LE PHENOMENE SEDIMENTAIRE
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SED.09.08 SESSION 2009 ___________ Filière BCPST-Véto SCIENCES DE LA TERRE Durée : 2 heures _____________ LE PHENOMENE SEDIMENTAIRE L’usage de calculatrices électroniques de poche à alimentation autonome, non imprimantes et sans document d’accompagnement est autorisé. Cependant, une seule calculatrice à la fois est admise sur la table ou le poste de travail, et aucun échange n’est autorisé entre les candidats. ____________ Les 3 exercices sont indépendants 1 EXERCICE 1 : GEOCHIMIE ISOTOPIQUE 1- La composition isotopique de l'oxygène dans les sédiments marins permet d'estimer les variations du volume des calottes de glace et donc du niveau marin. a) Lors de la formation des calottes, en période de refroidissement, comment varie le rapport isotopique H2 18O/H2 16O (et donc le δ18O) de l'eau des océans ? Expliquer. b) Les calottes ont une composition isotopique moyenne δ 18O = - 40 ‰ et l'océan, une profondeur moyenne actuelle de 4 000 m. En écrivant la conservation des δ18O au cours du temps, calculer la variation du niveau de la mer qui conduirait à une augmentation du δ 18O des océans de 1 ‰ ? 2- Différents organismes planctoniques marins, notamment les Foraminifères, sécrètent un test carbonaté à partir de l'eau de mer. Ces tests sont à l'origine de certains sédiments océaniques. a) Écrire la réaction bilan de synthèse des carbonates. b) Lors d'un refroidissement global, accompagné de la formation de calottes de glace, comment varie la composition isotopique des sédiments nouvellement formés ? DOC 1- Enregistrement isotopique benthique (essentiellement genre Uvigerina) du forage sédimentaire ODP 677, en Pacifique équatorial, sur le premier million d'années (exprimé en ‰ par rapport au standard PDB. c- Sur le document 1, mesurer l'amplitude totale du δ18O benthique pour chacun des 4 derniers cycles glaciaire-interglaciaires. Quelles variations du niveau marin peut-on en déduire pour chaque cycle (cf.1-b) ? 3- Afin de tester l'hypothèse d'une température constante au fond des océans, des chercheurs ont analysé des sédiments profonds provenant de la Mer de Norvège. L'eau, au fond de cette mer, provient directement de la surface par convection, à cause du refroidissement hivernal important et de la formation de glace de mer. L'eau est à une température de -1ºC environ, proche de son minimum de -1,7ºC (en dessous duquel elle gèle). DOC 2- Enregistrements isotopiques benthiques des forages V19-30 (Pacifique équatorial) et V28-38 (Mer de Norvège). Cette période représente la dernière entrée en glaciation, depuis l'avantdernier interglaciaire (début du stade 5 vers 120 000 ans, jusqu'à des conditions glaciaires, stade 4 vers 65 000 ans) a) Est-ce-que la différence de δ18O entre ces deux signaux est constante ? Pourquoi ? b) En supposant que la température de l'eau profonde en Mer de Norvège n'a pas varié pour cette entrée en glaciation, estimer : - Rappel : Le fractionnement isotopique dépend de la température, avec une augmentation du δ18O des carbonates de 1 ‰ pour un refroidissement de 4ºC (à composition de l'eau de mer constante). La variation de température des eaux profondes du Pacifique équatorial ; La variation du δ18O de l'eau de mer, et la baisse du niveau marin correspondante (cf .1-b). 2 EXERCICE 2 : SEDIMENTATION OCEANIQUE ET GEODYNAMIQUE Cinq forages dans les sédiments marins ont été réalisés dans le Pacifique à des distances variables de l’axe de la dorsale Pacifique-Est. Le document 1 les positionne de façon schématique par rapport à l’axe de cette dorsale. Il décrit également la succession sédimentaire rencontrée pour chaque forage et précise la vitesse de dépôt au cours du temps. La coupe schématique du document 2 représente les successions sédimentaires au niveau d’une dorsale océanique. Document 1 : Document 2 : 1- Rappeler brièvement l'origine des différentes boues traversées par ces forages. 