TP: La dualité d’altitude entre lithosphère océanique et continentale On cherche à recueillir des éléments de validation de l’hypothèse d’un maintien en équilibre de la croûte sur le manteau, équilibre différent entre le domaine océanique et le domaine continental en lien avec les différences de nature des roches. Etape 1 : Mesurer la densité de roches de la croûte océanique et continentale Consigne : utiliser le protocole ci-dessous pour mesurer la densité de roches de croûte continentale (granite, gneiss, calcaire) et d’une roche de la croûte océanique (gabbro). Présenter les résultats dans un tableau. Matériel o balance o une éprouvette graduée o un bécher o des échantillons des roches suivantes : granite, gneiss, calcaire, gabbro en un ou plusieurs morceaux de taille adaptée au volume de l'éprouvette protocole Mesure de la masse de chaque échantillon Peser chaque échantillon (choisir judicieusement le nombre de morceaux permettant une précision suffisante) à l’aide de la balance fournie. 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 ; Calculer le volume de l'échantillon correspondant au volume d’eau déplacé. Données complémentaires : - La masse volumique est le rapport de la masse d'un échantillon sur son volume. - La densité d’un objet est le rapport de sa masse volumique sur la masse volumique de l’eau. - La masse volumique de l’eau est égale à 1 g /cm3 ou 1 T /m3. - La masse volumique sera exprimée en grammes par centimètre cube (1cm 3 correspond à 1 mL). Etape 2 : Modéliser l’équilibre de la croûte sur le manteau Consigne : Mettre en œuvre le protocole de modélisation ci-dessous. Schématiser les résultats obtenus. Matériel protocole o une éprouvette Remplir l’éprouvette à moitié d’eau graduée portant une Déposer délicatement la tige filetée dans l’éprouvette bandelette de papier Enfiler sur la tige 2 éléments bleus et 2 éléments rouges. millimétré Noter l’altitude de l’ensemble des éléments présents, ainsi o une tige filetée que la profondeur atteinte. servant à maintenir Modéliser le cas de la station SANT situé au niveau de la les éléments Cordillère des Andes au Chili en ajoutant un élément. o un bécher Attendre que l’équilibre s’établisse. o des éléments de Noter à nouveau l’altitude de l’ensemble des éléments bois de différentes présents, ainsi que la profondeur atteinte. couleurs : Enlever l’élément rajouté et mesurer sa hauteur. bleu et rouge = Modéliser le cas de la station SODA située en Scandinavie roche de la en ajoutant deux éléments blancs. croûte Refaire les mesures. continentale Enlever un élément blanc. blanc = glace Refaire les mesures. o eau = manteau Laurence Comte – EEMCP2 de SVT AEFE - 2013 Page 1 Etape 3 : Utiliser le modèle d’isostasie d’Airy pour calculer de façon théorique l’épaisseur de la croûte continentale Document : On définit l’isostasie comme un état d’équilibre réalisée à une profondeur dite profondeur de compensation, surface de compensation ou niveau de compensation pour laquelle, la pression de charge est la même en tout point. Cette profondeur est associée selon les modèles à la limite croûte-manteau ou lithosphère-asthénosphère. Le principe d’isostasie s’appuie sur le fait qu’à l’équilibre, quelque que soit leur composition, deux colonnes de lithosphère de même section exerce la même pression sur le manteau sous-jacent (qu’il s’agisse du manteau lithosphérique ou asthénosphérique). Les colonnes ayant la même section cela implique que leur masse est égale. Plusieurs modèles permettent d’expliquer cette théorie. Dans le modèle de Airy, bien adapté au cas de la lithosphère continentale, la masse volumique de la croûte ne varie pas et les colonnes sont à deux constituants (croûte et manteau) dont les proportions peuvent varier. Les variations d’altitude