section : sciences de la vie

section : sciences de la vie –
sciences de la terre
et de l’univers
Composition à partir dʼun dossier
Durée : 5 heures
Samedi 16 octobre 2010
Croûte et lithosphère océaniques
Question 1 (8 points)
Les caractères permettant de définir et de limiter ces enveloppes sont essentiellement
de nature sismique.
La lithosphère est distinguée de l’asthénosphère par la variation de la vitesse des ondes
sismiques (diminution de celle-ci ce qui définit la LVZ). Cette réduction de vitesse est
interprétée en 4ème comme une variation de comportement des matériaux, entre lithosphère
rigide et asthénosphère moins rigide.
En Première, l’analyse de la propagation des ondes sismiques fait apparaître la
discontinuité du Moho qui marque la limite entre croûte et manteau.
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Cette limite, dont on situe la profondeur à quelques kilomètres en domaine océanique
(environ 7 km) ne correspond pas à la base de la lithosphère : cette dernière, d’épaisseur
variable (jusqu’à 150 km), comprend donc la croûte et une partie du manteau supérieur.
La définition de la lithosphère et la croûte fait aussi intervenir des caractères
pétrographiques et minéralogiques :
La composition basaltique de la croûte océanique et la composition péridotitique du
manteau sont indiquées et précisées aux plans pétrographique et minéralogique en 1ère
(structure de la croûte, principaux minéraux…), avec l’étude de certaines conditions de mise
en place.
Les caractères thermiques sont également abordés dans le cadre de l’enseignement de
Première (« La machinerie thermique de la Terre ») : ils expliquent les caractères
rhéologiques mentionnés plus haut et conduisent à situer la limite lithosphère / asthénosphère
en coïncidence avec l’isotherme 1300°C. Le mode de dissipation de la chaleur distingue aussi
la lithosphère des niveaux mantelliques plus profonds.
L’étude de la croûte et de la lithosphère océaniques s’intègre dans différents
problèmes abordés dans les classes de 4ème et du lycée (1ère S et TS).
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Dynamique des plaques lithosphériques : 4ème et lycée. Cette approche est décrite et
envisagée en 4ème avec la mise en évidence des mouvements des plaques et les
transformations qu’ils déterminent (déplacement des continents, formation des plaques
à l’axe des dorsales, enfouissement au niveau des fosses, formation des chaînes de
montagnes). Ces mouvements sont précisés en classe de 1ère : leur étude est complétée
avec la mise en évidence des mouvements de coulissage ; ils sont quantifiés par
différentes méthodes.
Exploitation possible du document 8.
-
Mise en place et formation de la croûte océanique (accrétion océanique) : 1ère S : il
s’agit d’étudier la divergence et les phénomènes liés. On s’intéresse alors à l’activité
des dorsales (activités tectoniques et magmatiques).
Exploitation possible des documents 1, 2, 3, 5, 6, 7, 10, 11, 13, 14 et 15.
-
Disparition de la lithosphère océanique par subduction : Terminale S : les principales
caractéristiques d’une zone de subduction sont identifiées (topographie, activité
sismique et distribution des séismes, activité magmatique, déformation lithosphérique,
caractères thermiques).
Exploitation possible des documents 4, 9, 12
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Devenir de la croûte et la lithosphère océanique lors d’une collision : Terminale S :
identification d’éléments d’anciennes lithosphères océaniques subduits et ramenés en
surface, ou non subduits : il s’agit dans l’un et l’autre cas des ophiolites
(métamorphisées dans des faciès différents selon les cas).
Exploitation possible des documents 4, 12,13.
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Quelques indications plus précises sur les documents :
Le document 1 est relatif à la dorsale médio-atlantique (ce que l’on peut déduire des
indications de longitude portées en haut et en bas du document). Ce document pourrait
s’intégrer dans l’étude en 1ère S du fonctionnement des dorsales. On observe la zone axiale de
la dorsale avec la présence d’un rift central. L’axe de la dorsale est décalé par des failles
transformantes.
