TP G1-2. Le temps – Structure et dynamique de la planète Terre

Géologie – TP G1-2. Le temps – Structure et dynamique de la planète Terre
TP G1-2. Le temps – Structure et dynamique
de la planète Terre
But du TP : appliquer sur des exemples concrets les principes et méthodes de datation vus en cours, réaliser
des expérience et modélisations permettant de connaître la structure de la Terre et sa dynamique, notamment
calculer la profondeur du Moho, construire le gradient géothermique, étudier de la carte du fond des océans,
et calcul de l'âge de la dorsale, exercices d'isostasie.
I. Les principes stratigraphiques
Les documents 1 à 3 sont des photographies. Légendez-les et déterminez la chronologie des différents
événements, en précisant quel est le principe utilisé.
Document 1: Falaise à proximite de Sao Vicente (Portugal).
Document 2: Un cristal de zircon dans un
cristal de mica noir.
Document 3: Microgranite et sédiments. Cantley, région
d'Ottawa, Québec. Echelle : 1/10e
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II. Applications des méthodes de biostratigraphie
On a fait l'inventaire de toutes les espèces d'Ammonites présentes sur le site de St-Jean-des-Vignes (Rhône,
carte de Tarare au 1/50 000e), et on a repéré l'étendue stratigraphique sur l'affleurement.
Document 4: Répartition
stratigraphique des ammonites
de la carrière Lafarge de St-
Jean-des-Vignes. En trait pleins :
grande abondance. En traits
pointillés : fossile présent, mais
abondance faible. Les espèces
ne sont pas identifiées avec
précision : seuls sont donnés les
genres.
Page suivante, on donne, l'extension stratigraphique mondiale (chronozone) de certains genres présents sur le
site de St-Jean-des-Vignes. On donne l'étage où se trouve la plus ancienne et la plus récente occurrence pour
chaque genre.
a) A partir des deux documents, déterminez dans cette formation (si les données le permettent) la
position des limites du Pliensbachien, du Toarcien inférieur, moyen, supérieur, et de l'Aalénien.
b) Expliquez pourquoi Pseudolioceras est un mauvais fossile stratigraphique.
c) Donner les critères qui pourraient justifier que Hildoceras soit un bon fossile stratigraphique.
d) Calculez la vitesse moyenne minimale de la sédimentation dans cette région. Explicitez votre
calcul, et commentez votre résultat.
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Genres Plus ancienne occurrence Plus récente occurrence
Catacoeloceras Toarcien inférieur Toarcien moyen
Dactylioceras Toarcien inférieur Toarcien moyen
Denckmannia Toarcien moyen Toarcien moyen
Eleganticeras Toarcien inférieur Toarcien supérieur
Grammoceras Toarcien moyen Toarcien supérieur
Hammatoceras Toarcien moyen Toarcien supérieur
Haugia Toarcien moyen Toarcien moyen
Hildaites Toarcien inférieur Toarcien inférieur
Hildoceras Toarcien moyen Toarcien moyen
Jacobella Toarcien supérieur Toarcien supérieur
Mucrodactylites Toarcien inférieur Toarcien moyen
Nodicooeloceras Toarcien inférieur Toarcien moyen
Porporceras Toarcien moyen Toarcien moyen
Protogrammoceras Pliensbachien Toarcien inférieur
Pseudolioceras Toarcien inférieur Aalénien inférieur
III. Applications des méthodes de datation radiochronologique
1. Cas général : applicable pour un système pauvre ou riche
On donne ci-dessous les valeurs de
(Rb
87
Sr
86 )
et
(Sr
87
Sr
86 )
mesurées sur différents minéraux de la
granodiorite vue sur la carte de Falaise, ainsi que la valeur de la constante de désintégration du 87Rb :
λ = 1,397.10-11 an-1.
a) Construisez le graphe
(Sr
87
Sr
86 )
en fonction de
(Rb
87
Sr
86 )
, et déduisez-en l'âge
radiochronologique de cette roche.
b) Donnez la valeur de
(Rb
87
Sr
86 )
0
.
minéraux
(Rb
87
Sr
86 )
(Sr
87
Sr
86 )
orthose 4,0664 0,7413
plagioclase 0,07145 0,7094
biotite 37,9755 1,0067
muscovite 29,6705 0,9405
roche totale 3,9403 0,7398
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2. Cas d'un système riche
On rappelle que K et Rb sont dans la même colonne du tableau périodique des éléments (colonne des
alcalins), et que Ca et Sr sont dans la même colonne (colonne des alcalino-terreux). Le couple K/Rb d'une
part, et le couple Ca/Sr d'autre part, ont donc des comportements proches.
