Filière BCPST-Véto GEOLOGIE

GEOL1001
SESSION 2010
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Filière BCPST-Véto
GEOLOGIE
Durée : 3h30
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L’usage de la calculatrice, d’abaques et de tables est autorisé pour cette épreuve. Si, au cours de
l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le signale sur sa copie et
poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il a été amené à prendre.
SUJET :
BALADES GEOLOGIQUES DANS LE TEMPS ET DANS L’ESPACE …
MAIS SURTOUT VERS L’EST !
N.B. Le sujet comporte 9 pages. Les 4 premiers exercices proposés sont suffisamment indépendants pour
être abordés dans n’importe quel ordre.
Toujours
à l’est !
La géologie, c’est du temps plaqué sur de l’espace… (Michel Marthaler)
1
Exercice 1 : La géologie de l’est de la France
(D’après Exercice TP agrégation 2008)
A partir de l'étude de la carte géologique
de France au millionième et de sa
notice :
1. En utilisant une feuille de papier
calque qui sera ensuite collée dans
la copie, construire un schéma
structural soigneusement légendé
de la région dont la figure 1 donne
les limites.
Figure 1
2. Récapituler sous forme de tableau
(cf. ci-dessous) dans un ordre
chronologique,
les
principaux
évènements sédimentaires, magmatiques, métamorphiques et tectoniques de l'histoire géologique du
fossé rhénan depuis 400 Ma.
Chronologie
Evènements
sédimentaires
Evènements métamorphiques
et magmatiques
Evènements
tectoniques
…
…
…
…
2
Exercice 2 : La subsidence du Fossé Rhénan
Figure 1 : Montage réalisé à partir de deux profils de sismique réflexion dans l’Est de la France (d’après
Mayer, 1997) N.B. Le temps exprimé sur l’axe vertical est en seconde temps double.
1- Indiquer deux caractéristiques du fossé rhénan qui peuvent être dégagées de l’étude de la figure 1.
Soumise à une extension, la lithosphère s’amincit (croûte et manteau lithosphérique).
Enveloppes
Masse volumique
Epaisseur initiale
Croûte
d = 2,7 g.cm-3
h = 30 km
manteau lithosphérique
D = 3,3 g.cm-3
H= 80 km
manteau asthénosphérique
D’ = 3,25 g.cm-3
N.B. Pour les questions 2 et 3 un calcul littéral précèdera l’application numérique.
2- Quel est l’effet d’un amincissement de 20 % de la croûte seule sur l’altitude de la région supposée
nulle avant l’extension ?
3- Quel est l’effet d’un amincissement de 20 % du manteau lithosphérique seul sur l’altitude de la région
supposée nulle avant l’extension ?
4- Les deux amincissements se produisant ensemble lors de l’extension quelle sera finalement l’altitude
de la région.
5- Que se passe-t-il si la zone d’asthénosphère qui est remontée se refroidit ?
6- Dans quel contexte géodynamique se produit l’extension oligocène du fossé rhénan ?
Exercice 3 : La capture de la Moselle
D’après : http://artic.ac-besancon.fr/svt/act_ped/
svt_lyc/concours/ geosciences-2009/sujet_2009.pdf
A partir de l’exploitation des différents
documents proposés, reconstituer l’histoire du
cours de la Moselle au cours des derniers
300 000 ans et expliquer ce phénomène que les
géologues et géomorphologues appellent une
capture.
Figure 1 : Carte simplifiée de la région étudiée.
N.B. On pourra se repérer également sur la carte
au millionième, juste au-delà de la limite ouest
de la zone étudiée dans l’exercice 1.
3
Figure 2 : Nature des alluvions anciennes (datées de plus de 250 000 ans) trouvées au niveau de la Meuse et
de la Moselle cf. zone sur la figure 1.
Figure 3 : Image satellitaire du « Val de l’Asne », paysage observé entre Toul et Pagny sur Meuse.
Figure 4 : Relief actuel entre la Meuse et la Moselle entre Toul (à l'Est) et Pagny (à l'Ouest).
Les numéros font référence aux lieux des forages de la figure 5. N.B. L’échelle verticale est exagérée.
4
Figure 5 : Altitude de la base des alluvions anciennes mesurée sur des affleurements ou grâce à des forages
dont les numéros sont repérés sur la figure précédente.