sont donc compensées verticalement. Les valeurs indiquées dans les colonnes sont les densités. Consigne : A partir des informations ci-dessus, calculer l’épaisseur moyenne de la croute continentale (on rappelle qu’elle a une altitude moyenne de 870 m) et l’épaisseur de la croûte continentale sous une montagne comme les Alpes de 2500 m d’altitude en moyenne. Laurence Comte – EEMCP2 de SVT AEFE - 2013 Page 2 Etape 4 : Mesurer la profondeur du Moho sous les Alpes à partir de données sismiques Document 1 : Ondes P et Moho Parmi les ondes P, on distingue plusieurs sortes d’ondes se propageant selon des parcours (voir diagramme ci-dessous) différents depuis le foyer jusqu’à la station : - ondes Pg directes à une vitesse moyenne de 6.25 km/s - ondes PMP réfléchies sur le Moho, même vitesse Sur un sismogramme, on remarque une diminution de l’amplitude des ondes P puis une reprise du signal avant l’arrivée des ondes S : ce sont les ondes PMP. Exemple : sismogramme enregistré le 22 septembre 1994 par la station OG03 Document 2 : Calcul de la profondeur du Moho croûte manteau F = foyer h = profondeur du foyer H = épaisseur de la croûte terrestre Δ = distance épicentrale δ t = t PMP – t P (retard en secondes entre les ondes PMP réfléchies et les ondes P directes) et V la vitesse moyenne des ondes P dans la croûte. On peut appliquer le théorème de Pythagore : D’où la détermination possible de la position du point de réflexion ; AB représente la distance ente l’épicentre et le point de réflexion : L’utilisation d’un fichier Excel permet d’éviter le calcul manuel. Laurence Comte – EEMCP2 de SVT AEFE - 2013 Page 3 Stratégie de résolution : on va utiliser ce principe pour calculer la profondeur du Moho sous les Alpes à partir de sismogrammes obtenus lors de séismes locaux. Consigne : exploiter les données sismiques disponibles dans le logiciel Sismolog selon le protocole ci-dessous afin de déterminer la profondeur du Moho dans la région sud des Alpes. Présenter les résultats à l’aide la carte jointe. Protocole Matériel o Logiciel Sismolog o Logiciel Excel o Fichier excel calcul_moho protocole Ouvrir le logiciel Sismolog. Menu Fichier, choisir Ouvrir un séisme de la base. Dans la fenêtre Liste des évènements qui s’ouvrent choisir le sismogramme « Isère » du 7 février 1991 cliquer sur Etudier. Différents sismogrammes apparaissent. Ne conserver que le sismogramme pour lequel les ondes PMP se distinguent assez soit OG021 en décochant les autres. Repérer l’arrivée des ondes P et S : Menu Solutions choisir Voir les temps de référence. Un pointé s’effectue automatiquement sur le début des ondes P et des ondes S. Repérer les ondes PMP : réaliser un pointé et relever le temps qui s’affiche à droite. Menu Localiser, choisir référence et relever la profondeur du foyer. Recommencer l’ensemble des opérations pour les deux autres enregistrements de séismes locaux indiqués dans le tableau cidessous. Utiliser le fichier Excel calcul-moho pour calculer la profondeur du Moho à partir des données recueillies et la noter. Noter également la distance épicentre-point de réflexion. Tableau de recueil des données à partir de l’exploitation des sismogrammes Date Lieu station Distance Profondeur Arrivée épicentrale du foyer des ondes P 07/02/1991 Isère 23/04/1991 Alpes de HauteProvence 09/03/1992 OG21 Guillestre RSL Roselend 84,4 km SURF Col de Larches 105,5 km Arrivée des ondes PMP δt 135,8 km Laurence Comte – EEMCP2 de SVT AEFE - 2013 Page 4 Carte : localisation des stations d’enregistrement et des épicentres des séismes dans les Alpes ○2 = Epicentre du séisme enregistré par la station OG21 ○3 = Epicentre du séisme enregistré par la station RSL ○4 = Epicentre du séisme enregistré par la station SURF Laurence Comte – EEMCP2 de SVT AEFE - 2013 Page 5