
L’écriture du génotype doit rendre compte du fait que ces gènes sont liés.
Étant donné les conventions d’écriture, le génotype des individus II2
s’écrira : (v p//v p)
Le génotype des individus II1 s’écrira : v+ p+ // v p
Recherche des combinaisons d’allèles portés les gamètes de II1 .
Réplication au cours de l’interphase
précédent la méiose
Cellule diploïde à
l’origine des gamètes
Chromosome à deux
chromatides identiques
Réplication au cours de l’interphase
précédent la méiose
Cellule diploïde à
l’origine des gamètes
Chromosome à deux
chromatides identiques
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
145
© Cned - Académie en ligne
On obtient donc deux types de gamètes.
II2 ne produisant qu’un seul type de gamètes
Gamète haploïde
II2
À l’issue de la fécondation on obtient donc :
Gamètes de II2
Gamètes de II1
Ailes longues
et yeux rouges
Ailes vestigiales
et yeux pourpres
Nous constatons que ce modèle explique bien l’existence des phénotypes parentaux mais pas l’existence des phénotypes recombinés : 6,5 %
ailes longues et yeux pourpres et 6,5 % ailes vestigiales et yeux rouges.
Le document 5 nous indique qu’au cours de l’appariement des chromosomes homologues il se forme des chiasmas rendant possible l’échange
de fragments de chromatides et donc des allèles qu’elles contiennent.
Le crossing-over pourrait expliquer l’apparition des phénotypes recombinés.
146
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Réplication au cours de l’interphase
précédent la méiose
Cellule diploïde à
l’origine des gamètes
Chromosome à deux
chromatides identiques
1ère division
de méiose
Echange de fragments
de chromatides
2ème division
de méiose
冦
A l’issue de la méiose, on obtient
4 types de gamètes
Gamète
parental
Gamète recombinés
Gamète
parental
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
147
© Cned - Académie en ligne
À l’issue de la fécondation, on obtient :
Gamètes de II2
Gamètes de II1
L’existence de crossing over au cours de la prophase I de méiose explique
l’existence des phénotypes recombinés.
Le crossing over donnant lieu à des échanges de fragments de chromatides portant les allèles étudiés n’a pas lieu à chaque méiose auquel cas
les proportions de chaque phénotype seraient de 25 %.
Activité 3
Évaluer le brassage génétique lors de la fécondation
Nous savons que les parents sont hétérozygotes pour les deux gènes qui
sont situés sur des chromosomes différents donc indépendants. Nous
pouvons écrire le génotype de chaque parent
Père : (A//O, Rh+//Rh-) mère : (B//O, Rh+//Rh-)
Au cours de la méiose pour le père 4 combinaisons d’allèles dans les
gamètes sont possibles : (A, Rh+),(A, Rh-),( (O, Rh+) (O, Rh-),
148
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Pour la mère: (B, Rh+),(B, Rh-), (O, Rh+) (O, Rh-),
La construction d’un échiquier de croisement permet d’envisager toutes
les rencontres possibles entre ces allèles.
Gamètes
maternels
(O, Rh-)
(B, Rh+)
(B, Rh-)
(O, Rh+)
(A, Rh+)
(A//B,Rh+//Rh+)
(A//B,Rh+//Rh-)
(A//O,Rh+//Rh+)
(A//O,Rh+//Rh-)
(A, Rh-),
(A//B,Rh+//Rh-)
(A//B,Rh-//Rh-)
(A//O,Rh+//Rh-)
(A//O,Rh-//Rh-)
(O, Rh+),
(B//O,Rh+//Rh+)
(B//O,Rh+//Rh-)
(O//O,Rh+//Rh+)
(O//O,Rh+//Rh-)
(O, Rh-)
(B//O,Rh+//Rh-)
(B//O,Rh-//Rh-)
(O//O,Rh+//Rh-)
(O//O,Rh-//Rh-)
Gamètes
paternels
De nouveaux phénotypes différents des parents peuvent être formés :
[AB, Rh+] :3 chances sur16, [AB, Rh-] : 1 chance sur 16, [O, Rh+] :3 chances
sur 16 [O, Rh-] : 1 chance sur 16, [A, Rh-] : 1 chance sur 16,[B,Rh-] : 1
chance sur 16
Cela montre que lors de la fécondation la rencontre aléatoire des
gamètes porteurs d’une information génétique différente amène un nouveau brassage de l’information génétique et donc amplifie le brassage
déjà réalisé au moment de la méiose (brassage inter chromosomique et
intra chromosomique).
De plus ici nous n’avons considéré que deux gènes portés par deux chromosomes.
Remarque
Seuls les individus issus d’une même fécondation ont le même patrimoine
génétique : c’est le cas des vrais jumeaux qui proviennent du dédoublement de la cellule œuf ou de l’embryon au stade de quelques cellules.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
149
© Cned - Académie en ligne
C
orrection des activités
du chapitre 4
Pour débuter
Il n’y a pas de relation entre le nombre de chromosomes et la taille ou
la place de l’espèce dans l’arbre phylogénétique.
Dans une première approche, on peut constater une corrélation entre
la taille du génome et la complexité d’un organisme. La taille du
génome humain par exemple est près de 1000 fois supérieur à celui
d’une bactérie. Les plantes ont une taille de génome supérieur aux
animaux (sauf les amphibiens).
Le nombre de gènes semble également dans une certaine mesure
corrélé à la complexité de l’organisme. Ainsi l’homme possède 10
fois plus de gènes qu’une bactérie mais seulement deux fois plus
de gènes que la drosophile et quasiment le même nombre de gènes
qu’Arabidopsis thaliana.
La corrélation entre la complexité de l’organisme et le nombre de
bases de son génome n’est cependant pas simple. En effet, l’arabette
qui est un organisme pas moins complexe que le blé a un génome qui
est 130 fois plus petit que celui du blé.
L’Aplysie californica a un génome qui est 10 fois plus grand que celui
de la drosophile qui n’est pas moins complexe que l’aplysia.
Chez les procaryotes, les génomes sont compacts et leur capacité
codante est utilisée au mieux (87 % de l’ADN d’Escherichia coli code
pour des protéines contre 1,5 % chez l’Homme). Finalement pour une
longueur d’ADN donnée les humains possèdent moins de gènes que
les procaryotes.
Chez l’Homme la majeure partie de l’ADN n’est pas codante. Cette
fraction non codante de l’ADN semble d’ailleurs croitre avec la complexité de l’organisme.
Remarque
Par complexité on doit comprendre un certain degré de sophistication. Cette
notion doit être distinguée de celle d’adaptation. Tous les organismes sont
parfaitement adaptés à leur milieu sans quoi ils ne pourraient y survivre.
Une bactérie est aussi adaptée à son milieu que l’homme à son milieu.
Cette notion doit aussi être distinguée du degré d’évolution d’un organisme. Une bactérie est aussi évoluée que l’homme.
150
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Une première représentation du génome a été vue en classe de pre-
mière. Celui-ci est apparu constitué de gènes codant pour des protéines. Chez les eucaryotes, ces gènes sont dits morcelés car constitués d’une partie codante, les exons et d’une partie non codante les
introns. Un gène n’est pas limité à la portion transcrite. En effet, il
existe également des gènes régulateurs dont dépend l’activité des
gènes de structures.
Dans le noyau l’ARN pré-messager est épissé. Au cours de ce phénomène, les introns sont éliminés et les exons sont rattachés les uns aux
autres.
À la lumière des données apportées par le séquençage des génomes, il
apparaît que celui-ci est constitué d’une grande partie non fonctionnelle.
Il ne faut donc pas limiter le génome aux seuls gènes c’est-à-dire aux
portions de l’ADN transcrites puis traduites.
À noter qu’une cellule eucaryote peut abriter plusieurs génomes différents. En effet, au génome nucléaire (contenu dans le noyau), il faut
ajouter le génome des mitochondries voire des chloroplastes pour les
cellules chlorophylliennes.
On doit s’attendre à trouver dans le génome des ‘’traces’’ de cette
histoire commune.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
151
© Cned - Académie en ligne
Activité 1
Schématiser la formation d’une anomalie du nombre de chromosomes lors de la gamétogénèse
Anomalie
Formule
chromosomique
Nom
de la maladie
2n=47
Syndrome de
Down
Caryotype 2 Un seul chromosome X 2n=45
Syndrome de
Turner
Caryotype 1
Caryotype 3
Un chromosome 21
supplémentaire
Deux chromosomes X
et un chromosome Y
[Non attendu]
2n=47
Syndrome de
Klinefelter
symptômes
fréquence
1 sur 750
retard mental
Problèmes métaboliques
1 sur 2500
Absence de puberté
stérilité
Petite taille
1 sur 800
Stérilité
Faible pilosité, taille et
poids supérieurs à la
moyenne
L’absence d’un autosome chez un nouveau-né est exceptionnelle du fait
sans doute de leur élimination dès le début de la vie embryonnaire. On
peut voir ici un des mécanismes propres à la reproduction sexuée qui élimine un grand nombre de zygotes non viables.
L’absence d’un chromosome X est moins rare (syndrome de Turner).
Il est beaucoup plus fréquent que l’anomalie soit due à la présence d’un
ou plusieurs chromosomes surnuméraires. On observe ainsi des trisomies
(présence d’un chromosome surnuméraire) : Trisomie 21 (syndrome de
Down), 18 et 13 (syndrome de Patau) pour les plus fréquentes.
Les trisomies des chromosomes sexuels sont très fréquentes : XXX, XXY
(syndrome de Klinefelter), XYY.
La méiose conduit à la formation à partir d’une cellule diploïde (2n=2
par exemple) à 4 cellules haploïdes (n=1)
La méiose comprend deux divisions :
Une anomalie de répartition des chromosomes homologues peut se produire en division 1 : La paire de chromosomes 21 se répartit du même
côté de la plaque équatoriale. Lors de l’anaphase 1 les deux chromosomes migrent vers le même pôle de la cellule.
Deuxième possibilité : la division 1 est normale et lors de la division 2 les
deux chromatides migrent vers le même pôle de la cellule ;
152
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Évolution normale du chromosome 21
durant une première division de méiose
Évolution normale du chromosome 21
durant une première division de méiose
Métaphase...
Je vais migrer par là ?...
Je vais migrer par là ?...
... et moi par là ?
Plaque
équatoriale
Mais non, passe de
l'autre côté de la
plaque équatoriale !
... et moi par là ?
... puis début
d'Anaphase
Pas du tout, c'est à
toi d'y aller !!!!
Je migre vers un
pôle ...
Certains gamètes vont
avoir deux chromosomes
21 au lieu d'un
Position de la
plaque équatoriale
pour mémoire
Et d'autres aucun.
Bravo la coordination !
... et moi vers
l'autre
Évolution normale du chromosome 21
durant une deuxième division de méiose
Évolution normale du chromosome 21
durant une deuxième division de méiose
Métaphase...
Je vais migrer par là
Nous migrons tous
les deux vers le
même pôle
? ...
Je vais migrer par là
? ...
... et moi par là
?
Plaque
équatoriale
... et moi par là ?
... puis début
d'Anaphase
Mais non, passe de
l'autre côté de la
plaque équatoriale !
Je migre vers un
pôle...
Certains gamètes vont
avoir deux chromosomes
21 au lieu d'un
Position de la
plaque équatoriale
pour mémoire
... et moi vers
l'autre
Pas du tout, c'est à
toi d'y aller !!!!
Nous migrons tous
les deux vers le
même pôle
Et d'autres aucun.
Bravo la coordination !
Cette anomalie peut survenir au cours de la formation des spermatozoïdes
(spermatogénèse) ou au cours de la formation des ovules (ovogénèse).
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
153
© Cned - Académie en ligne
Cellule
germinale
SCÉNARIO
NORMAL
SCÉNARIO
ANORMAL 1
SCÉNARIO
ANORMAL 2
NON
DISJONCTION
NON
DISJONCTION
MÉIOSE
Formation du
gamète
(spermatozoïde
dans cet exemple)
FÉCONDATION
avec :
normal
Ovule
normal normal normal
trisomie trisomie monosomie
trisomie monosomie normal normal
Zygotes produits
[Non attendu]
Dans plus de 75 % des cas la trisomie 21 a pour origine une anomalie
dans la division 1 de la méiose, c’est-à-dire au moment de la séparation
au hasard des paires de chromosomes homologues. Cette méiose anormale à lieu au cours de l’ovogenèse dans 90 % des cas.
Selon les scientifiques, la répartition anormale des paires de chromatides lors de la seconde division de méiose pourrait avoir pour origine
l’absence de chiasmas. En effet, ceux-ci maintiennent ensemble les
chromatides paternels et maternels assurant ainsi une répartition égale
des chromatides homologues dans les cellules filles.
Le syndrome de Turner et le syndrome de Klinefelter ont pour origine une
non disjonction des chromosomes X de la mère.
Activité 2
Première
étape :
Schématiser un exemple de polyploïdie et montrer son rôle dans
la spéciation
Croisement de Spartina maritima et de Spartina alterniflora
Il faut dessiner les étapes de la méiose ou 2n=2 puis 2n=4
154
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Formation des gamètes chez Spartia alterniflora
Spartina alterniflora
2n = 62
58
chromosomes
+
Cellule diploïde
à l'origine
des gamètes
+
62
chromosomes
Première division
de méiose
Seconde division
de méiose
31
chromosomes
31
chromosomes
31
chromosomes
31
chromosomes
Formation des gamètes chez Spartina maritima
Spartina alterniflora
2n = 60
58
chromosomes
+
Cellule diploïde
à l'origine
des gamètes
60
chromosomes
Première division
de méiose
Seconde division
de méiose
30
chromosomes
30
chromosomes
30
chromosomes
30
chromosomes
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
155
© Cned - Académie en ligne
Formation de l’hybride
Gamète venant de
Spartina alterniflora
Gamète venant de
Spartina alterniflora
À l’issue de la fécondation on
obtient un zygote possédant 61
chromosomes.
Les individus porteurs (hybrides)
de cette garniture chromosomique
sont viables.
30
chromosomes
31
chromosomes
Fécondation
58
chromosomes
+
hybride stérile
à 61 chromosomes
Ils sont stériles car la méiose est
impossible : ils ne présentent pas
de paires de chromosomes homologues mais des chromosomes
uniques ce qui pose problème
au moment de l’appariement des
chromosomes.