Le document 2 est un document de tomographie sismique : il fait apparaître l’existence
de zones à plus faible vitesse coïncidant avec les dorsales océaniques. Ces zones à plus faible
vitesse traduisent des zones plus chaudes : ce document étudié en 1ère livre des informations
sur la distribution des températures dans le manteau à 200 km et appuie l’étude de l’accrétion
océanique, reliant formation de la croûte et dynamique mantellique.
Le document 3 est relatif au même problème : on observe une interruption du Moho au
passage de la zone axiale de la dorsale. Un réflecteur plus superficiel se remarque nettement
dans cette région : il est interprété comme le toit de la chambre magmatique. Les informations
apportées par ce document participent ainsi à la construction des modèles de fonctionnement
des dorsales et d’accrétion océanique.
Le document 4 présente des métagabbros coronitiques : on observe le développement
de glaucophane caractéristique du faciès schistes bleus, marqueur du métamorphisme de
subduction : ce document s’intègre donc au problème de la disparition de la lithosphère
océanique par subduction.
Les documents 5 et 6 exposent des faciès pétrographiques résultant de forages
(document 5) ou d’échantillonnage d’ophiolites (document 6). Ces documents peuvent être
étudiés en 1ère S, servant différents objectifs : nature pétrographique de la croûte, conditions
de mise en place des produits magmatiques au cours de l’accrétion.
Le document 7 serait exploité dans le cadre de l’étude de l’accrétion océanique, les
dorsales océaniques étant alors reconnues comme des zones à fort flux thermique.
Le document 8 peut être utilisé en 4ème ou en 1ère S. Il montre la distribution symétrique
des âges des fonds océaniques de part et d’autre de la dorsale et l’augmentation de ceux-ci
lorsqu’on s’éloigne de l’axe. Ces informations chronologiques sont essentielles pour mettre
en évidence la signification géodynamique des dorsales.
Le document 9 est un document de tomographie sismique : il fait apparaître une zone à
vitesse élevée, interprétée comme une zone froide plongeant en profondeur : il s’agit ici d’un
document relatif au problème de la subduction.
Le document 10 fournit des éléments d’informations sur les phénomènes magmatiques
à l’origine de la mise en place de liquides basaltiques à partir des péridotites.
Le document 11 présente les compositions chimiques des principales roches, ce qui
permet de préciser la nature des différents matériaux et d’argumenter certains processus
pétrogénétiques (par exemple fusion partielle de la péridotite).
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Le document 12 est une grille pétrogénétique essentielle pour présenter les évolutions
métamorphiques que peuvent subir les matériaux de la séquence basique, comme les gabbros
océaniques, dans un environnement de subduction, puis de collision (exhumation) : on peut
ainsi reconstituer des chemins P,T,t.
Les documents 13 et 14 peuvent être utilisés pour mieux faire apparaître la
signification des ophiolites (1ère S et TS). Ils mettent aussi en évidence certains caractères
géodynamiques des dorsales (exemple : zone de distension).
Enfin le document 15 sera exploité, après simplification, dans le cadre de l’étude de
l’origine des magmas et de leurs conditions d’apparition, d’ascension et de mise en place.
Question 2 (8 points)
Progression au niveau 1ère S permettant de construire peu à peu le schéma présenté par
le document 16, à valeur de schéma-bilan.
Coupe synthétique montrant les divers éléments structuraux et lithologiques typiques des dorsales
rapides à production continue de croûte océanique.
Ce schéma fait apparaître différents caractères qui doivent faire l’objet d’une
argumentation construite dans la progression. L’essentiel est cependant centré ici sur les
processus magmatiques à l’origine de la croûte océanique (mise en place des liquides dans
une chambre magmatique, conditions d’obtention des différents niveaux de la croûte (basalte,
complexe filonien, gabbros), origine des liquides et dynamique du manteau…).
On supposera déjà reconnue la signification géodynamique des dorsales et déjà
construites les notions relatives à l’expansion des fonds océaniques (fondées par exemple sur
les observations chronologiques).
I / Une zone d’activité magmatique en distension
1 – Mise en place de produits volcaniques
On se fondera sur des photographies des fonds océaniques : pillow-lavas, coulées…
que l’on pourra également montrer sur des complexes ophiolitiques (document 13).
