SUJET : ESCAPADES GEOLOGIQUES…

ULC0901
SESSION 2008
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Filière BCPST-Véto
SCIENCES DE LA TERRE
Durée : 3h 30
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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,
et aucun échange n’est autorisé entre les candidats.
SUJET : ESCAPADES GEOLOGIQUES…
Les exercices proposés sont indépendants.
Ils peuvent être traités dans un ordre quelconque.
Le temps conseillé par exercice est de 50 minutes.
Aucune introduction ni conclusion générale ne sont demandées.
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THEME 1 : LES ADAKITES, DES ROCHES PARTICULIERES DES ZONES DE SUBDUCTION
D’après http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-adakites.xml
A partir de l’exploitation
de
l’ensemble
des
documents, expliquez la
présence, en certains
points des zones de
subduction, des adakites,
qui se distinguent des
B.A.D.R.
(Basalte,
Andésite, Dacite, Rhyolite) classiquement rencontrées, par l’absence de
termes
basiques
(basaltiques).
Figure 1 :
N.B. Les points noirs sont les adakites étudiées.
Al = Alcalin ; Th= Tholéitique.
Figure 1 : Diagrammes
alcalins/silice et K/Na/Ca
Figure 2 : Localisation
des adakites (triangles
blancs) dans la zone
Pacifique.
N.B. Les traits noirs épais
représentent les axes de
dorsales.
N.B.
A gauche, l’âge
de la croûte est
figuré :Tmy en
millions d’années. Au milieu,
âge de la croûte
entrant en
subduction.
A droite, teneur
en Yb des laves
formées le long
de la fosse
(Ytterbium :
élément trace,
terre rare lourde).
Figure 3 : Les adakites de Patagonie
Remarque : Le N de YbN signale une teneur normalisée rapport entre la teneur de l’élément dans la roche
et la teneur dans une roche de référence (météorite chondritique en général)
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Figure 4 :
Diagrammes
[(La)/(Yb)]N vs. YbN,
et Sr/Y vs. Y,
BADR = champs
blancs) ; Adakites =
champs grisés.
Terres rares :
La : lanthane (légère)
Sr : Strontium
Y : Yttrium
Yb : Ytterbium (lourde)
Figure 5 : Diagramme
YbN (ou Y/2,4) des
laves du volcan étudié
et âge de la lithosphère
subduite à l’aplomb du
volcan étudié.
Figure 6 : Spectres de terres rares comparant les adakites (ronds noirs) avec les liquides modélisés, formés dans
différents cas : fusion d'
une péridotite à grenat; fusion d'
une amphibolite (basalte métamorphisé); fusion d'
une
amphibolite à grenat (basalte métamorphisé dans des conditions où le grenat peut apparaître).
N.B. Les surfaces grises de la figure 6 donnent la
composition (modélisée) des liquides formés en
fonction du taux de fusion F.
Figure 7 : Diagramme P-T
4 gradients géothermiques sont figurés en
fonction de l’âge de la lithosphère entrant en
subduction.
FDA : Fusion/Déshydratation de l’Amphibole
D : Déshydratation des minéraux hydratés
composant le basalte (entre 600 et 800°C)
G : limite inférieure de stabilité du grenat
H : disparition de l’amphibole hornblende.
FDA
D
G
H
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THEME 2 : PESANTEUR, GEOIDE ET LEURS VARIATIONS
1- a) Définir la pesanteur. En donner les différentes composantes.
b) Qu’appelle-t-on le géoïde ? Quelle est sa forme à l’échelle de la Terre ?
2- Lors de la coupe de l’América en 2005, les mêmes bateaux pesés à Malmö en Suède et à Valence en Espagne
présentaient une infime différence de poids (0,2 %). Expliquer cette différence.
3- Le Mississippi est un fleuve qui coule du nord vers le sud sur une distance de 3800km.