Ils peuvent néanmoins se reproduire par multiplication végétative.
61
chromosomes
Deuxième
étape :
Une mitose anormale (absence de formation de cytosquelette) conduit
au doublement du nombre des chromosomes chez des individus stériles.
hybride stérile
à 61 chromosomes
58
chromosomes
+
61
chromosomes
58
chromosomes
dédoublés +
Séparation des
chromatides mais pas
formation de deux cellules
116
chromosomes
+
Spartina anglica
156
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Spartina anglica
2n = 122
= polyploïdisation
122
chromosomes
Activité 3
Identifier quelques remaniements chromosomiques
1 et 2 : délétion 3 : inversion 4 : duplication
5 : translocation 6 : Translocation
Dans le cas de la duplication, deux évènements ont eu lieu. Un des chromosomes homologues a subi une délétion et le fragment coupé s’est
inséré sur l’autre chromosome homologue qui se retrouve donc avec
deux copies d’une même région de chromosome.
Ce phénomène porte le nom dans ce cas de crossing-over inégal. Chez
l’homme, 15 % des gènes sont présents en deux exemplaires au moins.
[Non attendu] Beaucoup de délétions affectant des chromosomes même
à l’état hétérozygote provoquent des déficiences graves. L’un de ces syndrome appelé cri du chat est dû à une délétion de l’extrémité de l’un des
chromosomes de la paire 5. Les enfants atteints ont une espérance de
vie très courte.
Activité 4
Retrouver les traces de remaniements chromosomiques dans le
caryotype de deux espèces présentant une étroite parenté
La comparaison de ces deux caryotypes fait apparaître que :
L’Homme
possède 46 chromosomes et le Chimpanzé 48 mais le chromosome humain n° 2 est l’équivalent de deux des chromosomes du
Chimpanzé.
14
chromosomes sont identiques morphologiquement.
Les
chromosomes 1, 18 et 13 présentent une différence : un segment
de chromosome présent chez une espèce est absent chez l’autre.
Les
autres différences consistent principalement en des inversions de
segments.
Activité 5
Montrer le rôle des duplications dans la formation de familles
multigéniques.
Je dois recueillir des indices montrant que les globines sont appa-
rentées et proposer une hypothèse pour expliquer l’origine de cette
parenté
Les données recueillies avec le logiciel rastop sur la structure de 3
globines (␣,␤,y ) montrent que les trois molécules de globines présentent des similitudes de structure,notamment par la présence d’un
groupement héme identique avec un atome de fer au centre.
Les informations proposées par le logiciel phylogène permettent de
construire une matrice des distances des globines en % de différences
des acides aminés constitutifs.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
157
© Cned - Académie en ligne
alpha1
alpha1
zeta
0
gammaA
zeta
epsilon
delta
beta
39,3
57,9
60,7
55,7
55
0
59,3
59,3
60,7
62,1
0
19,3
28,6
26,4
0
27,1
23,6
0
6,43
gammaA
epsilon
delta
beta
0
Les globines présentent des similitudes comprises entre plus de 38 %
à 90 % les unes avec les autres. Certaines comme les globines beta et
delta ont une constitution identique à plus de 93 %.
On considère que deux protéines sont apparentées si le % de similitudes
des séquences d’acides aminés est supérieur à 20 % : ce qui est le cas
pour toutes les globines ici : ces globines forment donc une famille de
protéines .
Les globines présentent des similitudes de structures qui suggèrent une
parenté : ces protéines sont homologues. Elles ont de plus la même
fonction : transport du dioxygène.
Le document 12 montre que les globines associées deux à deux dans
la molécule d’hémoglobine présente dans les hématies fixent et transportent le dioxygène. Au cours de la vie humaine la composition de
l’hémoglobine change :
L’hémoglobine embryonnaire est constituée de 2 globines zêta et deux
globines epsilon.
L’hémoglobine fœtale est ainsi principalement constituée de 2 globines ␣ et 2 globines y alors que l’hémoglobine adulte est principalement du type 2␣ et 2␤.
Toutes les chaînes des deux groupes de globines (groupe ␣ et groupe ␤ )
sont codées par des gènes différents. Les gènes du groupe sont situés
sur le chromosome 16, ceux du groupe ␤, sur le chromosome 11
Certains gènes présents sur les deux chromosomes ne sont pas fonctionnels : ce sont des pseudogènes.
Il ne s’agit pas d’allèles d’un même gène mais bien de gènes différents,
exprimés à différents moments du développement embryonnaire.
Remarque
Les gènes sont placés sur les chromosomes 11 et 16 dans l’ordre où ils
vont être exprimés au cours du développement de l’individu.
158
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Conclusion :
Ces globines qui présentent des similitudes de structure sont codées par
des gènes différents situés sur deux chromosomes. On peut penser que les
gènes qui codent pour les globines sont apparentés. Pour le vérifier il faut
comparer les séquences nucléotidiques des gènes codant ces globines.
Résultat de la comparaison des séquences nucléotidiques des gènes
codant pour les globines humaines avec le logiciel phylogène
Matrice des distances en % de différences acides nucléiques
alpha1
alpha1
zeta
gammaA
epsilon
delta
beta
0
zeta
gammaA epsilon
delta
beta
41,4
40,9
60,7
43,1
30,1
0
23,2
7,89
21,1
44,5
0
23
15,8
43,1
0
21,3
45
0
42,3
0
Les similitudes entre les différents gènes ( plus de 50 %) confirment
que ces gènes sont apparentés et constituent des gènes homologues
dérivant d’un gène ancestral.
Parmi les processus impliqués dans la duplication des gènes le cros-
sing-over inégal peut conduire à la duplication d’un gène. Une chromatide porte ainsi deux exemplaires du même gène.
Les gènes dupliqués ont subi des mutations à l’origine de globines
structurellement légèrement différentes mais dont la fonction n’est pas
altérée. Le % d’identités entre les différents gènes signe leur degré de
parenté. Plus le nombre de différences entre deux gènes est faible plus
la duplication à l’origine de leur formation est proche dans le temps.
Ainsi on peut voir dans le tableau que les gènes Beta et Delta qui présentent 7,8 % de différences résultent d’une duplication récente suivies de mutations expliquant les différences obvervées au niveau de
la séquence nucléotidique entre les deux gènes.
Les gènes Gamma et Epsilon présentent 16 % de différences mettant
en évidence une seconde duplication plus ancienne.
La comparaison de Beta et Epsilon, de Delta et Gamma ,de Delta et
Epsilon et de Beta et gamma montre des % de différences relativement
proches donc un éloignement des gènes à peu près semblable les uns
des autres, consécutif à une troisième duplication, la plus ancienne.
Au total, on met en évidence l’existence hypothétique de 3 gènes
ancestraux qui subissent chacun une duplication génique suivi de
mutations.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
159
© Cned - Académie en ligne
Remarque
Certains gènes dupliqués deviennent des pseudo gènes : toujours présents sur le chromosome ils ne codent pas pour une protéine. Au cours
de l’évolution les duplications qui ont formé ces gènes ont été suivies de
mutations aux conséquences telles qu’une protéine fonctionnelle ne peut
être formée.
On peut résumer ces information sur le schéma suivant :
gène ε
gène γ
gène δ
gène β
Duplication
du gène 3
-50
-100
gène 2
-150
Duplication du gène 1
Temps
(106 années)
gène 3
Duplication du
gène 2
Actuel
-200
gène 1
-250
On peut également représenter les duplications, mutations à partir du
gène ancestral de la manière suivante.
gène ε
gène γ
gène δ
gène β
M
M
Chromsome 11
M
M
M
M
M : mutation(s)
DT : duplication
et transposition
DT
M
M
M
DT
Gène ancestral
160
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
DT
En étudiant les différentes globines présentés par différents vertébrés
on peut construire un arbre évolutif de la famille des globines.
gène ζ
gène ε
gène α
gène γ
Duplication
du gène 4
gène δ
gène 5
gène β
Duplication
du gène 5
Actuel
-50
-100
-150
gène 4
-200
-250
-300
gène 3
-350
Duplication
du gène 2
Temps
(106 années)
Duplication
du gène 3
-400
gène 2
Duplication du gène 1
gène 1
-450
-500
Une
famille multigénique :
a) est un ensemble d’allèles codant des protéines ayant la même fonction. Faux. Une famille multigénique est constituée de gènes différents
et non d’allèles
b) est un ensemble de gènes codant des protéines ayant la même fonction. Vrai
c) comprend des gènes ayant des séquences nucléotidiques différentes.
Vrai
d) dérivent d’un gène ancestral par accumulation de mutations. Faux.
Une famille multigénique nécessite également une duplication lors
d’un crossing over inégal.
Les
pseudogènes :
a) sont des gènes qui n’ont jamais été fonctionnels. Faux. Les mutations
étant aléatoires ; il peut apparaître dans la séquence d’un gène un
codon stop qui ne permet plus à ce gène de coder pour une protéine
fonctionnelle.
b) confirment le caractère aléatoire des mutations. Vrai
c) codent pour des protéines fonctionelles. Faux. (voir affirmation a)
d) ont accumulé une mutation codant pour un codon stop. Vrai
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
161
© Cned - Académie en ligne
Les
familles multigéniques :
a) montrent que les génomes se diversifient par création de nouveaux
gènes à partir de gènes existants. Vrai
b) sont le témoin d’innovations génétiques survenues dans le passé de
l’espèce .Vrai
c) ont pour origine une modification de la structure des chromosome.
Faux. Ce sont les remaniements chromosomiques qui modifient la
structure des chromosomes
d) ont pour origine une modification du nombre de chromosomes. Faux .
le nombre de chromosomes reste constant
[Non attendu]
Les mutations ayant un caractère aléatoire à partir d’un gène ancestral
les différents gènes dupliqués peuvent conduire à :
Des gènes permettant la synthèse de protéines fonctionnelles (globines ␣, ␤, y ,␴, e z,)
Des gènes codant des protéines avec une fonction légèrement différente mais qui sera conservée au cours des temps géologiques (ex
myoglobine qui semble être la globine la plus ancienne).
Des pseudogènes qui ne codent pas pour des protéines mais dont les
séquences nucléiques ont été conservées.
—Pour aller plus loin :
Les pseudogènes expliquent dans une certaine mesure qu’une grande
partie de l’ADN n’est pas codant (d’autres pseudogènes existent dans
d’autres familles multigéniques)
La famille des gènes de la globine n’est qu’un exemple parmi beaucoup
d’autres de famille multigénique montrant l’évolution du génome par
duplication.
Ainsi les protéines qui servent à l’emballage de l’ADN, les histones, sont
elles aussi codées par de multiples gènes quasiment identiques.
Gènes multiples et identiques encore pour les ARN des ribosomes :
jusqu’à 5000 copies du même gène.
Dans la famille des globines, les différentes molécules fabriquées, les
hémoglobines, ont gardé la même fonction, celle liée à la fixation de
l’oxygène,mais le processus de duplications suivies de mutations ne
conserve pas toujours la fonction du gène ancestral.
Comme nous l’avons souligné 15 % de nos gènes sont présents au moins
en deux exemplaires. Ces phénomènes de duplication sont fréquents
chez toutes les espèces (30 % des gènes de levure sont dupliqués) et
sont de plus en plus étudiés.
Les chercheurs pensent que les duplications sont un des moteurs de
l’évolution.
162
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Activité 6
Montrer comment les virus ont contribué à la complexification
des génomes
Les étapes clés du cycle d’un rétrovirus sont les suivantes :
1) Fixation du virus à la surface de la cellule
2) Fusion entre la membrane du virus et la membrane de la cellule infectée.
3) Copie de l’ARN viral en ADN simple brin puis double brin grâce à l’enzyme transcriptase inverse.
4) Transport du génome vers le noyau
5) Intégration du génome au noyau
6) Transcription du génome viral et traduction.
7) Production de protéines virales
ARN viral
précédemment
contenu dans
le virus
Étape 3
Étape 1
fusion des
membranes
transcriptase
inverse
et injection du
contenu du virus
dans le cytoplasme
de la cellule hôte
ADN de la
cellule hôte
apportée par
le virus
Étape 2
ADN
viral
Étape 4
protéines virales
qui s’assemblent ici
avec l’ARN viral
pour former de
nouveaux virus
Étape 5
Étape 7
traduction
de l’ARN en
protéines virales
transcription
de l’ADN viral
en ARN viral
Étape 6
Étape 8
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
163
© Cned - Académie en ligne
Si l’information génétique virale s’intègre dans le génome des cellules
germinales, elle pourra être transmise aux descendants.
Les protéines codées par les gènes de ‘’syncytines ‘’ pourraient être
responsables de la formation du syncytrophoblaste.
Les scientifiques nous précisent que les gènes découverts chez la
souris et chez les êtres humains ne sont pas des gènes orthologues.
Ces gènes ne descendent pas d’un gène ancestral commun présent
chez le dernier ancêtre commun aux deux espèces.
Ce résultat indique, qu’à plusieurs reprises au cours de l’évolution des
mammifères, des gènes d’enveloppe de rétrovirus ont été capturés et
conservés pendant plusieurs dizaines de millions d’années, de manière
indépendante à la fois dans la branche des primates et celle des rongeurs.
La formation du placenta est un processus physiologique important
chez les mammifères. Cet organe permet en effet des échanges de
nutriments et de gaz respiratoires entre l’embryon et la mère.
Les résultats montrent que les embryons porteurs de la délétion du
gène syncytine à l’état homozygote meurent de façon prématurée car
le syncytrophoblaste n’a pas pu se former correctement altérant ainsi
les échanges entre le sang maternel et l’embryon.
Ces résultats démontrent que les protéines codées par ces gènes sont
nécessaires à la syncytialisation des cellules et la formation du syncytrophoblaste.
Les embryons hétérozygotes possèdent un allèle fonctionnel codant
pour une protéine fonctionnelle qui permettra la formation du syncytrophoblaste.
Grâce au modèle animal, les chercheurs ont donc démontré que les syncytines sont effectivement impliquées dans la formation du placenta.
Ces résultats démontrent que l’infection d’espèces ancestrales par des
rétrovirus infectieux, la transmission des rétrovirus intégrés, et la capture
de leur gène d’enveloppe sont des phénomènes aléatoires qui ont contribué à l’établissement de fonctions essentielles pour les mammifères.
