Construire un modèle de la Terre

COMPOSITION À PARTIR D’UN DOSSIER
Construire un modèle de la Terre
« L’exercice de modélisation du réel est sans doute la démarche la plus importante et aussi la plus
difficile dans la démarche scientifique. Passer du concret à l’abstrait, de l’observation à sa
traduction formalisée, demande que l’on soit capable d’extraire du monde réel une représentation
simplifiée, le degré de simplification dépendant du niveau où l’on se situe. La modélisation fait appel
à des langages symboliques qui, suivant les cas, peuvent être des diagrammes, des schémas ou des
expressions mathématiques.
Le professeur doit s’efforcer sur des exemples simples de montrer comment se fait la
modélisation, ceci dans toutes les sciences. […] Il faut cependant insister sur le fait que la pratique
expérimentale dans l’enseignement ne favorise la formation de l’esprit scientifique que si elle est
accompagnée d’une pratique du questionnement et de la modélisation ».
Extrait du préambule du programme de seconde
N.B. : une exploitation de documents du dossier doit impérativement être associée aux réponses
apportées aux questions. Le choix effectué doit être justifié, du point de vue scientifique et du point de
vue pédagogique.
Question 1 (7 points)
L'enseignement des sciences de la vie et de la Terre permet de construire à partir du cycle central un
modèle statique et dynamique de la Terre. Cette étude se poursuit au lycée.
Proposez, un choix argumenté de 3 activités permettant de travailler sur l’élaboration ou la
discussion de modèles de la quatrième à la terminale. Vous effectuerez une sélection de documents,
éventuellement modifiés ou complétés, parmi les documents 1 à 6.
Vous préciserez, pour chacune des activités présentées, les objectifs visés en termes de notions
et de capacités et les précautions à prendre lorsqu’on manipule ou construit un modèle. Vous indiquerez
les apports spécifiques des documents choisis en relation avec vos objectifs.
Question 2 (8 points)
En exploitant certains documents du dossier pris dans les documents
• vous construirez une progression pédagogique (de la 1ère à la terminale scientifiques)
comprenant des travaux pratiques et des cours, permettant de compléter ou de préciser le
modèle du globe établi au collège, à partir de l’étude des séismes.
• vous établirez un schéma bilan du modèle du globe en fin de terminale.
-
Vous préciserez en particulier :
la démarche scientifique suivie ainsi que les objectifs notionnels et méthodologiques visées à
chaque séance.
Les consignes de travail et l’organisation de la classe lors des séances de travaux pratiques.
Question 3 (5 points)
En utilisant des documents de votre choix, éventuellement aménagés, élaborez un exercice de
type 2a de l’épreuve écrite du baccalauréat S portant sur le chapitre "La convergence lithosphérique et
ses effets". Vous rédigerez l'énoncé, les réponses attendues, et proposerez un barème.
LISTE DES DOCUMENTS DU DOSSIER
Doc 1 : la propagation des ondes sismiques
Doc 2 : causes et effets d’un séisme
Doc 3 : les types de failles
Doc 4 : apports de l’étude des trajectoires et de la vitesse des ondes
Doc 5 : répartition des foyers sismiques à l’ouest de l’Amérique du sud
Doc 6 : données sur des séismes au Chili
Doc 7 : l’enregistrement d’un séisme
Doc 8 : les caractéristiques des ondes sismiques
Doc 9 : la répartition des séismes
Doc 10 : le comportement des ondes
Doc 11 : corrélation entre vitesse de propagation d’ondes de choc et masse volumique de quelques
éléments
Doc 12 : un modèle possible du globe
Doc 13 : des profils sismiques de sismique réflexion
Doc 14 : des données de tomographie sismique
Document 1 : la propagation des ondes sismiques (Hachette 4ème)
Dispositif expérimental (Exao) permettant d'enregistrer la
propagation d'une onde sismique.
Enregistrement obtenu.
Photographie du dispositif avant (a) et après (b) le
choc sur la table.
Document 2 : causes et effets d’un séisme (Magnard 4ème et Bordas)
Schéma bilan
Une simulation pour comprendre : la rupture en réponse à
une contrainte de plus en plus forte
Document 3: les 3 types de failles (Bordas)
Faille inverse
Faille normale
Déformations observées après avoir réalisé un
mouvement de compression.
Faille transformante
Déformations observées après avoir réalisé un
mouvement d'extension.
Nathan
Document 4 : apports de l’étude des trajectoires et de la vitesse des ondes (D’après Bordas
première S)
a) Etude de la trajectoire des ondes P
« Zone d'ombre » pour un séisme au
Japon : mise en évidence d’une limite
manteau-noyau.
Depuis fort longtemps, les scientifiques
ont remarqué qu'à la suite d'un séisme,
les stations situées dans une bande
ceinturant le globe (entre les distances
angulaires 103 et 142 °) reçoivent peu
d'ondes de volume. De plus, elles sont de
faible amplitude et retardées. Cette bande
est appelée « zone d'ombre ».
b Une expérience analogique pour visualiser et comprendre la zone d'ombre.
b) Etude de la vitesse de la propagation des ondes P :
Ce document est un assemblage de différents
sismogrammes ordonnés selon la distance angulaire foyerstation (données Sismolog, Editions Chrysis).
