TP: La dualité d`altitude entre lithosphère océanique et continentale

Laurence Comte – EEMCP2 de SVT AEFE - 2013 Page 1
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
protocole
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
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 (1cm3 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
graduée portant une
bandelette de papier
millimétré
o une tige filetée
servant à maintenir
les éléments
o un bécher
o des éléments de
bois de différentes
couleurs :
 bleu et rouge =
roche de la
croûte
continentale
 blanc = glace
o eau = manteau
 Remplir l’éprouvette à moitié d’eau
 Déposer délicatement la tige filetée dans l’éprouvette
 Enfiler sur la tige 2 éléments bleus et 2 éléments rouges.
 Noter l’altitude de l’ensemble des éléments présents, ainsi
que la profondeur atteinte.
 Modéliser le cas de la station SANT situé au niveau de la
Cordillère des Andes au Chili en ajoutant un élément.
 Attendre que l’équilibre s’établisse.
 Noter à nouveau l’altitude de l’ensemble des éléments
présents, ainsi que la profondeur atteinte.
 Enlever l’élément rajouté et mesurer sa hauteur.
 Modéliser le cas de la station SODA située en Scandinavie
en ajoutant deux éléments blancs.
 Refaire les mesures.
 Enlever un élément blanc.
 Refaire les mesures.

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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.

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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
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.
croûte
manteau

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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
protocole
o Logiciel Sismolog
o Logiciel Excel
o Fichier excel
calcul_moho
 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 ci-
dessous.
 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
épicentrale
Profondeur
du foyer
Arrivée
des
ondes P
Arrivée
des
ondes
PMP
δt
07/02/1991
Isère
OG21
Guillestre
84,4 km
23/04/1991
Alpes de
Haute-
Provence
RSL
Roselend
135,8 km
09/03/1992
SURF Col
de Larches
105,5 km

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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