Une hypothèse radicale peut alors être faite, selon laquelle l’apparition
des mammifères placentaires il y a près de 100 millions d’années pourrait être liée à la « capture fondatrice » d’un rétrovirus –dont on sait qu’ils
sont apparus bien avant les mammifères qui aurait permis de passer d’un
mode de développement embryonnaire « externe » -chez les animaux qui
pondent des oeufs- à un mode « interne » dans lequel l’embryon est alimenté et protégé du système immunitaire de la mère par son placenta.
[Non attendu]
164
© Cned - Académie en ligne
Cet événement fondateur aurait pu exploiter une deuxième propriété essentielle des protéines d’enveloppe rétrovirale –en plus de leur capacité à
faire de la fusion- à savoir leur fonction immunosuppressive, possiblement
impliquée dans l’établissement de la tolérance de la mère vis-à-vis de l’embryon et du placenta.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
C
orrection des activités
du chapitre 5
Activité 1
Identifier le rôle des gènes homéotiques
Le mutant antennapedia possède des pattes à la place des antennes.
[Non attendu]
Afin de vérifier la fonctionnalité de ces pattes, Bateson déposa du
sucre sur les pattes développées en lieu et place des antennes.
Chez les drosophiles, les pattes possèdent des cellules du goût. Il
constata que la drosophile déroula sa trompe de la même manière que
si du sucre avait été déposé sur les vraies pattes. Des informations ont
donc circulé, via des circuits nerveux, des cellules du goût aux centres
nerveux de la drosophile. Ces pattes sont donc fonctionnelles.
Le mutant bithorax possède 2 paires d’ailes alors qu’une mouche normale ne possède qu’une paire d’ailes sur le deuxième segment thoracique. Chez la mouche mutante, le troisième segment thoracique
ressemble donc au second segment thoracique.
Nous savons que les gènes de structure codent pour une protéine
donnée. Or la mise en place d’un organe aussi complexe qu’une patte
ou une aile nécessite l’intervention de nombreux gènes permettant la
réalisation de nombreux types cellulaires différents. Il ne semble pas
possible qu’une mutation sur un gène de structure donné puisse avoir
des conséquences phénotypiques aussi importantes
Nous constatons que la mutation bithorax présente sur le troisième
segment thoracique une paire d’ailes qui normalement se trouve sur
le second segment thoracique. Cela signifie que le gène antennapedia s’est exprimé dans cette région du corps alors qu’il est normalement inactif. À l’origine de l’expression du gène antennapedia , on
peut supposer une mutation du gène Ubx correspondant à une perte
de fonction de ce gène.
[Non attendu]
Activité 2
Le phénotype antennapedia a pour origine l’expression dans la région
de la tête du gène antennapedia normalement inactif dans cette région
Montrer que l’expression des gènes est régulée
La différence de phénotype ne peut pas s’expliquer par des mutations
sur le gène codant pour la lactase car les séquences nucléotidiques sont
identiques dans les deux situations. Ceci est corrélé par le fait que les
individus LNP fabriquent de la lactase jusqu’à l’âge de 5 ans.
L’absence d’ARN messagers après l’âge de 5 ans chez les individus LNP
indique qu’il s’est produit un changement au niveau de la transcription.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
165
© Cned - Académie en ligne
Le gène de la lactase n’est plus transcrit en ARN messager donc plus de
lactase synthétisée dans le cytoplasme des cellules.
Chez les individus LNP, le gène de la lactase jusqu’à 5 ans s’exprime et
après 5 ans cesse de s’exprimer.
Une différence phénotypique peut donc avoir pour origine une différence
dans la chronologie de l’expression d’un gène et non dans la séquence
codante de ce gène.
Se pose la question des facteurs à l’origine de l’expression ou de la non
expression d’un gène.
Activité 3
Comparer les gènes de développement pour en identifier les
homologies de séquence
Le document 13 présente la disposition des gènes homéotiques Hox
B sur le chromosome 11 et la séquence en acide aminés de l’homéodomaine des protéines respectivement codées par les gènes homéotiques HoxB4 , HoxB7, HoxB9 et HoxB1.
En comparant les séquences en acides aminés, nous pouvons constater qu’elles présentent une forte homologie.
Par exemple, l’homéodomaine de la protéine codée par Hox B7 présente 83 % de similitudes (50 acides aminés identiques sur un total
de 60 acides aminés) avec l’homéodomaine de la protéine codée par
hoxB4.Ces différences s’expliquent par quelques mutations ponctuelles dans la séquence nucléotidique des gènes HoxB7 et HoxB4.
La même analyse peut être réalisée pour les autres gènes.
Ces similitudes s’expliquent par l’existence d’un gène homéotique
ancestral qui s’est dupliqué. Les copies faisant ensuite l’objet de
mutations ponctuelles aléatoires.
Les gènes HOX de la souris constitue donc une famille multigénique.
Le gène HoxB6 de la souris activé dans les cellules embryonnaires à
l’origine de la tête déclenche la formation d’une patte de drosophile à
la place des antennes.
Expliquer le résultat de cette transgénèse revient à expliquer le fonctionnement des gènes homéotiques.
Des mutations sur des gènes homéotiques ont pour origine des modifications phénotypiques importantes ce qui est difficilement compréhensible si on assimile les gènes homéotiques à des gènes de structure.
Ce constat s’explique bien cependant si les gènes homéotiques sont
des gènes régulateurs contrôlant l’expression d’autres gènes.
Nous savons que les gènes régulateurs codent pour des facteurs de
transcription agissant sur des sites de l’ADN.
166
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Le document 10 compare les séquences Box des gènes homéotiques
antennapedia et HoxB6.
Nous pouvons constater que ces séquences présentent de fortes
homologies. Par conséquent, les protéines codées par ces séquences
nucléotidiques seront aussi similaires. Cette similarité au niveau de
la séquence d’acides aminés permettra donc aux protéines homéotiques codées par le gène HoxB6 de se fixer sur des sites spécifiques
de l’ADN de drosophile et de déclencher l’expression de gènes de drosophiles permettant la formation d’une patte.
Ces différentes étapes peuvent être schématisées :
Isolement d’un gène
homéotique de souris
TRANSGÉNÈSE
sur un chromosome
de drosophile
Production d’une protéine
homéotique de souris chez
la drosophile
Activation des gènes
de structure de
la drosophile
Production de protéines
de structure de drosophile
Transcription
Traduction
Formation d’une patte de
drosophile (par exemple )
au niveau des cellules de drosophile
modifiées (la tête par exemple)
Le document 14 montre que l’ensemble des homéodomaines (60
acides aminés) des 346 protéines homéotiques connues chez diverses
animales, dont les séquences ont été comparées à la séquence de
l’homéodomaine de la protéine homéotique antennapedia présentent des homologies de séquences.
Certains acides aminés n’ont pas beaucoup été modifiés dans la protéine alors que d’autres ont beaucoup variés.
Ainsi le 5e acide aminé est dans toutes les protéines l’acide aminé
arginine (symbole international R) alors que le premier acide aminé
n’est l’arginine que dans un peu plus de 50 acides aminés.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
167
© Cned - Académie en ligne
Il apparaît que les acides aminés impliqués dans le repliement de la
protéine ou dans la fixation de la protéine sur l’ADN sont les acides
aminés les plus conservés. Une modification dans la séquence
nucléotidique provoque une modification de la structure spatiale de
la protéine ce qui influe sur sa capacité à se fixer sur l’ADN.
Une conservation des acides aminés impliqués dans le repliement de
la protéine ou dans la fixation de la protéine sur l’ADN permet de ne
pas altérer la fonction de la protéine homéotique.
Cette conservation peut donc s’expliquer par une pression stabilisante liée à la sélection naturelle.
La partie pour débuter a souligné les difficultés d’expliquer par la
théorie gradualiste de l’évolution certains faits biologiques comme
par exemple l’apparition d’un nouveau plan d’organisation ce que les
spécialistes nomment une macroévolution.
La compréhension du fonctionnement des gènes homéotiques permet d’envisager une explication. En effet, une mutation sur un gène
homéotique modifie l’expression de nombreux gènes de structure
induisant des modifications phénotypiques spectaculaires.
Ce phénomène a peut-être été à l’origine d’innovations importantes
sur le plan évolutif.
Activité 4
Montrer que des formes différentes peuvent résulter de variations
dans l’intensité d’expression de gènes communs.
On s’intéresse à l’expression d’un gène commun aux drosophiles, le gène
yell codant pour un protéine à l’origine de la pigmentation de la drosophile.
Il faut bien comprendre que ce gène de structure n’a subi aucune mutation.
Alors comment expliquer dans ces conditions l’acquisition d’un caractère nouveau : les tâches sur l’extrémité des ailes ?
La situation chez l’ancêtre des drosophiles nous montre que l’expression du gène yell dans l’aile est contrôlée par une séquence régulatrice
possédant deux sites de liaison. Le lien des facteurs de transcription sur
ces sites de liaison déclenche une expression faible et uniforme du gène
yell à l’origine d’une coloration gris clair.
Chez les espèces de drosophiles présentant des taches, nous constatons la présence d’un nouveau site de liaison sur lequel se fixeront des
facteurs de transcriptions existant dans les cellules de l’aile.
Cette modification aura pour conséquence une expression plus intense
du gène yell dans certaines cellules de l’aile. L’expression plus intense
se traduira par davantage d’ARN messager et une concentration plus élevée de protéine.
On doit noter que la mutation dans la séquence régulatrice contrôlant
l’expression du gène yell au niveau des ailes ne modifie pas la fonction
168
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
de la protéine codée par le gène yell pas plus qu’elle ne modifie l’expression de ce gène dans les autres parties de l’organisme.
Certaines espèces de drosophile ont perdu un caractère, la coloration
noire de l’extrémité de l’abdomen, par rapport à l’espèce ancestrale.
Comment l’expliquer ?
Nous constatons que sur la séquence régulatrice contrôlant l’expression
du gène yell dans la partie abdominale un site de liaison a disparu à la
suite de mutations. Cette modification a pour conséquence la non expression du gène yell dans les cellules de l’abdomen. Le gène yell continue
cependant de s’exprimer dans les autres régions de l’organisme.
Remarque
Le même résultat eut été obtenu par une mutation sur le gène de structure
de Yell. Cependant l’absence de protéine yell peut s’avérer préjudiciable et
par conséquent cette mutation n’est pas retenue par la sélection naturelle.
Des modifications sur les séquences régulatrices des gènes modifient le
profil d’expression des gènes et peuvent être à l’origine de la diversification des êtres vivants.
Activité 5
Montrer que les mutations sur des gènes homéotiques peuvent être à
l’origine de processus d’hétérochronie.
Montrer en utilisant l’ensemble des documents que ces différences
pourraient résulter d’une variation dans la chronologie du développement entre l’espèce ancestrale commune à l’homme et au chimpanzé
et ses descendants
Chimpanzé
Fœtus
Arrondie
Absence de
bourrelets sus
orbitaires
Forme du crâne
Face non projetée vers l’avant
Position du trou occipital
Sous le crâne
Homme
Adulte
Face projetée
vers l’avant
Bourrelets sus
orbitaires
Bascule du trou
occipital vers
l’arrière
Fœtus
Arrondie
Adulte
Arrondie
Absence de
bourrelets sus
orbitaires
Absence de
bourrelets sus
orbitaires
Face non projetée vers l’avant
Face non projetée vers l’avant
Sous le crâne
Sous le crâne
Le crâne d’un jeune chimpanzé et le crâne d’un homme adulte se ressemblent. Cette ressemblance suppose un développement similaire. Le crâne
d’un homme adulte ne ressemble pas au crâne d’un chimpanzé adulte. Le
développement du crâne chez l’homme semble ralenti voire stoppé. Les
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
169
© Cned - Académie en ligne
caractères juvéniles se maintiennent donc chez l’homme adulte et on peut
noter que les caractères simiesques n’apparaissent pas.
L’allongement par 4 de la phase embryonnaire au cours de laquelle les
neurones se multiplient pourrait être à l’origine du développement cérébral plus important chez l’homme.
La phase fœtale est raccourcie chez l’homme
La phase lactéale est doublée chez l’homme ce qui a pour conséquence
l’absence de migration du trou occipital vers l’arrière et par conséquent
le maintien de la bipédie.
Lors de la phase de substitution, le ralentissement du développement
empêche l’apparition des caractères simiesques de la face.
Certaines différences entre l’homme et le singe peuvent s’expliquer par
des ralentissements ou des accélérations du développement.
Le passage de la nageoire à a patte montre que le temps de déve-
loppement détermine la structure produite. Au cours de l’évolution, des
mutations affectant des gènes homéotiques seraient à l’origine d’une
modification du plan d’organisation.
On peut donc poser comme hypothèse que les différences observées
dans la durée des différentes phases du développement entre deux
espèces proches l’une de l’autre comme l’homme et le chimpanzé aient
pour origine des mutations sur des gènes contrôlant le développement.
170
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
C
orrection des activités
du chapitre 6
Activité 1
Montrer qu’une diversification des êtres vivants est aussi possible sans modifications des génomes (symbiose)
Montrer à travers les différents exemples proposés que la symbiose
peut être définie comme une association physique durable entre
deux organismes d’espèces différentes et qui est bénéfique à chacun d’eux. Vous montrerez également l’importance de ces symbioses
dans le fonctionnement des écosystèmes.
Les échanges entre riftia et les bactéries chimiolithotrophes
Rifitia
Bactéries chimiolithotrophes
Transport de l’hydrogène sulfuré combiné
à l’hémoglobine
Oxydation de molécules
d‘hydrogène sulfuré
Utilisation des molécules organiques
à des fins énergétiques
Production de molécules organiques
Utilisation des molécules organiques à des
fins énergétiques
Les échanges entre l’algue et le champignon
Champignon
Apporte l’eau et les sels minéraux
Utilisation des molécules organiques
(respiration) à des fins énergétiques
Algue
Photosynthèse
Production de matière organique
Utilisation des molécules
organiques(respiration) à des fins énergétiques
Les échanges entre un vertévré ruminant et les microorganismes du tube digestif
Vertébré ruminant
Cellulose (molécule organique complexe)
Production d’énergie nécessaire à la vie
cellulaire de l’hôte
Microorganismes du tube digestif
Dégradation de la cellulose par fermentation
Molécules organiques simples
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
171
© Cned - Académie en ligne
La symbiose joue un rôle fondamental dans le fonctionnement de certains écosystèmes et est parfois à l’origine de leur existence. Ainsi sans
l’association symbiotique, les lichens ne pourraient pas coloniser une
surface inerte comme un rocher. L’association entre l’algue et le champignon permet la production de molécules organiques utilisées à des fins
énergétique par les deux organismes.
