Thème 1B 1ère S Expression, stabilité et variation du patrimoine

Thème 1B 1ère S Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique
Activité 8 : La découverte des croûtes et du manteau
Thème 1B
Compétences travaillées
Notions à construire
Les études sismiques et pétrographiques permettent de
caractériser et de limiter deux grands types de croûtes
terrestres : une croûte océanique essentiellement
formée de basalte et de gabbro et une croûte
continentale constituée entre autres de granite.
La croûte repose sur le manteau, constitué de
péridotite.
Attitudes

Capacités
Observer à différentes échelles, de l’échantillon macroscopique à la lame mince, les
roches des croûtes océanique et continentale et du manteau.


Manifester du sens de l’observation, de
la curiosité, de l’esprit critique
Faire preuve d’autonomie
Percevoir le lien entre sciences et
technique
Comprendre comment des observations fondées sur des techniques nouvelles
(sismologie, pétrographie) ont permis de dépasser les obstacles du bon sens apparent
A partir des documents proposés, de votre manuel, de vos observations et vos connaissances personnelles, énoncer les nouveaux éléments apparus
avant les années 60 qui ont permis d’actualiser la théorie de la dérive des continents de Wegener.
Document 1 : Le sismogramme de Potsdam 1889 (p 79)
En 1889, on enregistre à Potsdam (banlieue de Berlin) un séisme sur les sismographes les plus modernes de l'époque.
Très rapidement, on apprend que cet enregistrement correspond à un séisme violent qui s'est produit au Japon. A
partir des sismogrammes ont va petit à petit pouvoir analyser les ondes, puis la structure interne de la Terre.
Il existe plusieurs types d'ondes sismiques. On distingue deux types d'ondes de profondeur (P ou primaires et S ou
secondaires) et des ondes de surface. L'étude de la structure du globe n'est possible qu'avec les ondes de profondeur.
Les ondes P sont moins rapides et ne se propagent pas dans le liquide. Ces ondes se repèrent facilement sur un
sismogramme.
Très rapidement, on a conclu que les ondes sismiques ne peuvent se propager que dans un milieu solide. Au début du
20ème siècle, l’étude des ondes sismiques a permis de dire que le globe terrestre est en quasi-totalité à l’état solide.
Une étude plus précise de la propagation des ondes montre une forte variation de la vitesse vers 2900 km de
profondeur. De plus, on constate que les ondes S sont stoppées ce qui signifie que le milieu situé au-delà de 2900 km est
de nature liquide.
Ces observations permettent à Beno Gutenberg (1889-1960) de déterminer l'existence d'une discontinuité à l'intérieur
du globe, à 2900 km de profondeur. Cette discontinuité sépare le manteau et la noyau. Le manteau serait solide alors
1
Thème 1B 1ère S Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique
que le noyau serait de nature liquide. Ce modèle du globe par le fait que le manteau est considéré comme solide remet en cause la capacité aux continents de se
déplacer comme le soutient Wegener.
http://caracasismo.files.wordpress.com/2012/04/atelier-pratique-nc2b03-lire-des-donnc3a9es-sismiques.pdf
Les différents types d’ondes sismiques
Document 2 : La variation de la vitesse des ondes de profondeur (p 79 et 81)
http://caracasismo.files.wordpress.com/2012/04/atelier-pratique-nc2b04-dc3a9terminer-la-vitesse-des-ondes-sismiques.pdf
2
Thème 1B 1ère S Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique
Matériel disponible : deux barres de matière différente à température ambiante, une barre de pâte à modeler congelée, deux cellules piezo-électriques soudées
à des cables RCA stéréo, un ordinateur avec le logiciel Audacity, un thermomètre, éprouvette graduée, eau, balance.
Document 3 : La discontinuité de Mohorovicic (p 86 et 80)
Le croate Andrija Mohorovicic (1857-1936) avait remarqué l'existence d'une autre discontinuité à l'intérieur du globe.
Pour connaître la structure interne de la Terre, les géologues s'intéressent aux ondes P qui se propagent dans les milieux solides et dans les milieux liquides, et
aux ondes S qui ne se déplacent que dans les milieux solides.
Le 8 octobre 1909, André Mohorovicic observe des sismogrammes quand, tout à coup, les stylets zigzaguent : voici les ondes P, puis les ondes S puis... de
nouveau des ondes P et de nouveau des ondes S !
Lorsque les ondes rencontrent une discontinuité, elles sont en partie réfléchies. Cette réflexion de l’onde est aussi mesurée par les sismomètres (selon son
emplacement). Observer sur le sismographe ci-contre, l’arrivée des ondes réfléchies P que l’on appellera ici les ondes PMP.