La biotite (mica noir) et la muscovite (mica blanc) sont des minéraux à la fois très riches en K, et très
pauvres en Ca. On dit qu'ils constituent (du point de vue de la datation par le couple Rb/Sr) un système
riche.
a) Montrer que si un minéral est un système riche, l'équation de la droite isochrone peut s'écrire
(Sr
87
Sr
86 )(t)≈( Rb
87
Sr
86 )(t)(eλt−1)
.
b) On donne les valeurs suivantes des rapports isotopiques pour un granite daté par la méthode
des isochrones à 463 Ma. Discuter la pertinence de considérer la biotite ou la muscovite
comme un système riche pour une détermination rapide de l'âge.
c) Montrer que le plagioclase n'est pas un système riche. Pouvait-on s'en douter ?
Minéraux Formule chimique
(Rb
87
Sr
86 )
(Sr
87
Sr
86 )
Orthose KAlSi3O888,589 1,28335
Plagioclase NaAlSi3O8 → CaAl2Si2O80,87881 0,71419
Biotite K(Mg,Fe)3(Si3AlO10)
(OH)2
3561,78 23,82113
Muscovite KAl2(AlSi3O10)(OH)2256,67 2,3740
Roche totale 222,41 2,2340
NB : la méthode K/Ar est une méthode où tout minéral peut être considéré comme un système riche, dans la
mesure où la quantité d'Ar initiale est toujours nulle.
IV. Calculer la profondeur du moho
On se place dans le cas simple d'un séisme situé à une distance relativement proche de la station, où on
considère que les seules ondes P arrivant à la station sont les ondes P directes et les ondes P réfléchies. On
négligera les ondes coniques.
Soient δt le décalage entre les ondes P et les ondes PMP, h la profondeur de l'hypocentre, Δ la distance entre
l'épicentre en la station d'enregistrement, VP la vitesse des ondes P, t0 la date du séisme, tD la date d'arrivée
des ondes directes et tR la date d'arrivée des ondes réfléchies. On notera H la profondeur du moho. On note dD
et dR la distance parcourue par les ondes directes et réfléchies respectivement.
a) Montrez que
tD−t0=dD
VP
et que
tR−t0=dR
VP
. Déduisez en que
δt=dR−dD
VP
.
b) Placez sur un schéma les différentes grandeurs définies plus haut.
c) A partir du schéma, donnez l'expression littérale de dR et dD en fonction de δt, Δ, h et VP.
Déduisez-en que
H=1
2h+1 2
√
[δt V P+
√
(h2+Δ2)]2−Δ2
. Donnez l'expression simplifiée de
H dans le cas où le séisme est très superficiel.
d) Application numérique : on donne le sismogramme suivant (document 5). De plus, on donne la
vitesse moyenne des ondes P dans la croûte : VP = 6,25 km.s-1.
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V. Mettre en évidence et comprendre la convection mantellique
1. Valider un modèle de convection mantellique
L'idée de la convection d'un manteau solide, mais relativement ductile à grande échelle, est aujourd'hui
communément admise. Cependant, différents modèles de convection coexistent :
–Concernant le nombre de couches mises en jeu : les subductions peuvent être des phénomènes
locaux (circonscrits au manteau supérieur : modèle de la convection à deux couches) ou peuvent
concerner tout le manteau (modèle de convection à une couche).
–Concernant la symétrie des montées et descentes de matière : descente localisée de matériel froid et
remontée diffuse de matériel chaud (convection froide), descente diffuse de matériel froid et
remontée localisée de matériel chaud (convection chaude), toute variation entre ces deux extrêmes.
Document 6: Tomographie
sismique coupant la subduction
Pacifique-Amérique du Nord et la
dorsale médio-atlantique.
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Document 5: Sismogramme correspondant à un séisme ayant eu lieu dans les Alpes le 23 avril 1991, à une profondeur
de 10 km. Il a été enregistré par la station de Roselend, en Haute-Savoie, située à 135,8 km de l'épicentre. L'échelle
temporelle est indiquée en haut du sismogramme. Les dates d'arrivée des ondes P et PMP sont indiquées sur
l'enregistrement.