2- Expliquer l’organisation sédimentologique des forages (DOC. 1) et la mettre notamment en relation avec la dynamique des plaques. 3- Expliquer la présence de sédiments argileux ou d’argiles au sein de la boue carbonatée (DOC. 2). 3 EXERCICE 3 : L’ALTERATION CHIMIQUE DES ROCHES L’hydrolyse est le processus le plus important de l’altération chimique. Elle se déroule à un pH compris entre 5 et 8. Suivant les conditions de milieu, cette réaction est différente et les produits formés ne sont pas les mêmes : 1- On peut prendre l’exemple de l’orthose (feldspath potassique) : Réaction 1 : 5 KAlSi3O8 + 20 H2O => 2K 0,5 Al2(Al0,5Si3,5O10)(OH)2 + 8Si(OH)4 + 4K+ + 4(OH)Réaction 2 : 4 KAlSi3O8 + 22 H2O => Al4Si4O10(OH)8 + 8Si(OH)4 + 4K+ + 4(OH) Réaction 3 : KAlSi3O8 + 8 H2O => Al(OH)3 + 3Si(OH)4 + K+ + (OH) – N.B. Les réponses aux questions qui suivent seront données exclusivement dans le tableau fourni en annexe qui sera collé dans la copie. a. Faire le bilan des pertes en Al, Si et K en comparant la roche mère et les produits formés dans le profil d’altération (en italiques dans les réactions). Exprimer les réponses en %. b. Indiquer si l’hydrolyse est partielle forte, partielle ménagée ou au contraire totale. c. Nommer le minéral qui se forme dans chaque profil d’altération ainsi que la réaction qui l’a produit. d. Indiquer à quel grand domaine climatique on peut rattacher chacune de ces réactions. e. En supposant maintenant que les réactions se sont produites dans des profils d’altération d’un même domaine climatique, déduire l’âge relatif de chacun d’eux en utilisant les notations : 1 pour le plus jeune, 2 pour celui d’âge intermédiaire et 3 pour le plus ancien. f. Si on admet qu’il s’agit de profils d’altération de même âge d’un même domaine climatique, nommer le facteur X susceptible d’intervenir localement. Donner le contexte topographique de chaque profil en utilisant : pente faible, pente forte ou bas-fond imperméable. 2- D’autres minéraux silicatés subissent l’hydrolyse. En considérant les conditions d’altération identiques, classer les roches mères suivantes dans l’ordre décroissant de leur potentialité à générer (Al(OH)3 dans le profil d’altération : quartzite, diorite, granite, grès faiblement feldspathique, gabbro. Justifier la réponse. 3- L’acido-complexolyse, à l’inverse de l’hydrolyse, dépend des acides organiques produits par les litières des sols et se déroule à un pH de l’ordre de 3. a. En utilisant le document ci-contre et ses connaissances, comparer les conséquences géochimiques de l’hydrolyse et de l’acidocomplexolyse. b. Le processus d’acido-complexolyse peut-il être actif sur une roche mère marneuse ? Justifier la réponse. c. Où retrouve-t-on le fer dans un sol qui a subi une hydrolyse importante. Justifier. d. La bauxite est un minerai d’aluminium et de Solubilité comparée de Me (Si, Al ou Fe) fer. Quelle réaction est à l’origine de sa en fonction du pH formation ? Sous quel climat ? Comment expliquer la présence de gisements de bauxite dans le midi de la France, aux Baux de Provence, région marno-calcaire ? Proposer différentes hypothèses. 4 ANNEXE A COMPLETER ET A COLLER DANS LA COPIE Bilan Intensité hydrolyse Minéral formé Domaine climatique Âge Facteur X Réaction R1 Al Si R2 K Al Si R3 K Al Si K Ne pas oublier de compléter le titre de la dernière colonne par le nom du facteur X. ANNEXE A COMPLETER ET A COLLER DANS LA COPIE Bilan Intensité hydrolyse Minéral formé Domaine climatique Réaction R1 Al Si R2 K Al Si R3 K Al Si K Ne pas oublier de compléter le titre de la dernière colonne par le nom du facteur X. 5 Âge Facteur X BAREME DE CORRECTION DU DS N°1 Géologie Présentation générale, Orthographe EXO 1 : 1a. Le stockage d’une eau appauvrie en 18O dans les calottes en raison des condensations successives lors de la migration des masses d’air des basses vers les hautes latitudes sous des T de plus en plus basses. Le δ18O de l’océan s’élève donc. 1b. Une hauteur h d’eau quittant l’océan se retrouve avec un δ18O de -40 %o dans les glaces alors que l’eau océanique restant