Remarque : En réalisant un forage aux points 5, 6 et 7 on ne trouve pas les alluvions anciennes. En
revanche, on trouve ces alluvions à quelques centaines de mètres de là, à des altitudes plus élevées. On fait
l'hypothèse qu'aux points 5, 6 et 7 les alluvions anciennes ont été érodées, mais qu'elles se trouvaient à la
même altitude que les restes d'alluvions observés à proximité.
Figure 6 : Carte schématique de la
localisation des alluvions récentes
et anciennes de la région Touloise
N.B. L’autoroute A33 emprunte la
vallée entre Pagny sur Meuse et
Toul.
Figure 7 : L’érosion régressive
d’une rivière : Migration vers
l’amont du point de rupture de
pente du profil de la rivière
(stades 1, 2, 3 antérieurs au
stade P actuel)
in Eléments de Géologie
Pomerol Dunod (P.649)
5
Exercice 4 : Le magmatisme du Kaiserstuhl (Fossé Rhénan)
A partir des documents présentés, donner
les
conditions dans lesquelles le magmatisme du fossé
rhénan a pu apparaître.
Préciser le chimisme de ce magmatisme, les conditions
de la fusion partielle (roche(s) initiale(s) et pourcentage
de fusion) et expliquer les origines possibles de la
diversité des roches présentes.
Les carbonatites sont des roches magmatiques
exceptionnelles dont l’origine est encore discutée.
Dégager leurs particularités chimiques et proposer des
hypothèses permettant de les expliquer.
Figure 1 : Carte schématique des roches du Kaisersthul
Figure 2 : Composition chimique des roches du
Kaiserstuhl (en %)
N.B. 32,8 % de CO2 s’ajoute à la composition de la
carbonatite
Carbonatite
1 ,8
0,2
1,1
6
1,3
1,6
48,7 0,2
0,1
4,9
N.B. Le diagramme de Harker fourni ci-dessous sera utilisé dans la résolution de la problématique.
6
0,5
Figure 3 :
Carte de la profondeur du Moho déduite de la
sismique réflexion et réfraction profonde
Figure 4 : Echantillon de Carbonatite du Kaiserstuhl
Gros cristaux blancs de calcite (en abondance)
N.B. Très rares cristaux de silicates.
Feldspathoïde
Pyroxène
Amphibole
Plagioclase
Pâte riche en plagioclases et oxydes
Figure 5 : Photo de lame mince de
Téphrite (LPNA)
Figure 6 : Abondance
des éléments
incompatibles dans deux carbonatites
d’Afrique de l’Est comparables à celles du
Kayserstuhl. Les résultats sont exprimés
sous forme du rapport :
carbonatite /MORB de type E.
7
Exercice 5 : Variabilité naturelle du cycle du carbone
(D’après ftp://trf.education.gouv.fr/pub/edutel/siac/siac2/jury/2008/agreg_ext/svt2.pdf)
1-Reconstruction des paléo-teneurs atmosphériques de CO2
La quantité de stomates par unité de surface des feuilles des végétaux dépend pour partie de la concentration
en CO2 de l’atmosphère. Ce paramètre peut donc potentiellement servir de traceur de la pCO2 pour les temps
anciens. On définit l’indice stomatique (SI) comme suit : SI = SD / (SD + ED)
SD étant la densité stomatique (c'est-à-dire le nombre de stomates par unité de surface foliaire) et ED étant
la quantité de cellules épidermiques présentes par unité de surface foliaire.
Figure 1
1.1 Donner la relation qui existe entre l’indice stomatique SI des plantes et la concentration
atmosphérique en CO2, notée pCO2.
1.2 Déterminer grâce à la figure 1, l’équation de la droite correspondant au Ginkgo biloba.
1.3 A partir de cette équation et des mesures de la figure 2 réalisées sur différentes espèces de Ginkgo
actuelle et fossiles, calculer pCO2 pour G. biloba et G. wyomingensis.