La source du Mississipi est plus proche (de 5 kilomètres !) du centre de la Terre que son embouchure.
Le Mississipi coule t-il du bas vers le haut ? Expliquer. N.B. La réponse sera accompagnée d'
un schéma.
4- La gravité g = - kM/R2
Figure 1 :
(k = constante, M = masse de la
Terre, R = Rayon terrestre)
Le potentiel de gravité U est
défini par g = -gradU = - dU/dR
a)
Montrer
que
U
est
proportionnel à M et inversement
proportionnel à R.
b) Expliquer grâce à ce résultat
les conséquences d’un excès ou
d’un déficit de masse en un point
du globe sur la forme du géoïde.
5- Grâce à des satellites munis de
radars altimètres, il a été possible
de cartographier avec une haute
résolution les ondulations de la
surface des océans. La figure 1
présente le géoïde altimétrique sur
l’Atlantique nord.
a) Que traduisent ces ondulations
et pourquoi ?
Dans le détail, des ondulations marquées s’observent à l’aplomb des failles transformantes présentes en
profondeur.
b) Expliquer, en relation avec la dynamique des plaques, l’origine de ces ondulations.
6- La géodynamique interne détermine également les
variations du géoïde.
Figure 2 :
a) Discuter l’effet sur le géoïde d’un panache
ascendant de matière chaude, donc peu dense, créant
un bombement en surface.
b) Préciser la réponse en exploitant la figure 2 qui
présente les variations du géoïde et de la topographie
des fonds marins autour du point chaud des
Bermudes.
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THEME 3 : ANALYSE DES JOINTS STYLOLITHIQUES (G2E partiel)
Les joints stylolithiques (JS) sont des discontinuités très irrégulières, hérissées de pointes (pics stylolithiques) et
matérialisées par une accumulation de minéraux argileux, d'
oxyhydroxydes de fer etc., au sein du joint. Ils ne
sont bien développés que dans les calcaires.
On distingue deux types (Figure 1) : - les joints tectoniques JSt, obliques sur la stratification ;
- les joints stratiformes JSs, parallèles à la stratification.
Figure 1
Les joints JSt sont uniquement associés aux domaines déformés tectoniquement. Pour leur part, les joints JSs
s'
observent également dans des massifs rocheux non déformés, restés plans et horizontaux ; ils se développent
préférentiellement sur les joints (= surfaces) de stratification de la roche. Les joints JSs sont horizontaux et les
pics stylolithiques sont verticaux quand les couches sont restées horizontales.
On se propose d'
étudier l'
origine et l'
importance des joints JSs.
3.1. Etude d'
un joint stylolithique affectant un
calcaire oolithique de l'
Oxfordien supérieur de
l'
Est de la France (Figure 2). L'
épaisseur
moyenne de ce joint peut être estimée à 20
micromètres.
A partir de la figure 2, reconstituez l'
état initial
de la roche, avant stylolithisation. Commentez
et quantifiez votre réponse.
N.B. Un dessin schématique agrandi de la
figure 2 se trouve sur la feuille annexe. Vous
devrez le découper, le modifier comme il
convient, et le coller dans votre copie.
Quel est le seul processus qui peut
raisonnablement expliquer la formation des
joints stylolithiques ? Pourquoi ces joints sontils fréquents dans les calcaires, très rares dans
les autres roches ?
Figure 2
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3.2. Le tableau ci-contre donne la composition
chimique d'
un calcaire oolithique comparable à
celui de la question 3.1 et celle du matériau
soulignant le joint stylolithique, cette dernière
étant beaucoup plus variable. Que peut-on
déduire, qualitativement et quantitativement, de
ces analyses ? Comparez avec les réponses à la
question 3.1.
3.3. Dans une succession épaisse de 90 m de
couches de calcaires oolithiques, on a pu estimer
que le nombre de joints stylolithiques JSs est en
moyenne de 15 à 20 par mètre. Sur la base des
résultats précédents, déterminez l'
épaisseur de
cette succession avant stylolithisation.