De la même manière sans l’association symbiotique, rifitia ne pourrait pas
coloniser les zones hydrothermales. À noter que l’association symbiotique
entre rifitia et les bactéries chimiolithotrophes est le point de départ d’une
chaîne trophique et conditionne donc l’existence même de l’écosystème.
Les chloroplastes sont des organites que l’on trouve dans les cellules
végétales chlorophylliennes qui permettent la photosynthèse c’est-àdire la production de matière organique à partir de molécules minérales.
Les mitochondries sont des organistes présents chez les cellules eucaryotes animales et végétales. Les mitochondries sont des organites qui
permettent la respiration aérobie (en présence d’02) fournissant ainsi
l’énergie nécessaire à la vie cellulaire.
Les mitochondries possèdent deux membranes. L’une d’entre elle pourrait être la membrane de la cellule hôte.
Présence d’un génome circulaire dans la mitochondrie. Comme chez les
bactéries, celui-ci est formé d’un chromosome circulaire parfois présent
en plusieurs exemplaires. Comme chez les bactéries le génome n’est pas
isolé au sein de l’organite.
Présence dans la membrane de la mitochondrie de lipides d’origine bactérienne.
Les mitochondries se divisent de façon autonome. Les mitochondries
proviennent toujours de mitochondries préexistantes ce qui n’est pas
sans rappeler la division des bactéries.
Les chloroplastes possèdent également deux membranes. Comme pour la
mitochondrie, l’une d’entre elle pourrait être la membrane de la cellule hôte.
Les chloroplastes se divisent de façon autonome. Les chloroplastes proviennent toujours de chloroplastes préexistants qui évoquent pour les
mitochondries la division des bactéries.
Lipides de la membrane des chloroplastes semblent d’origine bactérienne.
Les chloroplastes possèdent également leur propre génome. Celui-ci
comme chez les bactéries est formé d’un chromosome circulaire parfois
présent en plusieurs exemplaires.
Comme chez les bactéries le génome n’est pas isolé au sein de l’organite.
Les chloroplastes remplissent une fonction qui est également réalisée
chez des cyanobactéries.
172
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
Ces arguments montrent que les caractères de ces organites sont proches
de ceux des bactéries.
Cette théorie selon laquelle les chloroplastes et les mitochondries
seraient en fait des bactéries est aujourd’hui largement acceptée par la
communauté scientifique.
Le document représente une bactérie ‘’actuelle’’ phagocytée par un
macrophage ‘’actuel’’. Les bactéries phagocytées sont le plus souvent
digérées et détruites par la cellule phagocytaire.
Ce mécanisme de phagocytose est vraisemblablement le mécanisme qui a
permis aux cellules eucaryotes d’acquérir des bactéries primitives.
On peut élaborer le scénario suivant en s’appuyant sur le document 11.
Les cellules eucaryotes hétérotrophes primitives consommaient de la
matière organique qui vraisemblablement était digérée à l’extérieur de
la cellule avant que le produit de la digestion ne soit ingéré par la cellule.
Ces cellules ont certainement acquis la capacité de réaliser la phagocytose et parallèlement à cette acquisition la digestion est devenue intracellulaire.
Des cellules eucaryotes primitives (A) ont phagocytée une bactérie
capable d’utiliser l’02 (C) Cet évènement se serait déroulé il y a 2 à 3 milliards d’année. Se pose la question de la tolérance de la cellule hôte à
l’égard de la bactérie primitive.
Dans un deuxième temps, une cellule eucaryote aurait acquis des bactéries photosynthétiques de type cyanobactérie.
L’ordre probable est donc A, C, B.
Toutes les cellules eucaryotes actuelles possèdent des mitochondries
ce qui prouve que l’acquisition de bactéries primitives à l’origine des
mitochondries à constitué un avantage sélectif important à l’origine
d’une nouvelle lignée.
La même remarque peut s’appliquer pour l’acquisition des bactéries à
l’origine des plastes.
L’endosymbiose a donc eu des conséquences importantes sur le plan
évolutif en permettant à des cellules eucaryotes d’acquérir des fonctions
initialement réalisées par des cellules de type procaryote.
[Non attendu]
Nous savons que les mitochondries sont des organites qui permettent à
la cellule d’utiliser l’02 à des fins énergétiques. Au cours de ces réactions
chimiques l’02 est finalement transformé en eau.
Pourtant le document 11 montre que l’02 s’est accumulé dans l’atmosphère après l’acquisition des mitochondries. En effet, l’02 initialement
produit par les cyanobactéries était mobilisé par l’oxydation de différents composés présents à la surface de la planète (le fer par exemple).
Ce n’est que vers 2 Ga que celui-ci s’est accumulé dans l’atmosphère.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
173
© Cned - Académie en ligne
Quel avantage pouvait donc apporter la présence de mitochondries dans
une cellule en absence d’02 libre ?
L’02 est un composé toxique pour les cellules et lorsque l’02 s’est accumulé, seuls les organismes pouvant vivre en milieu anoxique et ceux
étant capable de résister à la toxicité de l’02 (comme celles possédant
des bactéries à l’origine des mitochondries) ont survécu.
Il peut sembler curieux d’envisager l’02 comme une molécule toxique
alors que l’02 est associé à une source de vie.
L’02 peut se combiner avec des radicaux libres produisant des molécules
hautement toxiques comme l’eau oxygénée (utilisée comme désinfectant donc éliminant les microorganismes). La présence de mitochondries
a donc dans ce nouvel environnement constitué un avantage sélectif
important.
Les chercheurs ont montré qu’au cours de l’évolution des gènes issus
de plastes et des mitochondries ont été transférés au génome nucléaire
ce qui signifie que dans le génome des eucaryotes il existe des gènes
d’origine procaryote .Cet exemple illustre bien la dynamique du génome
vu au cours du chapitre 4.
Activité 2
La transmission de phénotypes comportementaux nouveaux
Faux. On peut constater que des comportements présentant un même
degré de complexité sont représentés sur les différents sites. Par
ailleurs, la pêche aux termites ne représente pas un degré de complexité supérieur à celui consistant à casser des noix et pourtant il
n’est pas présent sur le site de Boussou. Il apparaît que tous ces
groupes possèdent la même aptitude à apprendre mais le contexte
diffère d’un groupe à l’autre.
Vrai. On constate que les comportements varient géographiquement
ce qui tend à prouver que les comportements ont été inventés à un
endroit particulier. Ils se sont ensuite répandus ensuite au sein d’un
groupe donné par imitation. Les comportements appris se transmettent d’une génération à l’autre.
Faux. Nous savons que les mutations qui modifient les séquences
d’ADN surviennent de façon aléatoire c’est-à-dire qu’elles ne sont pas
orientées par l’environnement. Les variations des phénotypes comportementaux ne sont pas aléatoires c’est-à-dire qu’elles ont pour origine un environnement donné.
Faux. Les gènes ne sont transmis qu’à des individus apparentés ce qui
n’est pas le cas des comportements appris qui peuvent être transmis
à tous les individus d’un groupe donné
174
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
C
orrection des exercices
du chapitre 2
Exercice 1
Tester ses connaissances
A) Haploïde : se dit d’un organisme ou d’une cellule eucaryote qui possède qu’un lot de chromosomes homologues : ex : les gamètes
Diploïde : se dit d’un organisme ou d’une cellule eucaryote qui possède des paires de chromosomes homologues.
Chromosomes homologues : chromosomes identiques par leur taille
et leur forme. Ils portent les mêmes gènes aux mêmes loci mais pas
forcément les mêmes allèles.
Zygote : cellule œuf issue de la fécondation entre un ovule et un spermatozoïde.
B) La fécondation :
permet le passage de la diploïdie à l’haploïdie.
Faux – La fécondation rétablit la diploïdie.
correspond à la fusion de deux gamètes haploïdes
est une caractéristique de la reproduction sexuée
se réalise au hasard.
La méiose :
rétablit la diploïdie.
Faux – Elle permet le passage de la diploïdie à l’haploïdie.
sépare au hasard les chromosomes homologues dans deux cellules distinctes
intervient juste après la fécondation chez les mammifères.
Faux – Elle précède la fécondation.
se déroule dans les gonades chez les mammifères.
La division réductionnelle de la méiose :
divise par deux la quantité d’ADN mais pas le nombre de chromosomes.
Faux – La première division est une réduction chromatique qui
divise par 2 le nombre de chromosomes ce qui explique la diminution par 2 du taux d’ADN dans le noyau d’une cellule.
est la première division
est la deuxième division. Faux
est précédée d’une phase de réplication de l’ADN
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
175
© Cned - Académie en ligne
aboutit à deux cellules à n chromosomes.
La division équationnelle de la méiose :
divise par deux la quantité d’ADN mais pas le nombre de chromosomes
est la première division. Faux
est la deuxième division
est précédée d’une phase de réplication de l’ADN.
Faux – Pas de réplication entre les deux divisions cellulaires
Après la méiose :
chaque cellule formée contient un seul représentant de chaque
paire de chromosomes homologues
chaque cellule formée contient toutes les paires de chromosomes
homologues.
Faux – Les chromosomes homologues se séparent au cours de la
première division de méiose.
l’information génétique est qualitativement la même que dans la
cellule souche.
Faux – Chaque cellule ne contient qu’une chromatide donc un
allèle sur les deux présents dans la cellule de départ.
l’information génétique contenue dans les cellules filles est quantitativement la même que dans la cellule souche.
Faux – Chaque cellule fille ne possède que la moitié de l’information génétique contenue dans la cellule de départ.
Remarque
Les cellules formées à l’issue de la méiose sont quantitativement et qualitativement différente de la cellule souche : elles sont haploïdes et ne renferment qu’un allèle de chaque gène.
Exercice 2
Comparer la méiose et la mitose
MITOSE
MEIOSE
Réplication de l’ADN
Pendant l’interphase avant le
début de la mitose
Pendant l’interphase
avant la méiose 1
Nombre de divisions
une
deux
Nombres de phases principales
4 (prophase, métaphase, anaphase, télophase.)
7 ou 8
Ensemble de l’organisme
Glandes reproductrices
(tubes séminifères des testicules et ovaires)
Lieu de divisions
et cellules concernées
Cellules somatiques
Cellules germinales
176
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
Nombre de lot de chromosomes
à l’issue de la division
Nombre de cellules filles formées et composition génétique
2
4
4 cellules haploïdes qui ne
contiennent que la moitié du
2 cellules diploïdes identiques nombre des chromosomes de la
cellule mère
à la cellule mère
Ces cellules sont génétiquement
différentes de la cellule mère
Exercice 3
Comportement des chromosomes au cours de la méiose
Ordre chronologique : C / D / B / A
Exercice 4
Comportement des chromosomes et formation des cellules reproductrices
Ces 3 schémas présentent un mouvement des chromosomes vers les
pôles de la cellule caractéristique d’une anaphase.
En B, la cellule est constituée de 4 chromosomes et on peut observer une
séparation des chromatides à ne pas confondre avec la séparation des
chromosomes homologues. Ce schéma est caractéristique d’une mitose.
Le schéma A montre des chromosomes constitués deux chromatides.
Cette étape correspond à la séparation des chromosomes homologues
caractéristique de la première division de méiose.
En C, la cellule est constituée de 2 chromosomes et on peut observer la
séparation des chromatides. Ce mouvement des chromosomes peut être
observé au cours de la deuxième division de méiose.
Quantité d’ADN et formation des cellules reproductrices
m
éio
se
réplication de l’ADN
m
ito
se
Quantité d'ADN contenue
dans le matériel nucléaire
(unités arbitraires)
m
ito
se
Exercice 5
2Q
2Q
Q
Q/2
0
Temps
Avant chaque division cellulaire il y a une réplication de l’ADN. Les chro-
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
177
© Cned - Académie en ligne
mosomes passent de une à deux chromatides. Ce phénomène est matérialisée sur le graphique par le doublement de la quantité d’ADN (passage de Q à 2Q ADN).
Lors de la mitose, les deux chromatides de chaque chromosome se séparent ce qui se matérialise par une division par 2 de la quantité d’ADN
(passage de 2Q à Q ADN) contenue dans chaque cellule.
L’information génétique contenue dans chaque cellule fille est la même
que celle contenue dans la cellule mère initiale. La reproduction est qualifiée de conforme.
La méiose est formée de deux divisions successives. Lors de la première
division de méiose les chromosomes homologues se séparent ce qui se
traduit sur le graphique par une division de la quantité d’ADN(passage
de 2Q à Q ADN) . lors de la seconde division de la méiose, les chromatides de chaque chromosome se séparent (passage de Q à Q/2 ADN).
A l’issue d’une méiose, chaque cellule fille ne contient que la moitié de
l’information génétique contenue dans la cellule initiale.
178
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
C
orrection des exercices
du chapitre 3
Exercice 1
Tester ses connaissances
A) Définir les mots suivants :
Chromosomes homologues : Chromosomes identiques en taille forme
et position du centromère qui portent les mêmes gènes aux mêmes
locus mais pas forcément les mêmes allèles.
Gènes liés : Gènes portés par la même paire de chromosomes homologues.
Crossing-over : échanges de chromatides et donc des allèles portés
par ces chromatides entre chromosomes homologues lors de la prophase de la première division de méiose
B) Souligner la ou les affirmations exactes :
Le brassage interchromosomique :
Intervient avant le brassage intrachromosomique
Correspond à une séparation aléatoire des chromosomes homologues
Correspond à une séparation aléatoire des chromatides des chromosomes homologues.
se déroule en anaphase de méiose
Le brassage intrachromosomique :
Peut intervenir au cours des deux phases de la méiose
Succède au brassage interchromosomique.
Correspond à des échanges entres les chromatides des chromosomes lors de la prophase 1 de méiose
Correspond à des échanges entre chromatides de chromosomes
homologues en prophase 1 de méiose
Des gènes indépendants :
Sont des gènes dont les locus occupent une place différente sur
une même paire de chromosome.