C’est l’occasion de présenter les produits émis : analyse du document 5.
La mise en place de ces produits magmatiques définit l’accrétion magmatique.
2 – Une activité tectonique en distension.
Les dorsales sont les lieux d’une intense activité sismique, avec des foyers
superficiels : ex. : document 8 qui montre la distribution de foyers sismiques mais qui
mériterait d’être complété par d’autres informations sismiques plus riches.
Ces zones sont soumises à un régime de distension, comme l’attestent les nombreuses
fissures ouvertes (document 14) et les failles normales qui affectent les zones axiales de
dorsales.
Ces fissures ouvertes et ces failles assurent la montée en surface des liquides
magmatiques, ce qui engendre la formation du complexe filonien.
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Cette activité en distension définit l’accrétion tectonique.
Remarque : On pensera aussi à l’analyse des mécanismes au foyer, hors programme des
classes de lycée mais dont il faut connaître la signification pour d’éventuelles questions à la
suite d’une épreuve orale.
II / La mise en place des produits magmatiques
1 / Structure de la croûte
La structure de la croûte peut être appréhendée par différents supports : apports de la
sismologie, observation de coupes (exemple : coupe de la Vema), données de forage...
Analyse et étude des gabbros ; mise en relation avec les basaltes.
Exploitation des documents 5 et 6.
Remarque (hors-programme) : on observera que le schéma proposé est relatif à une dorsale
rapide. La structure de la croûte est celle d’une croûte complète, de nature Pacifique. La
croûte mise en place au niveau d’une dorsale lente, de type Atlantique, présente des caractères
différents (plus faible accrétion magmatique au regard de l’accrétion tectonique), ce qui se
traduit par une croûte beaucoup plus hétérogène, de structure souvent incomplète avec parfois
même l’affleurement direct du manteau sous les sédiments.
2 / Localisation et caractères de la chambre magmatique
Des arguments sismiques permettent de formuler des hypothèses sur la présence et la
géométrie des chambres magmatiques à l’axe des dorsales : on utilisera le document 3 qui met
en évidence un réflecteur fort interprété comme le toit de la chambre. À la base de celle-ci, le
Moho n’apparaît pas ce qui sous-entend la présence d’une zone de transition à l’aplomb des
venues mantelliques
La compréhension des processus pétrographiques à l’axe des dorsales repose très
largement sur les observations conduites sur les complexes ophiolitiques, comme celui
d’Oman. Ceux-ci permettent notamment de préciser les conditions d’extraction des liquides à
partir des péridotites soumises à fusion partielle, et les conditions de mise en place des
magmas dans les chambres : on pourra à ce titre exploiter le document 10, montrant
l’extraction de filonnets magmatiques (donnant des gabbros) au sein de péridotites, à la base
de la croûte.
III/ L’origine des magmas mis en place
1/ La production d’un liquide basaltique à partir des péridotites
On s’intéresse alors à la partie mantellique du schéma proposé par le document 16.
La production d’un liquide de composition basaltique à partir de péridotites peut être
argumentée par la comparaison des caractères géochimiques des différents matériaux
(document 11) et par les données de la pétrologie expérimentale.
Ce document montre en particulier que la composition d’un basalte est différente de
celle de la péridotite : un basalte ne peut donc résulter d’une fusion totale d’une péridotite.
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Les conditions de production d’un liquide par fusion partielle d’une péridotite peuvent
être précisées à l’aide du document 15, que l’on simplifiera au regard du problème étudié. Il
importe de ne conserver que le solidus de la péridotite et de figurer le géotherme traduisant la
remontée adiabatique du manteau sous la dorsale. La fusion résulte d’une décompression
adiabatique et débute à l’intersection entre le géotherme suivi et le solidus de la péridotite.
2 / Les relations avec la dynamique mantellique
Les documents 7 et 2 montrent que les dorsales sont le siège d’une dissipation de
chaleur et coïncident avec des zones chaudes du manteau, interprétées comme des secteurs
ascendants de cellules de convection.