1.4 Comment évolue la concentration de CO2 atmosphérique et le climat depuis 225 Ma ?
Figure 2
Feuille de Ginkgo fossilisée
8
2-Place de l’altération dans le cycle géologique du carbone
Les équations bilan non équilibrées des réactions de dissolution d’un silicate, d’un sulfate et d’un carbonate
et de précipitation d’un carbonate sont données ci-dessous :
Dissolution : pyroxène
_ CaMgSi2O6 + _ H2O + _ CO2 _ Ca2+ + _ Mg2++ _ HCO3- + _ H4SiO4
gypse
_ CaSO4 _ Ca2+ + _ SO42calcite
_ CaCO3 + _ CO2 + _ H2O _ Ca2+ + _ HCO3Précipitation d’un carbonate : _ Ca2+ + _ HCO3- _ CaCO3 + _ H2O + _ CO2
2.1 Equilibrer les réactions. Ensuite, pour chaque minéral (pyroxène, calcite, gypse), faire le bilan final
en termes de rejet/fixation de CO2 lorsque le couplage des réactions de dissolution du minéral et de
précipitation des carbonates a lieu.
2.2 Quel est le point commun des régions étudiées dans la figure 3 ? Comment expliquer la richesse
systématique en ions hydrogénocarbonates (HCO3 -) des cours d’eau répertoriés ci-dessous.
Nom du bassin versant
Deccan
Islande
Réunion
Massif Central
HCO3- (µmol.L-1)
2719
480
1311
686
T (Kelvin)
300
275
290
282
Figure 3
2.3 Quel est le devenir des ions hydrogénocarbonates des cours d’eau ?
2.4 Reporter sur le graphique donné ci-dessous (semi-log) la concentration en ions hydrogénocarbonates
en fonction de 1000/T pour les points mesurés de la figure 3. Que peut-on déduire de la courbe obtenue ?
Quel type de rétroaction cela implique au sein du cycle du carbone et quelle en est la conséquence ?
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CORRECTION DS DE GEOSCIENCES : Soin général, rédaction, orthographe
EXERCICE 1 : 1. Schéma structural soin symboles légendes cf. Schéma en fin de correction
différents domaines géologiques : fossé rhénan oligo-miocène, Rhin,
socle I et précambrien (Vosges cristallines et Forêt Noire),
bassin houiller carbonifère
auréoles orientales du bassin parisien (couverture II) ; couverture II sur socle bordant le fossé
Jura (couverture II)
Nb failles indifférenciées, F normales à regards convergents graben
Volcanisme miocène (Kaiserstuhl = K)
chevauchements Jura à vergence nord et au sein du socle I (collision), coulissages sénestres
2. Histoire géologique de la région (tableau) Principaux évènements (respects des consignes
Chronologie
Evènements sédimentaires
Pliocène à Quaternaire
Dépôts fluviatiles
(Rhin)
Miocène
Oligocène
Evènements magmatiques
et métamorphiques
Evènements tectoniques
Chevauchement du
Jura au sud du fossé
rhénan
Rajeunissement Vosges
Forêt Noire ( relief)
Volcanisme du
Kaiserstuhl
Dépôts très épais dans
le fossé rhénan (> 2500
m vu la profondeur de
la base du cénozoïque)
Amincissement crustal,
failles normales formation du fossé
rhénan
Eocène e
Dépôts sédimentaires
Jurassique j
Trias t
Permien r
Carbonifère h2 h3
Dépôts localisés
Granitoïdes de
collision 15, 17+++
Volcanisme calcoalcalin à alcalin
(collision)
Métam. de collision
(SV/Amphibolite) +
Migmatites)
Volcanisme tholéitique
à calcoalcalin de marge
active
Carbonifère h1
Dévonien d2h
Orogenèse varisque
Extension postorogénique
Collision
Failles chevauchements
Décrochements syn et
post 17
Subduction (relique
éclogitique)
Dépôts sédimentaires
EXERCICE 2 : 1. Importante sédimentation et amincissement crustal (> 10 %)
Remontée du Moho
2. Voir schéma en fin de correction s+0,8h +H’= h soit s = 0,2h-H’ et hd = 0,8hd +H’D’ soit
H’=0,2hd/D’ d’où s = 0,2 h(1-d/D’) soit une subsidence ≈ 1015m
3. De même 0,8H + H’ = H+s soit s = H’-0,2H et HD=0,8HD +H’D’soit H’=0,2HD/D’ d’où s =
0,2H(D/D’-1) soit une remontée ≈ 246 m
4. somme des deux mouvements verticaux : subsidence de 769 m
5. D’ devient D !!! excès de masse et nouvelle subsidence, thermique cette fois !!!
6. Orogenèse alpine, subduction traction extension ou (et) minicellule de convection
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EXERCICE 3 : fig.1 Tracé curieux (Moselle), angle droit à Toul. Vallée sans rivière (Val de l’Asne)
Sur 10-6 sources au niveau du socle pour Moselle et Meurthe et sur terrains jurassiques pour Meuse
fig .2 Alluvions = produits d’érosion issus de l’amont du pt de dépôt = reflets des régions traversées
Moselle : grès (trias) et granite (socle I) Meuse amont : calcaires (jurassiques) aval (mélange !!!