« Les ondes se sont dédoublées ; Ses appareils sont pourtant parfaitement réglés, vérifiés chaque jour par le séismologue méticuleux. Le séisme est identifié, il a lieu
sous la ville croate de Popupsko, au Sud de Zagreb, à 40 km de profondeur... Mais pourquoi cette répétition des ondes P et S, comme un écho ?
Mohorovicic arpente son bureau de long en large, fume cigarette sur cigarette, il veut comprendre. Une idée lui vient : les deux trains d'ondes sont partis en même
temps du lieu du séisme ; s'ils sont arrivés avec un décalage, c'est donc qu'ils ont dû emprunter deux chemins différents. Connaissant exactement la distance qui
sépare ses séismographes de l'épicentre du séisme, ainsi que l'heure précise de la secousse, il calcule que le premier groupe d'ondes P et S a circulé par le chemin le
plus direct entre le foyer et l'observatoire, à la vitesse prévue, celle qui correspond à la densité de l'écorce terrestre. En revanche, le deuxième groupe d'ondes P et S a
dû rencontrer un milieu de densité différente qui l'a dévié...
Extrait de Maurice Kraft :
La Terre une planète vivante ! Collection « Des livres pour notre temps » Éd. Hachette
Document 4 : Détermination de la profondeur de la discontinuité de Mohorovicic avec des sismogrammes (p 86)
http://caracasismo.files.wordpress.com/2012/04/atelier-pratique-nc2b0-7-evaluer-la-profondeur-du-moho.pdf
Quand les ondes changent de type de milieu leur vitesse varie
brutalement et à la surface séparant les deux milieux (propriétés
3
Thème 1B 1ère S Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique
physicochimiques différents) elles peuvent se réfracter et se réfléchir. La réfraction et la réflexion obéissent aux lois de Descartes.
(sin i/sin r) = V1/V2
Schéma de la loi de Descartes sur la réfraction et la réflexion
1. Ouvrir le logiciel Educarte en cliquant sur le fichier « ec.Moho-Alpes.html » dans le dossier Educarte.
Afficher les séismes de la zone étudiée (Région niçoise) en cliquant sur l’onglet « Séismes SISMOS à l’Ecole ».
Afficher les stations sélectionnées en cliquant sur l’onglet « réseau Edusismo »
Séisme
Station
24/10/2008
DRGF
09/02/2009
NICF
21/04/2009
SDTF
2. Ouvrir les sismogrammes pour les stations avec le logiciel Seisgram2K.
Repérer les ondes P et les ondes S puis effectuer un pointé pour chacune d’elle.
On remarque une diminution de l’amplitude des ondes P puis une reprise du signal avant l’arrivée des ondes S qui corresponde aux ondes PmP. Parmi les ondes
P, on distingue plusieurs sortes d’ondes se propageant selon des parcours différents depuis le foyer jusqu’à la station :
- ondes P directes à une vitesse moyenne de 6.25 km/s
- ondes PmP réfléchies sur le Moho, même vitesse (« Autre »)
Pointer ces ondes pour afficher le décalage entre leur arrivée et celle des ondes P.
Aller dans « affichage » → « Sismogramme Info » pour obtenir les informations suivantes concernant le séisme :
 profondeur du foyer
 distance épicentrale
Croûte
Manteau
Schématisation du trajet d’une onde PmP
4
Thème 1B 1ère S Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique
F = foyer
h = profondeur du foyer
H = épaisseur de la croûte terrestre au dessus du point B
∆ = distance épicentrale
δ t = t PMP – t P ( retard en secondes entre les ondes PMP réfléchies et les ondes P directes)
On peut appliquer le théorème de Pythagore :
D’où la détermination possible de la position du point de réflexion ; AB représente la distance épicentre-point de réflexion :
3. Calculer H pour les 3 sismogrammes proposés grâce à la feuille de calcul Excel « Calcul Moho ».
L’outil « Calcul des distances » permet de montrer le trajet des ondes .Relier l’épicentre du séisme à la station. L’outil « Localisation par cercles » permet de
visualiser la distance entre l’épicentre et le point de la surface situé à l’aplomb du point réflexion.
L’intersection entre le segment de droite et le cercle permet de déterminer sur la carte le point en surface à la verticale du point B .
Confronter vos résultats avec les données scientifiques en cliquant sur « Images » dans Educarte ,déroulant le menu → Carte Moho → afficher et plaçant le
curseur sur 100.
Noter vos constatations quant aux profondeurs du Moho.
4.
Indiquer le Moho sur les graphiques décrivant l’évolution des ondes P en profondeur sous les océans et sous les continents.