Sont remaniés par le brassage intrachromosomique
Sont des gènes dont les locus sont situés sur des paires de chromosomes différentes.
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
179
© Cned - Académie en ligne
C) Indiquer à quelles étapes de la gamétogénèse on peut observer chacun des événements suivants
Avant la méiose durant l’interphase qui précède la première divi-
sion de méiose
Prophase 1
Prophase 1
Anaphase 2
Anaphase 1 : la séparation des chromosomes homologues se fait
au hasard (=brassage interchromosomique)
Exercice 2
Q.1.
Brassage intrachromosomique et brassage interchromosomique
Le schéma B illustre la notion de brassage intrachromosomique et
interchromosomique.
On constate que les deux chromatides d’un même chromosome ne
portent pas les mêmes allèles ce qui indique un crossing-over et
donc un brassage intrachromosomique. La ségrégation aléatoire des
chromosomes au cours de l’anaphase I sera à l’origine d’un brassage
interchromosomique.
Le schéma A illustre la notion de brassage intrachromosomique.
C’est faux car les deux gènes sont indépendants donc pas de brassage intrachromosomique. Ce schéma illustre cependant le brassage
interchromosomique.
À l’issue de la méiose, les cellules de type A produisent deux types
de gamètes.
Faux. 4 types de gamètes sont possibles. Les génotypes des différents
gamètes sont les suivants : Ab, aB, AB et ab
À l’issue de la méiose les cellules de type A produisent 4 types de
gamètes équiprobables.
La ségrégation des chromosomes étant aléatoire, la proportion de
chaque type gamète est équiprobable donc égale à 25%
À l’issue de la méiose les cellules de type B produisent 4 types de
gamètes équiprobables.
C’est faux. Le schéma montre qu’il y’ a eu un crossing-over à l’origine
d’un l’échange d’allèles (a, A, B et b) entre chromatides de chromosomes homologues. On sait que pour deux gènes liés, le crossingover ne se déroule pas dans toutes les cellules engagées dans la
méiose. On obtiendra deux types de gamètes parentaux et deux types
de gamètes recombinés dans une proportion inférieure.
180
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
Q.2.
4 types de gamètes sont possibles :
c
c
b
A
B
a
C
C
B
a
b
a
Exercice 3
Étude d’un brassage génétique au cours de la reproduction sexuée
Prophase I de la méiose
Prophase I de la méiose
Crossing-over
A l’issue de la méiose
A l’issue de la méiose
2 types de gamètes
4 types de gamètes
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
181
© Cned - Académie en ligne
Exercice 4
Étude d’un brassage génétique au cours de la reproduction sexuée
A) Vrai : on observe des chromosomes formés de deux chromatides qui
sont appariés par paire de chromosomes homologues avec possibilité d’echanges de fragments de chromatides au niveau des
chiasmas.
B) Vrai : il est homozygote.
C) Vrai : ce sont les deux allèles de type sauvage et tous les individus F1
ont ce phenotype à l’issue du premier croisement.
D) Faux : Si les deux gènes se trouvaient sur deux chromosomes différents, la génération F2 serait constituée par 4 types de phénotypes en quantités égales, ce qui n’est pas le cas : les gènes
sont liés.
E) Vrai : Ce phénotype est différent des phénotypes parentaux [corps gris
et œil prune]et [corps noir et œil clair]
F) Faux : car les gènes sont sur le même chromosome : l’ecriture correcte
du génotype des femelles F1 est : (g+,p+//g,p) .
Exercice 5
A) Faux : elles sont hétérozygotes : ce sont leurs parents qui sont homozygotes pour les deux gènes (ils sont de souches pures).
B) Faux : Toutes les drosophiles F1 ont les ailes normales et possèdent
l’allèle aile tordue qui est donc récessif.
C) Faux : les 4 phénotypes issus du croisement 2 sont en quantité égale
(25%) ce qui indique que les deux gènes sont situés sur des
chromosomes différents : il y a autant de phénotypes parentaux
que de phénotypes recombinés. (Résultats du brassage interchromosomique)
D) Vrai.
182
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
C
orrection des exercices
du chapitre 4
Exercice 1
Tester ses connaissances
Les gènes résultant d’une duplication :
A) Conservent toujours une séquence identique à la séquence d’origine
B) Peuvent avoir des séquences différentes s’ils mutent
C) Sont toujours obligatoirement situés sur le même chromosome que
le gène ancestral
D) Ne se dupliqueront qu’une seule fois
E) Codent pour des molécules homologues
F) Forment une famille multigénique.
Les gènes résultant d’une duplication peuvent avoir des séquences différentes s’ils mutent, codent pour des molécules homologues et forment
une famille multigénique
Sont des innovations génétiques :
A) Les remaniements chromosomiques
B) Les mutations
C) Les duplications de gènes
D) La méiose
E) La sélection naturelle.
Les remaniements chromosomiques, les mutations, les duplications de
gènes sont des innovations génétiques
Les familles multigéniques :
A) Sont formées de gènes ayant des séquences d’ADN communes
B) Dérivent d’un gène ancestral par accumulation de mutations
géniques
C) Sont le témoin d’innovations génétiques survenues dans le passé
de l’espèce
D) Dérivent d’un gène ancestral par duplication, transposition et
mutation génique.
L’accumulation de mutations produit un ou des allèle(s) d’un gène. Pour
la création d’une famille multigénique, il est nécessaire d’avoir au préalable une ou des duplication(s) du gène ancestral. La réponse B n’est
donc pas exacte.
Corrigés des activités – Séquence 4 – SN02
183
© Cned - Académie en ligne
Exercice 2
Des anomalies chromosomiques lors de la méiose
Évolution normale
Évolution anormale
Parents
Mère
Père
Mère
Père
Gamètes
possibles
Enfants
possibles
44 + XX
44 + XX
44 + XY
Phénotype Phénotype Phénotype
féminin
féminin masculin
normal
normal
normal
Exercice 3
44 + XY
Phénotype
masculin
normal
44 + XXX
Phénotype
féminin
Syndrome
du triple X
44 + X
Phénotype
féminin
Syndrome
de Turner
44 + XXY
44 + Y
Phénotype non viable
masculin
Syndrome de
Klinefelter
Des remaniements chromosomiques lors de la méiose
Le caryotype de Monsieur A
Chromosomes
sexuels
Y
Un chromosome
14 normal
Un chromosome
14 transloqué
par un 21
X
Un chromosome
21 normal
14, 14, 21, 21, X, Y
Translocation
équilibrée
La méiose aboutit à la séparation des chromosomes homologues.
Chaque gamète porte un lot haploïde de chromosomes.
Si l’on considère les chromosomes 14,21 et XY alors 8 combinaisons
sont possibles.
184
© Cned - Académie en ligne
14, 21, Y
14, 21, X
14, 21, 21, Y
14, 21, 21, X
14, Y
14, X
14, 21, Y
14, 21, X
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
L’individu B qui est une femme présente un caryotype normal. Chaque
ovule présente donc la garniture chromosomique suivante :
Recherche des caryotypes possibles des enfants de ce couple :
+ Fécondation
+ Fécondation
Translocation
équilibrée :
cette fille a
un phénotype
normal
Caryotype
normal :
cette fille a
un phénotype
normal
+
+
Fécondation
Monosomie 21 :
fausse couche
Fécondation
Trisomie 21 :
cette fille a un
phénotype
mongolien
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
185
© Cned - Académie en ligne
Exercice 4
Diversification du vivant par hybridation puis polyploïdisation
Q Première étape
2n = 20
n = 10
La formation de l’hybride Senecio squalidus a eu lieu à l’issue
d’une fusion entre un gamète de
Senecio aethnensis et Senecio
chrysanthemifolius.
gamète
Senecio aethnensis
+=
2n = 20
Senecio
squalidus
2n = 20
Senecio chrysanthemfolius
n = 10
gamète
Les deux espèces parentales possèdent le même nombre de chromosomes et les chromosomes
sont suffisamment proches pour
qu’ils puisent s’apparenter lors
de la méiose. Senacio squalidus
est fertile.
Q Seconde étape
n = 20
2n = 40
Senecio vulgaris
gamète
+=
2n = 30
Senecio
cambresis
2n = 20
Senecio squalidus
Senecio squalidus s’hybride
avec Senacio vulgaris. L’hybride
possède donc 30 chromosomes
mais il est stérile. En effet, les
deux espèces parentales ne
possèdent pas le même nombre
de chromosomes. Ceux-ci ne
pourront pas être associés par
paires lors de a méiose produisant les gamètes.
n = 10
gamète
(une des 4
combinaisons possibles)
Pourtant Senacio cambrensis est fertile. Que s’est-il passé ?
On constate égalment que senacio cambrensis possède 60 chromosomes donc deux lots de chromosomes issus de senacio squalidus et
deux lots de chromosomes issus de senacio vulgaris.
186
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
Hypothèse 1 : une non ségrégation des chromosomes lors d’une mitose
a entraîné un doublement de nombre de chromosomes rétablissant la
fertilité de Senecio cambrensis. En effet lors de la méiose les chromosomes pourront s’apparier par paire.
Hypothèse 1
Absence de division
du cytoplame en deux
cellules filles lors de la
mitose
2n = 60
2n = 30
Senecio
cambresis
Hybride stérile car la
méiose est impossible
Hybride fertile car la
méiose est possible
Hypothèse 2 : un problème lors de la méiose produisant les gamètes de
Senecio vulgaris et squalidus a doublé le nombre de chromosomes
Problème lors de
la méiose :
non séparation des
chromosomes
homologues
n = 40
2n = 40
gamète
Senecio vulgaris
+=
Hypothèse 2
2n = 60
Senecio
cambresis
Problème lors de
la méiose :
non séparation des
chromosomes
n = 20
homologues
2n = 20
gamète
Senecio squalidus
Corrigés des exercices – Séquence 4 – SN02
187
© Cned - Académie en ligne
C
orrection du devoir
autocorrectif n° 2
Partie 1
Question de synthèse
Introduction
L’unicité de chaque individu d’une population est due à l’existence d’allèles différents pour un grand nombre de gènes et au fait de posséder
une combinaison allèllique originale sur ses chromosomes
Nous rechercherons l’origine de ces combinaisons originales d’allèles
chez chaque individu.
Tout individu diploïde est issu du développement d’une cellule-œuf
résultant de la fécondation, c’est-à-dire de la rencontre au hasard de 2
gamètes produits par ses parents : les allèles apportés par ces gamètes
sont à l’origine des combinaisons alléliques propres à l’individu. La
méiose étant le mécanisme permettant la production de gamètes chez
les diploïdes, il s’agit d’expliquer comment elle aboutit à la production
de divers types de gamètes.
N.B.
Ce sujet porte essentiellement sur la méiose. Il ne s’agit pas de traiter des
différentes étapes de la méiose mais de s’appuyer dessus pour expliquer
le brassage génétique.
1. La méiose et le brassage interchromosomique
Considérons 2 gènes indépendants donc portés par 2 paires différentes
de chromosomes homologues, les 2 gènes étant présents sous forme de
2 allèles chacun : par exemple, 1 caractère gouverné par le couple d’allèles (A//a) et 1 caractère gouverné par le couple d’allèles (B//b).
Cellule mère des gamètes
Cette cellule-mère des
gamètes subit une réplication de son ADN avant
d’entrer en méiose : ne pas
oublier qu’alors, ses chromosomes possèdent 2 chromatides (allèles identiques sur les 2 chromatides d’un même chromosome du fait de la réplication semi-conservative).
188
© Cned - Académie en ligne
Corrigé du devoir autocorrectif – Séquence 4 – SN02
a. Les mécanismes
La méiose comporte 2 divisions successives. Lors de la première division
de méiose, en métaphase I puis anaphase I, les paires de chromosomes
homologues se comportent de façon indépendante ; la répartition et la
séparation des chromosomes de chaque paire se fait au hasard et de
manière indépendante : il en résulte 2 types de répartitions possibles
aboutissant à 4 types de cellules-filles à l’issue de la 1re division de
méiose.
Les deux allèles de chaque gène sont ainsi séparés et dans les cellules
filles sont créées des associations nouvelles des allèles des deux gènes.
La seconde division de la méiose ou division équationnelle sépare les
deux chromatides de chaque chromosome, ce qui ne modifie pas les
types de combinaisons d’allèles. Il y a formation de 4 types de gamètes,
cellules haploïdes de génotypes (A, B), (a, b), (A, b), (a, B).
Corrigé du devoir autocorrectif – Séquence 4 – SN02
189
© Cned - Académie en ligne
b. Bilan des résultats
Au cours de la méiose, les chromosomes homologues, en se répartissant
de manière aléatoire, donnent naissance à des gamètes génétiquement
différents. En considérant 2 paires de chromosomes, on obtient 4 combinaisons différentes ; pour n paires, la méiose donnera naissance à 2n
combinaisons chromosomiques dans les gamètes.
2. La méiose et le brassage intrachromosomique
Considérons 2 gènes liés donc portés par la même paire de chromosomes homologues, chaque gène présent sous forme de 2 allèles :
exemple, 1 couple (B//b) et 1 couple (C//c).
Cellule mère des gamètes (2n)
a. Les mécanismes
On constate un remaniement des chromosomes en prophase de 1re division appelé
crossing-over. Des fragments de chromatides homologues génétiquement différentes peuvent alors être échangés.
190
© Cned - Académie en ligne
Corrigé du devoir autocorrectif – Séquence 4 – SN02
b. Bilan des résultats
Le crossing-over aboutit à la production de 4 types de gamètes, ayant des
combinaisons alléliques différentes ; 2 types possèdent un chromosome
à chromatide recombinée. Il s’agit d’un brassage intrachromosomique.
En considérant 1 paire de chromosomes portant 2 gènes, le brassage intrachromosomique conduit
théoriquement à 22 combinaisons
d’allèles dans les gamètes. Si on
considère x gènes portés par une
paire de chromosomes, le brassage intrachromosomique conduit
théoriquement à 2x combinaisons
d’allèles possibles.