Que pouvez-vous en conclure ?
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THEME 4 : STRUCTURES GEOLOGIQUES DANS LA REGION DE CASTILLON
(Alpes de Haute Provence)
A partir d’une photo et d’une carte
géologique simplifiée de la région :
- Construire un schéma structural,
- Décrire les principales structures de
la région et les resituer sommairement dans l’histoire alpine,
- Réaliser une coupe géologique à
main levée entre les points A et B.
N.B. - Placer le sud à gauche.
- La topographie ne sera pas
représentée sur la coupe géologique.
Une simple horizontale définira la
surface.
- Le terrain 3 est du trias salifère.
Carte
géologique
simplifiée
Contact anormal
Falaise
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Présentation générale ; soin, rédaction, orthographe, mots clés
THEME 1 : fig.1 : Les adakites sont des ,roches volcaniques calco-alcalines ; elles sont de
nature sodique alors que les BADR sont plus potassiques, rapport K/Na faible.
Fig.2 : localisation dans la ceinture péri-pacifique mais limitée au niveau des dorsales océaniques
Fig.3 : Les adakites ne sont présentes que dans la zone où la croûte subduite est la plus jeune, Yb
en teneur faible /BADR
Fig.4 : Sr élevé Y faible =>rapport Sr/Y élevé ; terres rares lourdes faibles =>rapport La/Ib élevé
Fig.5 : Les adakites pauvres en éléments traces lourds n’existent qu’associées à une croûte jeune
Fig.6 : Seule l’amphibolite à grenat par fusion partielle peut former des liquides adakitiques ;
superposition de la zone grise (définie par les limites de la fusion partielle) et du spectre des
adakites en éléments traces.
Les autres liquides formés sont trop riches en terres rares lourdes
Source des adakites : des basaltes hydratés (par l’altération hydrothermale) de la croûte
océanique subduite devenus des amphibolites à grenat capables de fusion partielle
Fig.7 : Conditions de formation des adakites: Il doit rester des amphiboles pouvant fondre (donc
à droite de FDA), donc non totalement déshydratées (gauche de D) et totalement métamorphisées
en pyroxènes, donc à gauche de H. Du grenat doit être présent donc au dessus de la courbe
d’équilibre G. D’où la « fenêtre adakitique ») en gris sur la fig. 7.
Cette zone est atteinte par la croûte subduite si le gradient géothermique est fort ; ce qui est le cas
pour des lithosphères jeunes (<50 M.a.) entraînées par subduction)
La courbe de fusion de l’amphibole est croisée avant la déshydratation complète des minéraux ;
ce qui n’est plus le cas pour des lithosphères plus âgées.
THEME 2 : 1°) a) Pesanteur = accélération auquel est soumis un pt en surface du globe terrestre
Elle est la résultante de 3 composantes :
- gravité : KM/R2 (M = masse de la Terre, R = Rayon terrestre)
- accélération axifuge : 2 R cos ( = latitude, = vitesse angulaire)
- attraction due au reste de l'
Univers = terme de marée
La direction de la pesanteur en un point définit la verticale en ce point.
b) L'
horizontale : toute surface perpendiculaire en tout point à la verticale. Cette surface est une
équipotentielle de pesanteur, c'
est-à-dire une surface sur laquelle le potentiel de pesanteur
(f(gravité, rotation, terrestre et marées) est constant. L'
équipotentielle de pesanteur particulière
correspondant au niveau moyen des océans est appelée le "géoïde". Sa forme est un ellipsoïde
plus ou moins bosselé en fonction des hétérogénéités de la Terre en surface et en profondeur (à
toutes les échelles)
2°) Malmö est plus proche du pôle que Valence. La distance au centre du globe est donc plus
petite, donc R2 plus petit, ce qui augmente la valeur de g. L'
angle est plus petit ce qui fait que
cos est plus faible ainsi que R. Donc la valeur de l'
accélération axifuge est plus faible.
schéma explicatif adéquat
3°) La Mississippi ne peut couler que d'
une altitude élevée vers une altitude basse !!!