Document 5 : Etude pétrographique (couleur, structure, minéralogie, masse volumique) des roches des croûtes et du manteau (p 82, 83, 84, 85, 87)
Matériel : échantillon de roches (granite, basalte, gabbro, péridotite), balance, éprouvette graduée, lames mindes de roches (granite, basalte, gabbro),
microscope, polarisuer et analyseur, fiche de reconnaissance des minéraux.
Une roche grenue ou cristalline est entièrement constituée de minéraux joints entre eux provenant de la cristallisation total d’un magma.
Une roche microlitique ou hémicristalline est une roche imparfaitement cristallisée avec présence d’une « pâte » amorphe appelée verre.
Afin d'aller au delà de cette simple observation, on peut utiliser des lames minces de roches pour le microscope. La lumière normale ne donnant pas
d'informations particulièrement nouvelles, on va utiliser la lumière polarisée. Un polariseur est une lame d'une substance qui sélectionne la lumière vibrant
dans une seule direction.
5
Thème 1B 1ère S Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique
Si on met deux polariseurs en série, on obtiendra un effet particulier, l'extinction, si les deux polariseurs sont perpendiculaires. On appelle polariseur le premier
et analyseur le second polariseur. La lumière obtenue est dite LPA (lumière polarisée et analysée). Si on intercale entre le polariseur et l'analyseur, une lame de
roche, les cristaux vont prendre une couleur caractéristique et donneront un angle d'extinction particulier.
Document 6 : Vitesse des ondes P en fonction de la profondeur
Profondeur en Km
Vitesse des ondes P en Km/s
0à1
1 à 40
40 à 150
2,8
5,5
8,2
Profondeur en Km
0à1
1à2
2à7
7 à 70
Vitesse des ondes P en
Km/s
2,2
6,5
6,7
8,2
Document 7 : Vitesse des ondes P dans différentes roches
Matériaux
sédiments et roches sédimentaires
granite
basalte
gabbro
Vitesse de sondes P en Km/s
2à5
5,5
6,5
6,7
péridotite
7 à 12
Document 8 : Composition chimique des croûtes océanique et continentale , composition chimique de roches
6
Thème 1B 1ère S Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique
Document 9 :Clé de détermination de quelques minéraux
Observation
en LPNA
Observation en LPA
Autres caractéristiques
Minéral limpide en LPNA, sans forme géométrique particulière (souvent
"coincé" entre les autres minéraux)
Macle rayée noire et blanche
(en "peau de zèbre" ou en "code barre")
Blanc, gris ou noir
Aspect sale et
poussiéreux en LPNA
Incolore
Pas de macle rayée noire et
blanche en "peau de zèbre" mais macle
rectangulaire avec un côté clair et un côté
sombre
Minéral
Quartz
Si O2
Feldspath Plagioclase
(Na, Ca) (Si, Al)4 O8
Feldspath Orthose
K Al Si3 O8
Olivine
(Mg, Fe)2 Si O4
Aspect craquelé, globuleux
Couleurs très vives :
bleu, vert, jaune, rose, etc.
Cristaux allongés, avec clivage en "lames de parquet"
(fines stries parallèles à l'allongement du cristal)
7
Mica blanc (ex : muscovite)
K Al3 Si3 O10 (OH)2
Thème 1B 1ère S Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique
Faiblement
coloré
Fortement
coloré,
pléochroïsme
Opaque
Couleurs souvent ternes, parfois vives
: jaune, orange, brun, magenta et gris Sections allongées, rectangulaires ou à angles
(parfois, présence de plusieurs teintes tronqués, parfois deux clivages à 90°
séparées par une ligne)
Couleur :
vert, jaune, brun orangé
Sections souvent quelconques, parfois en losanges à pointes tronquées,
couleur brune à verdâtre en LPNA
Couleur :
brun-rouge, vert, bleu
Couleur brune en LPNA, cristaux allongés, avec clivage (fines stries) dans
le sens de la longueur, présence de zircons avec auréole sombre autour
Couleur toujours noire
Petites taches noires à l'intérieur
de certains minéraux
Pyroxène (ex : Augite)
Ca (Fe, Mg)2 Si2 O6
Amphibole (ex : hornblende)
Na Ca2 (Fe2+, Mg)4 (Al, Fe3+)5 Al2
Si6 O22
Mica noir (ex : biotite)
K (Mg, Fe)3 Al Si3 O10 (OH)2
Oxydes (ex : magnétite)
Fe3 O4
Remarques :
- Pléochroïsme : En LPNA, certains minéraux changent de couleur lorsqu'on fait pivoter la lame de 90°
- Clivages : Rayures fines parallèles entre elles (le minéral peut se fendre facilement selon ces lignes qui correspondent au plan de clivage)
Document 10 : Vitesse des ondes P en fonction de la profondeur sous les continents et sous les océans
8
Thème 1B 1ère S Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique
9