Conclusion
La méiose est à l’origine d’une
très grande diversité des gamètes
produits par un individu, en combinant à la fois le brassage intrachromosomique et interchromosomique (exemple : 2nx types de
gamètes possibles, théoriquement, en admettant que les n
paires de chromosomes portent
toutes x gènes ; chez l’Homme cela
donnerait 22300 avec 23 paires et
100 gènes/chromosome).
La fécondation, rencontre au hasard
de 2 gamètes porteurs de combinaisons alléliques différentes
(pour chaque gamète : 1 parmi les
2nx possibles), aboutit à un nouvel
individu possédant une combinaison unique et originale d’allèles.
Corrigé du devoir autocorrectif – Séquence 4 – SN02
191
© Cned - Académie en ligne
Partie 2
Exercice 1
Pratique d’un raisonnement scientifique
Recherche d’informations utiles à la résolution
d’un problème scientifique
Le phénomène présenté par les photographies du document 1 est la
méiose. En effet, la photographie d montre des figures de chromosomes homologues appariés, processus spécifique de la première
division de la méiose.
d = prophase I
f = métaphase I
a = anaphase I
c = prophase II
e = métaphase II
b = anaphase II
Classement des figures dans l’ordre chronologique :
figures de chromosomes homologues appariés (chevauchements
visibles) ;
chromosomes homologues de chaque paire rangés de part et d’autre du
plan équatorial de la cellule ;
2 lots de chromosomes en migration vers les 2 pôles de la cellule ;
2 lots de chromosomes non appariés (1 lot dans chacune des 2 cellules
filles issues de la première division de méiose) ;
2 figures de plaque équatoriale (chromosomes rangés sur le plan équatorial de chaque cellule-fille).
2 lots de chromosomes à (1 chromatide) en migration vers les 2 pôles dans
chacune des deux cellules filles.
Schémas de la prophase I, métaphase I et anaphase II
Schéma d’une prophase 1
Schéma d’une métaphase 1
Schéma d’une anaphase 2
192
© Cned - Académie en ligne
Corrigé du devoir autocorrectif – Séquence 4 – SN02
Activité 2
Choisir et exposer sa démarche personelle, élaborer une argumentation et proposer une conclusion ?
Dans les deux exemples proposés, il s’agit d’espèces diploïdes : dans
les cellules des individus, chaque gène est présent en deux exemplaires
ou allèles.
Dans ces deux exemples, on étudie la transmission de deux caractères
(dihybridisme), chaque caractère étant gouverné par un gène (un couple
d’allèles).
Dans ces deux exemples, les individus de la génération parentale sont
de lignée pure, c’est à dire homozygotes pour les deux gènes considérés.
Document 1 : La F1 est homogène (1 seul phénotype). Les 2 parents
étant homozygotes, la souris à pelage gris et uniforme a transmis, par
l’intermédiaire de ses gamètes, les deux allèles responsable de ces
caractères. Il en est de même pour la souris à pelage noir et tacheté.
Les souris de F1 possèdent donc 4 allèles : l’allèle responsable de la
couleur grise de la souris et l’allèle responsable de la couleur noire,
pour le premier couple d’allèles, et l’allèle codant pour un pelage uniforme et celui codant pour un pelage tacheté, pour le second couple
d’allèles. Or, dans les phénotypes des souris F1, un seul allèle de
chaque couple s’exprime : il s’agit des allèles dominants notés n+
(« gris ») et t+ (« uniforme ») ; les deux autres allèles, non exprimés
dans le phénotype, sont récessifs, notés n (« noir ») et t (« tacheté »).
Hypothèse : Considérons que ces deux couples d’allèles sont indépendants, c’est-à-dire portés par 2 paires différentes de chromosomes
homologues.
Les génotypes des deux parents seront : (n+// n+ ; t+//t+) et (n//n ; t//t)
Les gamètes qu’ils produisent sont de génotype (n+, t+) pour l’un et (n,
t) pour l’autre. Les individus de F1, issus de la rencontre de ces gamètes,
ont donc pour génotype : (n+//n ; t+//t)
Représentation de la garniture chromosomique des parents
Corrigé du devoir autocorrectif – Séquence 4 – SN02
193
© Cned - Académie en ligne
Représentation de la garniture chromosomique des obtenus en F1
Lorsque ces individus forment à leur tour des gamètes, la méiose assurant une répartition aléatoire des chromosomes homologues de chaque
paire dans les cellules-filles (1re division de méiose), il en résulte 4
répartitions équiprobables des chromosomes des 2 paires considérées
soit 4 types de gamètes en proportions égales : 1/4 (n+, t+) ; 1/4 (n, t) ;
1/4 (n+, t) ; 1/4 (n, t+).
2nd croisement : La souris à pelage noir et tacheté est un individu double
récessif : le croisement effectué est un croisement-test. Cette souris ne
produit qu’un seul type de gamètes : (n, t).
Dans ce cas, les résultats des rencontres des gamètes entre une souris
de F1 et une souris double récessive sont les suivants :
Tableau des fécondations
On obtient 4 phénotypes en proportions égales : souris à pelage gris et
uniforme, souris à pelage noir et tacheté, souris à pelage gris et tacheté,
souris à pelage noir et uniforme : les 2 premiers sont des phénotypes
parentaux et les 2 derniers des phénotypes recombinés.
Les résultats théoriques issus de l’hypothèse sont en accord avec les
résultats expérimentaux proposés : l’hypothèse de deux couples d’allèles indépendants est donc validée.
194
© Cned - Académie en ligne
Corrigé du devoir autocorrectif – Séquence 4 – SN02
L’apparition de phénotypes recombinés est la conséquence d’un brassage interchromosomique réalisé en première division de méiose lors de
la formation des gamètes.
Document 2 : Les deux gènes R et P sont liés car ils sont situés sur le
même chromosome.
Les rats aux yeux noirs possèdent au moins un allèle R et un allèle P.
 RP
t3BUTEFMJHO±FQVSFBVYZFVYOPJSTH±OPUZQF   que l’on peut égale RP
ment écrire ( RP//RP ): un seul type de gamète (RP)
 rp
t3BUTEPVCMFTS±DFTTJGTH±OPUZQF   que l’on peut également écrire
 rp
(rp//rp) : un seul type de gamète (rp).
Les rats F1 ont donc comme géno RP
type   que l’on peut également
 rp 
écrire RP // rp
(rencontre des
gamètes précédents).
Les individus F1 produisent 4 types
de gamètes grâce aux recombinaisons d’allèles assurés par le brassage intrachromosomique lors de
la méiose (gènes liés) : (RP), (rp),
(Rp), (rP). (existence de crossingover)
Schéma Corrigé du devoir autocorrectif – Séquence 4 – SN02
195
© Cned - Académie en ligne
Génotypes
Gamètes
possibles en F2 (F1 x double récessif) :
 RP
 rp
 
 
 rp 
 rp
(RP)
(Rp)
(rp)
(rP)
(rp)
Tableau des fécondations
N.B.
(non demandé) : S’il n’y avait aucun crossing-over, les individus F1 produiraient 50 % de gamètes (RP) et 50 % de gamètes (rp) et en F2 il y aurait
donc 50 % de rats aux yeux noirs et 50 % de rats aux yeux clairs.
Dans l’exemple étudié, il y a plus de rats aux yeux clairs que de rats
aux yeux noirs : l’excès correspond aux recombinaisons c’est à dire aux
gamètes (Rp) et (rP), soit :
(1777–1255)/(1777+1255) = 0,172, c’est-à-dire 17,2 % du total des
gamètes produits par l’individu F1.
Q
196
© Cned - Académie en ligne
Corrigé du devoir autocorrectif – Séquence 4 – SN02
Séquence 5
Sommaire
Correction des exercices du chapitre 1
Correction des activités du chapitre 2
Correction des activités du chapitre 3
Correction des exercices
Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02
197
© Cned - Académie en ligne
C
Exercice 1
orrection des exercices
du chapitre 1
Mots croisés
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
C A R B
A
C H R O M O S O M
P R O T
E
I
N
E
E P
O R G A N I
N
M I T O S
C
O
D
E
G
E
N
E
T
I
Q
U
E
E L L U L E
N E
N
E
N E
Z
X
R
S
U
C
Y
O
A
S
E
L
M E
N
N S G E N E S E
A G E
E O T
I
D E
CODE GÉNÉTIQUE : Système d’équivalence présenté généralement sous
la forme d’un tableau de 64 cases donnant la relation entre les codons
(triplets de nucléotides) des ARN M. et les acides aminés qu’ils spécifient.
Exercice 2
La notion de mutation
Brusques peut être remplacé par spontanées.
Discontinues peut être remplacé par aléatoires : les mutations se produisent au hasard le long de la molécule d’ADN.
Toutes les mutations ne sont pas héréditaires : seules les mutations
touchant les cellules germinales (cellules à l’origine des gamètes)
peuvent se transmettre à la génération suivante.
Les mutations touchant les cellules somatiques ne concernent que
l’individu porteur. Elles ne se transmettent qu’aux cellules issues par
mitose de la cellule mutée.
Modification aléatoire de la séquence des nucléotides de l’ADN.
Exercice 3
Les mutations, source de diversité
Allèle : Différentes versions d’un gène obtenues par mutation.
Les allèles d’un même gène occupent le même emplacement (locus)
sur un chromosome.
Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02
199
© Cned - Académie en ligne
Sur le document on voit que la fréquence des allèles du gène HLA-A est
très variable d’un pays à l’autre. Chaque individu porte pour chaque
gène du « système HLA » une combinaison d’allèles qui lui est propre.
Cela contribue à la diversité génétique des individus.
Les mutations à l’origine de la formation des allèles sont donc une
source de diversité génétique pour les espèces.
Retenez qu’un gène est polymorphe lorsqu’il existe au moins deux
allèles de ce gène avec une fréquence supérieure à 1 %.
1/3 au moins des gènes de l’espèce humaine sont polymorphes.
Chaque personne est hétérozygote (porteur de deux allèles différents)
pour 7 % des gènes soit environ 2 000 gènes.
La diversité des allèles est l’un des aspects de la biodiversité.
Exercice 4
Les mécanismes à l’origine des mutations
Caractéristiques Différence(s) observée(s) Nombre total
par rapport à la séquence de nucléotides :
Allèle
référent
(HbA : 444)
Exercice 5
Type de
mutation
Tha1
A (52)T
444
Substitution
Tha4
Perte A (20)
443
Délétion
Tha7
Ajout C (28)
445
Addition
Rôle de l’environnement sur les mutations
a. Le pourcentage de drosophiles mutantes augmente car le temps
d’exposition de chaque population est plus important.
Inexacte : le temps d’exposition n’entre pas en jeu ici.
b. Les mutations sont des phénomènes spontanés.
Exacte. Elles sont plus fréquentes en présence d’agents mutagènes.
c. L’exposition aux rayons X augmente la fréquence des mutations.
Exacte.
d. Les mutations ont pour seule origine l’exposition aux rayons X.
Inexacte : Elles sont dues en grande partie aux rayons X mais il existe
un taux faible de mutations spontanées.
Les agents mutagènes augmentent la fréquence des mutations spontanées ponctuelles.
Remarque
Les rayons UV, le benzène, l’amiante, le radon, le virus de l’hépatite B…
sont quelques uns des agents mutagènes qui peuvent entrainer la cancérisation des tissus touchés.
Exercice 6
Relever dans les affirmations suivantes, celles qui sont inexactes
et les corriger.
왘
a. Les mutations ne se produisent que dans la partie codante de l’ADN.
Inexacte : les mutations se produisent tout le long de la molécule
d’ADN.
200
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02
b. Les mutations survenant dans les cellules somatiques d’un individu
sont transmises à ses descendants.
Inexacte : seules les mutations touchant les cellules germinales
peuvent être transmises à la descendance.
c. 2 allèles d’un même gène ont la même séquence nucléotidique.
Inexacte : les allèles d’un gène peuvent être identique (l’individu est
homozygote pour ce gène) ou différents (individu hétérozygote pour ce gène).
d. Une mutation se traduit toujours par une modification de la séquence
nucléotidique.
Exacte.
Exercice 7
QRC
La polyploïdisation est la multiplication du nombre des chromosomes
aboutissant à la polyploïdie, c’est-à-dire ayant plus de deux lots de
chromosomes.
Cette polyploïdisation peut aboutir à des cellules cancéreuses mais
permet aussi l’apparition de nouvelles espèces (par exemple Senecio
cambresis issu de Senecio aethnensis et Senecio chrysanthemfolius).
Les mécanismes à l’origine de la diversification génétique du vivant,
autre que la polyploïdisation sont : les remaniements chromosomiques, la duplication de gènes, des transferts horizontaux de gènes.
Des anomalies du nombre et de la structure des chromosomes peuvent
survenir lors de la formation des gamètes, lors de la mitose
Des remaniements de structure du génome sont : une translocation,
inversion, délétion et duplication des chromosomes.
Les mitochondries sont les seuls
organites de la cellule ayant
une composition membranaire
Noyau
proche de la composition des
membranes de bactérie. De plus,
ce sont aussi les seules qui se
multiplient à partir de mitochondries préexistences (comme le
fond les bactéries : par fission
binaire encore appelé scissiparité) au lieu d’être fabriquées lors
de l’interphase comme le sont Mitochondrie
tous les autres organites de la
cellule (noyau, appareil de golgi,
réticulum endoplasmique…).
Enfin, on retrouve dans les bactéries et les mitochondries des gènes
homologues et des ribosomes. Ces derniers étant plus proches que
ceux trouvés dans le cytoplasme d’une cellule.
On peut donc penser que les cellules animales ont pour origine une
endosymbiose d’une bactérie capable d’utiliser le dioxygène par une
cellule eucaryote primitive.
Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02
201
© Cned - Académie en ligne
Les mécanismes permettant la diversification du vivant sans modifica-
tion des génomes sont : la symbiose, la transmission de phénotypes
comportementaux de génération en génération.
Exercice 8
Document 2
Les bactéries résistantes aux antibiotiques
Les souches SHV-1sont sensibles à l’antibiotique cela veut dire que
celui-ci tue la bactérie. La G-lactamase ne détruit pas l’antibiotique.
À l’inverse, les souches SHV-2 sont résistantes à l’antibiotique. Celui-ci
ne tue pas la bactérie donc la G-lactamase détruit l’antibiotique.
À l’aide du logiciel anagène, on peut observer qu’il y a 3 différences
entre les 2 enzymes. Ces différences correspondent à 3 mutations du
gène, ce qui entraîne une modification de la protéine et donc du site actif
de l’enzyme.