Ces mouvements mantelliques, suggérés sous forme d’un diapir par le schéma 16 sont
par ailleurs argumentés par des observations pétrologiques faites sur les ophiolites : dans le
complexe ophiolitique d’Oman, on montre l’existence de péridotites foliées, c’est-à-dire de
péridotites déformées à l’état solide et dont les déformations sont appréciées par des mesures
de foliations et de linéations minéralogiques : sous la zone axiale de la dorsale, les péridotites
montrent des déformations verticales (remontée mantellique) divergeant ensuite de part et
d’autre. Ce sont de telles observations qui fondent la représentation indiquée sur le schéma :
« trajectoires des roches du manteau lors de leur écoulement plastique en conditions
asthénosphériques ».
Question 3 (4 points)
Pour des précisions relatives aux modalités du bac S, on se reportera à la note de
service n° 2004-028 du 16/02/2004.
La partie 2 de l’épreuve du baccalauréat est centrée sur la pratique d’un raisonnement
scientifique et se fonde sur l’exploitation de documents.
Le second exercice de cette partie permet d’évaluer, à partir de l’exploitation de deux
ou trois documents, la capacité à résoudre le problème scientifique posé, en relation avec les
connaissances du candidat. Ce second exercice est noté sur 5 points.
L’exercice proposé sera construit à partir des documents 4 et 12.
Énoncé :
Les complexes ophiolitiques observés dans certaines chaînes de montagnes, comme
les Alpes, sont interprétés comme des éléments d’une ancienne lithosphère océanique. Ces
complexes comprennent notamment des gabbros, plus ou moins métamorphisés (appelés alors
métagabbros) et dont l’étude peut révéler les phénomènes géodynamiques qu’ils ont subis, de
leur formation au niveau d’une dorsale à leur mise en place au sein d’une chaîne de
montagnes.
En vous fondant sur leurs relations géométriques, proposez un ordre d’apparition des
trois phases minérales clinopyroxène, actinote et grenat. Reconstituez alors sur le document
12 le chemin P,T,t suivi par ces métagabbros et indiquez les informations qu’il apporte quant
aux phénomènes géodynamiques ayant conduit à ces évolutions.
Proposition de corrigé :
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Le clinopyroxène est recoupé par une fente d’actinote : l’actinote est postérieure au
pyroxène.
Le clinopyroxène est entouré d’une auréole de glaucophane. Celle-ci correspond à une
auréole réactionnelle (métagabbros coronitiques). La glaucophane est postérieure au
clinopyroxène.
(Remarque : au microscope, le plagioclase apparaît en fait remplacé par un agrégat de
fins cristaux qui sont, après analyse à la microsonde, de la jadéite et de la lawsonite. Le
plagioclase n’est donc plus en équilibre : son composant calcique a donné la lawsonite alors
que son composant sodique engendrait la jadéite.)
L’actinote ne recoupe pas l’auréole de glaucophane au niveau de laquelle elle s’arrête : la
formation de l’actinote est antérieure à la formation de la glaucophane.
L’ordre d’apparition des minéraux est donc le suivant : clinopyroxène – actinote –
glaucophane.
Le clinopyroxène atteste du stade magmatique initial.
Le développement de l’actinote signe le passage dans le faciès des schistes verts.
Le développement de la glaucophane indique le passage dans le faciès des schistes bleus.
L’actinote est antérieure à la glaucophane : le passage dans le faciès schistes verts est
antérieur au passage dans le faciès schistes bleus : il s’agit d’un métamorphisme prograde.
On peut alors dresser le chemin P,T,t sur le document 12 avec 3 stades :
1 - formation du gabbro avec les clinopyroxènes.
2 - apparition de l’actinote.
3 – apparition de la glaucophane.
L’échantillonnage en surface suppose ensuite un chemin vers la surface.
L’histoire de ce gabbro illustre quelques aspects géodynamiques :
- formation d’une croûte océanique
- subduction d’une partie de la lithosphère océanique (développement du faciès schistes
bleus).
- exhumation et mise en place dans les processus de collision.
On pourrait proposer le barème suivant :
- analyse des relations géométriques : 1
- reconstitution de l’ordre d’apparition : 1
- interprétation en termes de faciès : 1
- représentation du chemin P,T,t : 1
- interprétation géodynamique : 1
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