L’étude des délais d’arrivée des ondes aux différentes
stations permet d’estimer leur vitesse moyenne de
propagation et ainsi d’envisager l’homogénéité ou
l’hétérogénéité du globe.
Document 5 : La répartition des foyers
sismiques à l’ouest de l’Amérique du sud
(Sismolog)
Distribution des épicentres
Document 6 : données sur des séismes au Chili
Document 7 : l’enregistrement d’un séisme
De = distance
station
épicentre
Document 8 : les caractéristiques des ondes sismiques (hachette première S)
On distingue les ondes de volume P et S qui se propagent
dans toutes les directions et traversent la planète selon des
rais sismiques et les ondes de surface L qui circulent
parallèlement à la surface terrestre. Celles-ci sont les plus
dangereuses et les plus amples.
Les ondes P, ou premières, se déplacent en créant
successivement des zones de dilatation et des zones de
compression. Les particules se déplacent selon un mouvement
avant-arrière dans la direction de la propagation de l'onde. Les
ondes P sont les plus rapides. Dans le cas des ondes S, ou
secondes, les particules oscillent dans un plan vertical
perpendiculairement au sens de propagation de l'onde. Ce
sont des ondes de cisaillement ; celles-ci ne se propagent pas
dans les liquides.
Les vitesses de propagation des ondes de compression et de
cisaillement Vp et Vs dans un solide dépendent de trois
paramètres qui sont la densité p (ou masse volumique), le
module d'incompressibilité K (lié à l'élasticité des matériaux) et
le module de cisaillement P (lié à la rigidité des matériaux et
qui est nul dans les liquides)
Document 9 : la répartition des séismes (logiciel sismolog )
a- Répartition mondiale des volcans et des séismes
b- Les limites d'une plaque à l'est de l'océan Pacifique
Document 10 : le comportement des ondes (Bordas 1ère S)
a) Le trajet d'un rayon laser rencontrant une discontinuité et schéma interprétatif.
La propagation des ondes sismiques peut être assimilée à celle d'ondes lumineuses dans différents milieux. Lorsque les
ondes rencontrent une discontinuité (ou interface), c'est-à-dire une surface séparant deux milieux aux propriétés
physico-chimiques différentes, elles peuvent se réfléchir et se réfracter. La trajectoire de l'onde réfractée (celle qui a été
déviée au passage de la discontinuité) est donnée par la loi de Descartes :
sin(i1)/sin(i2) = V1/V2,
V1 et V2 correspondant à la vitesse des ondes dans chacun des deux milieux. A l'échelle du globe, des surfaces de
réfractions multiples entraînent des déviations successives des ondes, leur donnant un tracé courbe.
b) Réflexion et réfraction
La vitesse de propagation des ondes
sismiques dépend uniquement des
propriétés physiques des matériaux
traversés. Étudions cette propriété à l'aide
d'un modèle analogique.
c) dispositif expérimental
- Réaliser un jeu de capteurs piézo-électriques. Un mode
opératoire est disponible sur le site compagnon du manuel
www.nathan.fr/svtlycee.
- Relier ces capteurs à un ordinateur via les entrées de la carte
son.
- Disposer les deux capteurs piézo-électriques sur une longue
barre métallique.
- Créer un choc à l'extrémité de cette barre à l'aide d'un marteau.
- Enregistrer en stéréo, grâce à un logiciel d'acquisition du son
(Audacity par exemple), le passage du train d'ondes par le
premier puis le deuxième capteur.
- Réaliser un autre enregistrement avec une barre en bois.
Milieu traversé
Vitesse moyenne
-1
des ondes P(km.s )
Granite et gneiss
5,6
Basalte et gabbro
6,5
Péridotite
8,1
Eau
1,5
d) Vitesse de propagation des ondes sismiques
P dans des milieux de composition chimique
différente (mesures obtenues en laboratoire).
Document 11 : Corrélation entre la vitesse de propagation d’ondes de choc et la masse
volumique de divers éléments (Science de la Terre et de l’univers Vuibert)
Document 12 : un modèle possible du globe: (Science de la Terre et de l’univers Vuibert)
a) Variations de la vitesse de propagation des ondes de volume
Vitesse des ondes sous les continents
b) Structuration croûte manteau
Vitesses des ondes sous les océans
Document 13 : Les profils sismiques de sismique reflexion :
a) la marge passive au large de la Galice
Ces profils ont été obtenu avec une technique de sismique réflexion. On a rajouter une interprétation
structurale : les limites des unités sont figurées en trait plein.
b) Le prisme d’accrétion de la Barbade
Le profil sismique
Modélisation 3Davec sismolog
Document 14 : Des données de tomographie sismique