Ainsi, avec l’allèle SHV-1, l’antibiotique ne peut pas se fixer sur le site
actif de l’enzyme, il n’est pas détruit par la G-lactamase,
Il tue alors la bactérie = la bactérie est sensible à l’antibiotique.
Avec l’allèle SHV-2, l’antibiotique peut se fixer sur le site actif de l’enzyme, il est détruit par la G-lactamase, l’antibiotique est détruit et ne
peut pas tuer la bactérie = la bactérie est résistante à l’antibiotique.
L’apparition d’allèle codant pour des protéines capables de détruire les
antibiotiques est due à des mutations. Ces mutations se font au hasard
et confère aux bactéries une résistance plus ou moins forte pour un antibiotique. À chaque mutation aléatoire peut apparaître une résistance à
un nouvel antibiotique.
Document 1
왘
Au sein des populations bactériennes, des souches résistantes à un
antibiotique apparaissent au hasard et spontanément mais avec des fréquences faibles. Lorsque l’on est infectée par une bactérie, on retrouve
dans notre organisme des bactéries sensibles et plus ou moins résistantes à un antibiotique.
L’utilisation de cet antibiotique va détruire les bactéries sensibles et
épargner les souches résistantes. Ces dernières vont donc avoir tendance à se développer et devenir ainsi de plus en plus fréquentes. On
dit que les antibiotiques sélectionnent les souches résistantes.
L’utilisation non raisonner des antibiotiques peut entraîner la sélection
des bactéries résistantes de plus en plus.
C’est un principe de sélection naturelle qui explique l’apparition de
bactéries résistantes aux antibiotiques. L’utilisation de ces molécules
en médecine constitue une pression sélective qui sélectionne
Pour aller plus loin
les souches porteuses de mutaAfin d’éviter l’augmentation du nombre de bactéries
tions leur permettent de résister.
résistantes, il est important de réaliser un antibioLes populations évoluent donc et
gramme permettant de trouver à quel antibiotique
risquent de résister à toutes les
la souche de bactérie est sensible pour traiter un
molécules disponibles dans l’avemalade.
nir.
202
© Cned - Académie en ligne
Conclusion
Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02
C
Pour débuter
Critère
orrection des activités
du chapitre 2
Expliquer ce qu’est une espèce sous forme de tableau.
Évolution des
Les espèces ont
espèces (naisune origine divine
sance, disparition) et ne changent pas
Critères
morphologiques
Critère
d’interfécondité
LINNE
oui
non
non
oui
BUFFON
oui
oui
non
oui
CUVIER
oui
non
oui
oui
LAMARCK
oui
oui
oui
non
DARWIN
oui
oui
oui
non
MAYR
oui
oui
oui
non
Naturaliste
, , La répartition des Trilobites (–)
et Ammonites (–)
au cours des temps géologiques
Extinction
des
Ammonites
Régression –50
–100
–150
Diversification
–200
–250
Extinction
des
Trilobites
–300
–350
Régression
Scutellum
Calymène
–400
Apparition
des
Ammonites
–450 Trinucléus
Triarthrus
–500
Diversification
1c=50 genres
1c=10 millions d’années
Apparition
des
Trilobites
Olenellus
Agnostus
Paradoxides
Ptychoparia
–550
Corrigés des activités – Séquence 5 – SN02
203
© Cned - Académie en ligne
Activité 1
Observer les variations au sein d’une espèce
Couleur et forme
des yeux
Présence d’un nez
Forme et taille
du nez
Face non prognathe
Canine réduite
Couleur de la peau
Oreille sur le côté
Peau glabre
Vert : les caractères spécifiques de l’espèce.
Noir : les caractères propres à l’individu.
Tous les caractères communs à l’ensemble des enfants de cette fratrie
sont des caractères spécifiques de l’espèce humaine mais chaque individu possède des caractères qui lui sont propres : ce sont les caractères
individuels.
Pour aller plus loin
Ces caractères individuels peuvent se voir à l’échelle macroscopique
comme la couleur de la peau mais se retrouvent aussi à l’échelle cellulaire
et moléculaire. En effet, une peau sombre s’explique par la présence de cellules capables de fabriquer beaucoup de mélanine (pigment responsable
de la couleur brune de la peau) due à une enzyme (la tyrosinase) très active.
Les différences individuelles se retrouvent aussi dans les aptitudes d’une
personne à faire certaines choses comme croiser naturellement les bras
avec le bras gauche ou droit par-dessus ; rouler la langue en « U »….
Le génotype est l’ensemble des allèles d’un individu… Le phénotype
est l’ensemble des caractères observables à différentes échelles
(macroscopique, cellulaire et moléculaire) d’un individu.
Le phénotype moléculaire conditionne le phénotype cellulaire, qui
conditionne le phénotype macroscopique. Les protéines sont donc le
support moléculaire du phénotype d’un individu.
Les gènes étant des portions d’ADN codant pour une séquence protéique ; on peut dire que le génotype permet la réalisation du phénotype via le code génétique.
Les protéines sont issues de l’expression de l’information génétique
contenue dans l’ADN. Il existe donc une relation de cause à conséquence entre le génotype et les différents niveaux de phénotype.
204
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 5 – SN02
Activité 2
Étudier la composition génétique des populations
Groupe
A
a
a a
o
B
b
b b
o
AB
a
b
O
o
o
Légendes
protéines
membranaires
Hématie
paire de chromosomes
Le gène responsable du caractère « groupe sanguin » existe en 3 versions différentes : les allèles (a, b, o).
Toutes les cellules d’un individu peuvent posséder pour un même gène :
– soit 2 fois le même allèle, l’individu est dit homozygote pour ce
gène. Les génotypes peuvent être : a//a, b//b, o//o.
– soit 2 allèles différents, l’individu est dit hétérozygote pour ce
gène. Les génotypes peuvent être : a//o, b//o, a//b.
Quand les 2 allèles sont différents :
– les 2 allèles peuvent s’exprimer. Ainsi, l’expression du génotype
a//b est le phénotype [AB].
– un seul des 2 allèles peut s’exprimer. Dans le cas de a//o, le phénotype est [A] et dans le cas b//o on a [B].
Les allèles A et B sont peu représentés à la surface du monde puisqu’ils
ne sont présents qu’entre 0 et 30 %.
L’allèle B est présent entre 0 et 5 % sur tout le contient Américain et
devient de plus en plus prédominant lorsque l’on se déplace d’Ouest
en Est pour être en proportion maximale de 30 % en Inde par exemple.
La gradation de la répartition de l’allèle A se fait du Sud vers le Nord.
Avec des proportions faibles (0 à 5 %) en Amérique du Sud et des
proportions plus élevées au Canada (30 %).
L’allèle O est donc très majoritaire.
L'absence des allèles A et B sur le continent américain avant l'arrivée
de Colomb peut s'expliquer par le fait que le continent a été initialement colonisé par une petite population de groupe O.
L’apport des gènes des immigrants européens fait que les allèles A
et B sont maintenant présents en faible % (moins de 10 %) dans les
populations Sud américaines.
Corrigés des activités – Séquence 5 – SN02
205
© Cned - Académie en ligne
Activité 3
Comprendre l’action de la sélection naturelle
comme force évolutive
On peut observer que les punaises se nourrissant des graines de la
liane ballon ont des rostres d’une taille variant de 7,2 à 11 mm avec
une taille moyenne de 9,14 mm tandis que celles se nourrissant du
savonnier élégant ont un rostre ayant une taille variant de 6 à 8 mm
avec une taille moyenne de 6,8 mm.
Taille moyenne = (taille du rostre X nombre d’individus ayant cette
taille de rostre)/nombre d’individus au total.
Les punaises se nourrissant sur le savonnier élégant ont un rostre
plus court que les punaises se nourrissant sur la liane ballon.
Toutefois, on peut noter la grande variabilité individuelle de la taille
du rostre au sein d’une même population.
Depuis l’introduction du savonnier élégant dans le centre et le Nord de
la Floride, on observe une forte augmentation de la taille de population de punaises du savonnier dans ces régions. En effet, avant 1930,
date de la première introduction du savonnier élégant, on ne trouvait
que ponctuellement la punaise du savonnier dans le centre et le Nord
de la Floride. Vingt ans plus tard, les variations de populations se traduisent par une augmentation du nombre d’individus dans ces populations.
De plus, toutes les punaises trouvées en 1930 avaient une taille
moyenne de rostre de 9,13 mm. Les variations de populations s’observent donc aussi sur la diversification du phénotype avec une
population de punaises à rostre long et une population de punaise à
rostre court.
Les variations observées au sein des populations de punaises ne
peuvent pas s’expliquer par un apport extérieur de punaises. L’origine
de l’évolution est donc à rechercher au niveau local.
La plante sur laquelle le développement est réalisé n’influe pas sur
la taille du rostre des punaises (document 6d). La taille du rostre est
donc déterminée génétiquement.
La distance moyenne pour atteindre la graine d’un fruit de liane ballon
ou de savonnier élégant varie. Ainsi, les punaises possédant un rostre
court ne pourront pas atteindre la graine d’un fruit de liane ballon et
ne pourront pas se reproduire, mais pourront se nourrir de la graine
du savonnier.
La taille du rostre est un caractère possédant une forte variabilité. Il
en découle qu’en présence de savonnier élégant, le caractère rostre
court s’est avéré favorable ; les punaises possédant ce caractère ont
pu se nourrir et se reproduire transmettant ainsi l’allèle à l’origine de
ce caractère aux descendants ce qui, au cours des générations successives, a modifié les populations.
206
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 5 – SN02
Ce mécanisme est la sélection naturelle.
On peut donc imaginer le scénario suivant :
t Petites populations de punaises avec une grande variabilité de
taille de rostre mais étant en moyenne long au centre et Nord
de la Floride se nourrissant des quelques lianes ballon présentes
dans la région.
t 1930 : implantation du savonnier élégant : toutes les punaises
peuvent se nourrir de ces graines : explosion démographique de
la punaise du savonnier
t Jusqu’en 1950 : Les punaises à rostre court se nourrissent cependant plus facilement que les punaises à rostre long. Les punaises
à rostre court accédant plus facilement à cette nourriture assurent
une descendance plus importante que les punaises à rostre long.
Le caractère étant héréditaire, il est transmis de génération en
génération
Il y a eu sélection naturelle d’un caractère préexistant dans cette population de punaise à forte variabilité morphologique du rostre.
Pour aller plus loin
Dans le centre-Sud des États Unis, un scénario inverse s’est produit. Suite à
l’introduction de plantes hôtes à fruits plus volumineux, la sélection naturelle a favorisée l’émergence de population de punaises du savonnier avec
un rostre plus long.
L’évolution ne suit aucune tendance prédéterminée, elle n’est pas à sens
unique, ce sont les conditions du milieu local qui favorise ou défavorise un
phénotype préexistant.
De plus, l’évolution peut se faire rapidement, en quelques générations.
Activité 4
Utiliser des modèles mathématiques pour comprendre
la dérive génétique
Les conditions permettant le maintien génétique identique d’une
population au cours du temps sont :
t Il faut que cette population ait un très grand effectif pour que la
dérive génétique ne s’exerce pas ou peu.
t Il ne doit pas y avoir de sélection naturelle qui favoriserait certains
allèles par rapport à d’autres.
t Il ne doit pas y avoir de mutations.
t Cette population doit rester isolée d’autres populations de la
même espèce. (pas d’apport d’allèles extérieur). En effet, une
Corrigés des activités – Séquence 5 – SN02
207
© Cned - Académie en ligne
population peut gagner ou perdre des allèles par suite de la
migration d’individus féconds et/ou échange de gamètes avec
une autre population.
C’est une population théorique qui n’existe pas dans la nature car les
mutations même si elles sont rares sont des phénomènes aléatoires
entrainant l’apparition de nouveaux allèles. De plus, l’effectif d’une
population est toujours limité.
La dérive génétique dépend de l’effectif de la population. Plus la
population est restreinte, plus la modification de la fréquence allélique est importante.
Activité 5
Un cas extrême de la dérive génétique : l’effet fondateur
On peut penser que dans la population française migrante peu
nombreuse la prévalence de cette maladie était plus élevée que la
moyenne, c’est l’effet fondateur.
Comme les familles ont vécu isolées pendant plusieurs générations
avec une forte descendance, l’allèle muté a pu continuer à se répandre
dans la population de cette région. (doc. 8)
Cette expansion de l’allèle est favorisée par sa dominance (doc. 9) :
les personnes homozygotes et hétérozygotes sont malades (doc. 9), il
suffit de porter l’allèle muté en un exemplaire pour avoir le phénotype
malade.
Pour information
On peut définir la dérive génétique comme étant l’évolution au sein d’une
population ou d’une espèce de la fréquence des allèles.
Une catastrophe naturelle (incendie, tempêtes, maladie…) ou l’inter-
vention humaine peut réduire la taille d’une population.
Les individus survivants qui ont évité le désastre par hasard n’ont
pas forcément une composition génétique représentative de la population initiale. Certains allèles peuvent avoir disparu, d’autres être
désormais surreprésentés. La dérive génétique continuera de s’exercer pendant plusieurs générations.
208
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 5 – SN02
C
orrection des activités
du chapitre 3
Activité 5
Trouver les limites des caractères utilisés
pour définir une espèce
Les arguments en faveur de la classification de la mouche du pommier
et de la mouche de l’aubépine en tant que deux sous-espèces sont :
tDans la nature, ces deux mouches à l’état adulte (imago) ne se
rencontrent pas : leur temps de développement étant différent.
On pourrait donc penser que ce sont deux espèces différentes.
tMais les croisements en laboratoire produisent des individus fertiles ce qui montre que l’isolement reproductif n’est pas complet.
On peut penser que les populations des Mouches du Pommier et de
l’Aubépine sont en cours de devenir deux espèces distinctes : ce ne
sont donc pas encore totalement deux espèces différentes, on parle
alors de sous-espèces.
Espèces
Critères permettant
de distinguer deux
espèces
Limite du critère
Lymantria dispar
Drosophila persimilis et
pseudo-obscura
Rhagoletis pomonella
Différences
morphologiques
Différences
morphologiques
et physiologiques.