A son embouchure l'
altitude est = 0 le niveau de la mer. L'
altitude est définie par les équipotentielles de pesanteur. Au niveau de la mer, l'
équipotentielle correspond au géoïde. Le Mississippi
coule donc d'
une équipotentielle élevée vers l'
équipotentielle qui définit le géoïde. Schéma
montrant le géoïde à l'
embouchure, équipotentielle à la source et distances au centre de la Terre
4°) a) U = -kM/R si excès (déficit) de masse M augmente (diminue) et R aussi car U = cste
(équipotentielle) donc une bosse (creux) sur le géoïde
5°) a) Ondulations=reliefs sous-marins +(excès), –(déficits de masse) bosses & creux du géoïde
b) expansion + subsidence f (âge) de la lithosphère océanique ; de part et d’autre d’une faille
transformante l’âge est différent vu le décalage/axe de la dorsale d’où une falaise de plusieurs
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centaines à milliers de mètres d’où bosse (du côté le plus jeune) et creux (du côté le plus âgé).
6°) a) matière peu dense déficit de masse mais bombement donc augmentation de volume et donc
de masse d’où un excès de masse !!! Qui domine bosse ou creux ???
b) bosse du géoïde associée au relief sous-marin donc l’excès de masse liée au bombement >
effet de densité du à la chaleur du panache…
THEME 3 : 31- Les oolithes sont en contact initialement, résultat d’une accumulation
sédimentaire associées à une cimentation sparitique (gros cristaux de calcite se développant dans
les espaces sans particules fines, un milieu agité les ayant emportées…). Toute une zone du
calcaire a disparu, imbriquant des portions d’oolithes.
Après retour à l’état initial, l’échelle permet de l’estimer à 550 micromètres d’épaisseur. Une
dissolution du carbonate de calcium sous forte pression due à la compaction est à l’origine des
pics stylolithiques. Les calcaires sont sensibles à la dissolution selon la réaction.
CaCO3 + H20 + CO2 = 2 HCO3- + H+ . La pression favorise le sens G D.
32- La dissolution et le lessivage associé ont entraîné la disparition du calcium et des carbonates
du niveau stylolithique d’où une concentration de tous les éléments composant les minéraux insolubles (silicates) peu concentrés initialt mais concentrés par le départ des carbonates solubles.
Si, Al et Fe peu ou pas lessivés se retrouvent concentrés de 30 à 40 fois !!!
Les cations solubles Na+ , Mg++ ont été partiellement entraînés lors de la dissolution des
carbonates (baisse forte du Calcium bien sûr) ; d’où leur concentration plus modeste au final.
Le K+ moins soluble a été plus concentré. Le joint étant estimé à 20 micromètres état final.
Le volume a été divisé environ par 550/20 = 27,5 d’où on peut déduire une concentration des
substances insolubles de 30 fois environ.
33- L’épaisseur avant stylolithisation : Chaque stylolithe fait perdre 550 micromètres à la série.
90 x 17,5 x 550 x 10-6 = 0,9 m. La série faisait environ 91m.
THEME 4 : Schéma structural : hydrographie, reliefs majeurs (falaises), plis 3 anticlinaux +++
et 4 synclinaux --- , 2 chevauchements, 1 faille, soin
Direction des plis E/W à NE/SW, vergence sud à SW des chevauchements (décollements au
niveau du trias salifère) en relation avec la forme en arc des Alpes typique tectonique de
couverture (Jur & Crétacé) de la zone externe alpine
Coupe 2 contacts anormaux, 3 synclinaux, puissance constante des couches, pendage convenable,
symboles adaptés, axes correctement placés ;
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