liquide (4000 – h) voit son δ18O passer de 0 %o actuellement à 1%o. D’où l’équation de la conservation des δ18O : h(-40) = (4000-h)(1) et donc h = 102,5 m 2a. Ca2+ + 2 HCO3 - ⇄ CaCO3 + CO2 + H2O 2b. Vu la hausse du δ18O de l’eau et de la température (qui favorise la fixation de 18O), actions en synergie, le δ18O des sédiments s’élèvera également 2c. NB Echelle inversée du δ18O ; foraminifère benthique (limitant les effets de la température) Pics vers le bas = périodes glaciaires, pics vers le haut = interglaciaires périodicité tous les 100 000 ans 1,7%o ; 1,5%o ; 1,8%o, 1,9%o soit en utilisant la question 1b : 174m ; 154m ; 185m ; 195m 3a.Plus ou moins cste autour de 0,5 %o sauf vers 120 ka ou cela dépasse 1%o! (réchauffement de l’eau) 3b. 1,1%o de moins que la Norvège en IG et 0,5%o en G d’où une différence de 0,6%o soit une variation de T de l’eau du Pacifique équatorial de 0,6x4 = 2,4°C 3b. Si T = cste alors les variations sont exclusivement dues aux variations de δ18O pour la Norvège écart de maxi/mini 5,3-4,4 = 0,9%o donc baisse du niveau de 0,9x102,5 =92,25m EXO 2 : 1. Boue argileuse brune : origine mixte terrigène (continentale) et altération in situ des sédiments marins et de la croûte basaltique Boue siliceuse : origine biologique tests siliceux d’organismes (Radiolaires /Diatomées) Boue carbonatée : origine biologique tests carbonatés d’organismes (Foraminifères en particulier) 2. Expansion => migration vers NW de la plaque Pacifique => modif. sédimentaires au cours du temps Succession la plus fréquente : carbonates / silice / argiles f(subsidence thermique de la lithosphère) Dépôts carbonatées si profondeur au dessus de la CCD (< 4 à 5 km de profondeur) donc à proximité de l’axe d’où leur position au plus bas des carottes, soit les plus anciens sédiments déposés Au-delà de 4 à 5 km de hauteur d’eau, les boues carbonatées franchissent le niveau de compensation des carbonates (CDD ou NCC) et sont dissoutes Dépôts biosiliceux si forte productivité planctonique (équateur : ceinture à radiolaires, ou hautes latitudes : ceinture à diatomées) donc au passage de la plaque à proximité de la zone équatoriale (doc1) Sinon argiles des grands fonds sous la ZCC hors zone équatoriale (en général donc) Dépôts biosiliceux seuls (A, C, D) ou en mélange (B, E) avec carbonates si profondeur < CCD (f(subsidence) et donc de la distance à l’axe de la dorsale) Epaisseur importante de sédiments liée à une vitesse de dépôt élevée déterminée par la très forte productivité planctonique dans la zone équatoriale D particulier car ZCC atteinte avant le passage équatorial d’où des argiles sous la boue siliceuse Un relief sous-marin reste exclusivement à dépôts carbonatés car il n’a pas encore franchi la ZCC 3. L’alternance de boues carbonatée / argiles pélagiques / boues carbonatée / argiles pélagiques ne peut s’expliquer que par une modification de la profondeur de la NCC en f(t) : descente puis remontée EXO 3 : 1a) Perte en % dans l’ordre R1 /R2/R3 : Al 0/0/0 ; Si 53/66/100 ; K 80/100/100 1b) partielle ménagée ; partielle forte ; totale 1c) Illite (bisiallitisation), Kaolinite (monosiallitisation), Allite (allitisation) 1d) Zones tempérée, tropicale humide, équatoriale 1e) Age :1 ;2 ;3 1f) Le facteur X est le draînage. Contexte : bas-fond ; pente faible, pente forte 2. Plus il y a de Al et moins de Si dans la roche, plus il y aura de Al(OH)3 produit par hydrolyse donc :Gabbro/Diorite/Granite/Grès faiblement feldspathique/Quartzite 3a) Export cations solubles Ca2+, K+, Na+ et soit Si (hydrolyse) ou Al et Fe (acido-complexolyse) car solubilité hydroxydes dépend du pH 3b) NON car marne = mélange argile / calcaire et les acides organiques sont neutralisés par CaCO3 3c) Fe(OH)3 même comportement que Al(OH)3 insolubles donc accumulation dans cuirasse latéritique 3d) L’allitisation qui concentre Al et Fe sous climat chaud et humide en milieu bien drainé, évolution du climat, plus chaud lors de la formation, venue d’ailleurs (Massif Central) et stockée là… 6