Différences génétiques
Reproduction
impossible
dans la nature
Dimorphisme sexuel
Se ressemblent
beaucoup.
Peuvent être croisés
en laboratoire
Descendance fertile
en laboratoire
La notion d’espèce repose sur des critères variés qui permettent d’apprécier le caractère plus ou moins distinct de deux populations (critères
phénotypiques, interfécondité, etc.). Cependant, ces critères ne permettent pas de classer tous les êtres vivants dans une espèce sans difficulté. Le dimorphisme sexuel pourrait aboutir à la classification en deux
espèces du mâle et de la femelle alors qu’ils appartiennent en réalité
à la même espèce. À l’inverse une observation trop rapide d’individus
très semblables nous invite à les regrouper dans une même espèce mais
en utilisant d’autres critères on découvre que ce sont deux espèces distinctes. Enfin, le critère d’interfécondité est difficile à utiliser quand en
Corrigés des activités – Séquence 5 – SN02
209
© Cned - Académie en ligne
laboratoire, ou en rapprochant deux espèces distinctes, on arrive à créer
des hybrides fertiles.
La définition de l’espèce est donc délicate.
Les barrières prézygotiques c’est-à-dire les mécanismes empêchant la
formation du zygote sont :
tl’appareil copulateur mâle présente des dissemblances au niveau
du phallus donc empêchant la copulation ;
tla maturité sexuelle est acquise plus tardivement chez D. persimilis que chez D. pseudo-obscura et les niches écologiques sont
distinctes, les mouches ne peuvent pas se rencontrer ;
tla période et l’intensité dans l’aigu du chant alaire des mâles
déterminé par le chromosome X sont différentes entre les formes
A et B et une émission d’odeur différente déterminante pour le
choix du partenaire sexuel : il n’y a pas d’attirance sexuelle de
l’espèce A pour l’espèce B et inversement.
Les mécanismes postzygotiques c’est-à-dire empêchant le développement du zygote et l’apparition des imagos sont que malgré les barrières
prézygotiques, s’il y a obtention d’un hybride F1, celui-ci est stérile
lorsque c’est un mâle. Par ailleurs, les mouches de F2 sont souvent non
viables, avec une forte mortalité larvaire, une longévité et une vigueur
sexuelle des imagos très diminuées.
On peut observer la présence de barrière pré et postzygotique empêchant la formation d’un adulte apte à se reproduire. Drosophila persimilis et drosophila pseudo-obscura sont deux espèces jumelles.
Activité 2
Comprendre comment se fait la spéciation
par isolement géographique (allopatrique)
L’origine de la vie dans cet archipel surgit de l’océan peut être l’arrivée
d’animaux capables de traverser une partie de l’océan en volant ou
en nageant, de graines et fruits transportés par les courants marins
ou le vent.
L’apparition de ces 13 espèces de pinsons dans l’archipel des Galá-
pagos à partir d’un ancêtre commun peut s’imaginer de cette façon
par exemple :
1. Arrivée d’une petite population de pinson sur l’île.
2. Mutation aléatoire de certains individus : variabilité de la population.
3. Éparpillement des oiseaux au hasard sur les différentes îles de
l’archipel.
4. Sélection naturelle des individus les mieux « pré-adaptés » aux
nouvelles conditions de vie.
Les conditions pour que la sélection naturelle ait lieu sont que
le caractère apparu « accidentellement » soit favorisant dans les
210
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 5 – SN02
nouvelles conditions du milieu et surtout que ce caractère soit génétiquement transmissible (héréditaire).
Les types de sélection sont :
– sélection naturelle excercée par la taille et la dureté des graines disponibles.
– sélection sexuelle exercée sur le critère « taille du bec ».
Dans la question 2, on a vu dans le dernier point qu’une sélection
naturelle a été réalisée sur la population de pinsons.
On peut peaufiner ce scénario maintenant :
tArrivée d’une petite population de pinsons ayant comme variabilité de caractère « la taille du bec » : dans cette population, on
trouve des oiseaux à bec plus ou moins gros et dur. Le document
5a permet de voir que le caractère « taille du bec » est un caractère héréditaire (on observe une concentration des points le log
d’une droite ce qui confirme l’héritabilité du caractère).
tLors d’une forte sècheresse (document 5b) en, 1977, on observe
la diminution de la quantité de petites graines disponibles et
l’augmentation de la quantité de grosses graines disponibles. De
plus, les fruits fabriquant ces graines sont des fruits durs et gros
(document 5c).
t Ces fruits sont impossibles à ouvrir pour les pinsons à petits
becs, difficiles à ouvrir pour les pinsons à becs moyens et faciles
à ouvrir pour les pinsons à gros becs (document 5d). Ainsi, les
pinsons à gros becs arrivent plus facilement et plus rapidement
à se nourrir que les pinsons à becs moyens. Ces derniers, tout
comme les pinsons à petits becs, finissent par mourir de faim
(document 5b). Les individus possédant le phénotype « gros
bec » ont plus de chance de survivre et par conséquent de transmettre les allèles à l’origine de ce phénotype, ce qui modifie la
population. La sélection naturelle (quantité et qualité de nourriture disponible) et sélection sexuelle a trié les individus les plus
gros et ayant un gros bec.
On a vu que la population initiale pouvait présenter une forte variabi-
lité et que la sélection naturelle (ainsi que la dérive génétique) entraînait des modifications de la population d’origine.
Le document 6 nous permet de voir que l’environnement des pinsons
sur l’archipel des Galápagos a été très changeant au cours du temps.
À chaque nouvelle condition du milieu de vie, une nouvelle forme de
pinson a été sélectionnée par la pression du milieu. On peut aussi
imaginer que sur chaque île, la végétation et le climat sont différents.
Lorsque les pinsons ont colonisé les îles de l’archipel, la population
s’est retrouvée divisée à des endroits différents : allopatrie. Chaque
population, sous l’effet de la dérive génétique et de la sélection naturelle a évolué différemment… jusqu’à former une nouvelle espèce,
c’est la spéciation.
Corrigés des activités – Séquence 5 – SN02
211
© Cned - Académie en ligne
Activité 3
Comprendre les mécanismes de la spéciation sans isolement
géographique.
H. annus, H. petiolaris et H. anomalis sont bien trois espèces diffé-
rentes car ils sont tous les trois très différents morphologiquement.
De plus, ces trois espèces ont des besoins écologiques différents
(nature du sol, besoin hydrique).
Au niveau moléculaire, on peut voir que bien qu’ayant le même
nombre de chromosomes, la structure des chromosomes varie d’une
espèce à l’autre.
Enfin, les hybrides sont semi-stériles.
Barrières pré-zygotiques :
– arrangement chromosomiques différents
– taux d’hybridation très faible
Barrières post-zygotiques :
– hybrides stériles et s’ils sont fertiles, ils ne sont pas capables de
se croiser avec les espèces d’origine.
Croisement par hasard d’H. annus H. petiolaris. Lors de la meiose, de
nouveaux arrangements chromosomiques spécifiques des hybrides
obtenus à partir de cassures, fusions et duplication des chromosomes
des tournesols annuels et à long pétiole se font. Ces nouveaux réarrangements empêchent un appariement des chromosomes correctement lors de la méiose des hybrides : barrière intrinsèque. Il y a apparition d’une nouvelle espèce sans séparation géographique (barrière
extrinsèque) : c’est la spéciation sympatrique.
212
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des activités – Séquence 5 – SN02
C orrection des exercices
Exercice 1
Tester ses connaissances
t Population : groupe d’organismes de la même espèce vivant dans
une aire géographique donnée à un moment déterminé. Ces individus occupent le même territoire et consomment les mêmes ressources et sont influencés par les mêmes facteurs écologiques.
Ils peuvent se reproduire entre eux.
Ces individus ont les mêmes gènes mais le patrimoine génétique
de chaque individu est différent car il provient d’une combinaison
allèlique propre à chaque individu.
Une population équivaut à une collection des allèles des différents
gènes d’une espèce.
t Pool génique : patrimoine génétique d’une population.
t Effet d’étranglement : réduction importante des individus d’une
population consécutive à une catastrophe naturelle ou une intervention humaine. Le patrimoine génétique de la population survivante
peut être modifié
a. Dans un milieu donné la fréquence de certains allèles au sein d’une
population peut augmenter ou diminuer par le processus de sélection naturelle.
b. La dérive génétique est la transmission aléatoire des allèles à la
descendance.
c. Lors de l’effet fondateur quelques individus d’une population se
séparent de la population initiale emportant des allèles qui peuvent
ne pas être représentatif de la population d’origine.
a. Inexacte : la sélection naturelle dépend de l’environnement. La
sélection naturelle est un processus orienté qui favorisent la survie des individus dont les phénotypes sont
les mieux adaptés à un moment donné aux conditions de
l’environnement.
b. Exacte.
c. Exacte.
d. Exacte.
Les réponses exactes sont :
A : On considère que deux animaux appartiennent à des espèces différentes quand ils ne peuvent produire une descendance viable ou
fertile.
Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02
213
© Cned - Académie en ligne
B : L’isolement géographique constitue la première étape de la spéciation allopatrique
C : On appelle radiation adaptative l’évolution de nombreuses espèces
à partir d’un ancêtre unique
D : La spéciation sympatrique est l’apparition d’une nouvelle espèce
dans l’aire de répartition de la population mère.
E : Par hasard, les fréquences alléliques des pucerons isolés différaient
dès le départ des fréquences alléliques de la population parentale,
et une dérive génétique a eu lieu qui a accru les différences d’avec
le patrimoine initial.
Exercice 2
Un mécanisme de la sélection naturelle
On constate une répartition inverse des allèles D et d selon le type d’habitat fréquenté (sols clairs ou foncés).
Lorsque les souris vivent sur les sols clairs l’allèle d est le plus représenté (92 %).
Les souris homozygotes (possédant deux allèles d) sont de phénotype
pelage clair et moins visibles dans ces conditions de milieu de vie. Echappant plus facilement à la prédation par le Hibou à cornes elles pourront
se reproduire et transmettre l’allèle d à leurs descendants.
Sur les sols sombres ce sont les souris foncés qui ont de plus grandes
chances de survie et donc de transmettre à leur descendance l’allèle D.
Dans un milieu donné, à un moment donné certains individus se
trouvent favorisés et vont transmettre à leur descendance leurs allèles
accentuant ainsi au cours des générations les fréquences allèliques de
certains gènes.
On donne le nom de sélection naturelle à cet avantage pris par certains
génotypes sous l’influence des facteurs du milieu.
Exercice 3
Avantage reproducteur et sélection sexuelle
Le plumage des euplectes mâles change au moment de la reproduction.
Les 3 populations ayant la même longueur de plumes de la queue ont
sensiblement le même nombre de nids actifs (1,4 1,6 et 1,7). Ils ont
donc attiré à peu près le même nombre de femelles. Chaque mâle de la
population a formé au moins un nid.
Le nombre de nids actifs après variation de la longueur de la queue
change pour les 3 populations.
Les euplectes ayant la queue raccourcie ont formé peu de nids (0,4 par
mâle) ce qui laisse penser que certains mâles n’ont pas trouvé de partenaire.
Au contraire la population C (queue rallongée) a fondé davantage de
nids (pratiquement 2 par mâle) soit plus que la population B qui sert de
témoin dans cette deuxième expérience.
214
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02
La possession d’une longue queue semble être un facteur de réussite
dans la recherche d’un partenaire pour la reproduction sexuée.
La longueur des plumes étant contrôlée génétiquement, les individus
porteurs de ce phénotype avantageux transmettront à leur descendance
les allèles permettant aux générations suivantes d’exprimer ce phénotype. Il s’agit bien d’un exemple de sélection naturelle liée au sexe.
Exercice 4
Les cyprinodontidés de Death Valley
On observe aujourd’hui aucune interfécondité entre ces différents
poissons ce qui correspond à la définition de l’espèce : on est en présence de plusieurs nouvelles espèces de cyprinodontidés.
Il y a 10 000 ans une population ancestrale de cyprinodontidés a été
isolée en plusieurs sous populations qui ont ensuite sous l’effet des
mutations, de la sélection naturelle et de la dérive génétique évoluées
indépendamment les unes des autres.
Ancêtre commun au C.
milleri et au C. diabolis
Il y a 10 000 ans
Cyprinodon milleri
Cyprinodon diabolis
Il y a 5 000 ans
Aujourd’hui
C’est une spéciation avec isolement géographique : allopatrique.
Exercice 5
La radiation évolutive adaptative : Le cas des archipels
La vie a pu apparaître sur ces îles, vierges à l’origine, par colonisa-
tion : en nageant, en volant, au grès des courants marins et aériens
des végétaux et des animaux se sont introduits sur ces îles.
les îles étaient au départ peu peuplées par de nouveaux arrivants.
De nombreuses niches écologiques (îles différentes) différentes ont
permis une sélection naturelle variée amenant à une diversification
importante des populations et aboutissant sur plusieurs générations
à une spéciation.
Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02
215
© Cned - Académie en ligne
Exercice 6
Les souris sylvestre des États-Unis
Borealis avec nebrascensis, artemisiae avec sonoriensis et sonorien-
sis avec nebrascensis se croisent entre elles et ne sont donc pas génétiquement isolées.
Dans la mesure ou la descendance (hybrides) est viable et féconde
on ne peut pas parler d’espèces différentes mais de populations ou
encore de sous espèces.
Même si ces deux populations ne se croisent pas un flux génétique
s’établit entre elles par l’intermédiaire des autres populations.
Il faudrait que les populations qui les relient disparaissent ou ne se
croisent plus entre elles.
Exercice 7
L’isolement reproductif
BARRIÈRES PREZYGOTIQUES
A : Isolement éthologique
B : Isolement temporel
E : Isolement écologique
F : Isolement gamétique
G : Isolement mécanique
BARRIÈRE POSTZYGOTIQUES
C : Non viabilité des hybrides
D : Stérilité des hybrides
Q
216
© Cned - Académie en ligne
Corrigés des exercices – Séquence 5 – SN02
Téléchargement
Random flashcards
amour

4 Cartes mariam kasouh

Le lapin

5 Cartes Christine Tourangeau

découpe grammaticale

0 Cartes Beniani Ilyes

Anatomie membre inf

0 Cartes Axelle Bailleau

Créer des cartes mémoire