comme si des alluvions du cours supérieur de la Moselle étaient mélangées à celles de la Meuse…
fig.3 Vallée sans rivière avec plusieurs méandres morts = vestiges de l’ancienne vallée de la Moselle
fig.4 et 5 Actuellement, lit de la Moselle plus bas que celui de la Meuse (+ col entre les deux !) MAIS
pente inverse pour la base des alluvions anciennes de la Moselle vers la Meuse donc écoulement
possible de l’est vers l’ouest
fig.6 L’âge et la position des alluvions permettent d’envisager une modification du tracé du cours de
la Moselle entre - 160 et - 250 000 ans
fig.7 L’explication de la capture peut être déduite du phénomène d’érosion régressive présenté. La
Moselle aurait été capturée par un affluent de la Meurthe s’écoulant de l’ouest vers l’est. L’évolution
du profil de cet affluent vers son profil d’équilibre aurait entrainé un recul du point de rupture vers
l’amont et un creusement qui a pu vers 200 000 ans mettre en relation cette vallée et celle de la
Moselle ; la pente plus importante, par rapport au val de l’Asne, a privilégié l’écoulement la Moselle
vers l’est, délaissant ainsi son ancien cours.
EXERCICE 4 : Diagramme de Harker construction des points correctes Le volcanisme est de
type alcalin, à hyper alcalin, comparable à celui du rift est africain.
Les caractéristiques géochimiques des laves sont indicatrices d’un taux de fusion faible de péridotites
du manteau et d’une grande profondeur de formation du magma.
Au début du Tertiaire, en périphérie des Alpes, la traction exercée par la lithosphère européenne en
subduction, soumet la croûte à une extension passive. Elle s’étire et s’amincit (Moho fig.3). Le
manteau supérieur s’élève, forme un bombement sous le fossé rhénan, et se décomprime. La
décompression du manteau peut engendrer à 100 km de profondeur la fusion partielle de 5% des
minéraux de la péridotite, donnant un magma pauvre en silice et riche en alcalins (Na, K).
Des néphélinites aux phonolites, elles s’enrichissent en silice, alumine, Na et K et s’appauvrissent en
oxydes de fer, Mg et Ca.
Dans le magma d’origine, la pauvreté en silice conduit à la cristallisation de feldspathoïdes
(néphéline, leucite) à la place des feldspaths. L’enrichissement progressif en silice permet l’apparition
des feldspaths (cf téphrite fig.5 avec Feldspathoïdes et Feldspath présents).
La diversité des laves (fig.5 texture microlitique) du massif s’explique par la cristallisation
fractionnée du magma d’origine ou (et) la contamination par la croûte continentale.
Carbonatites : riches en carbonates (calcite en phénocristaux fig.4) et phosphate, très rares silicates
(Silicium quasi nul !!!) Extraordinaire richesse en éléments incompatibles comparée au MORB
pourtant E (enrichi) donc très très faible fusion partielle
HYP : à très faible degré de fusion, production d’un magma très riche en éléments incompatibles et
volatils CO2. Le manteau d'origine ayant été préalablement enrichi en CO2 et en calcium par des
circulations de fluides dans la croûte (pour géologue confirmé points bonus !!!)
HYP : magma riche en CO2 et en CaO (souvent un magma sous-saturé en silice) subit un processus
de cristallisation fractionnée dans une chambre magmatique au sein de la croûte. Ce magma se
sépare en deux liquides distincts, un magma silicaté, et un magma carbonaté non miscibles qui vont
avoir des trajets différents dans la croûte et donner naissance à des roches volcaniques ou plutoniques
soit silicatées, soit carbonatées. (pour géologue hors norme points bonus !!!)
EXERCICE 5 : 1.1 Relation linéaire décroissante entre SI et teneur atmosphérique en CO2 :
SI= a.pCO2 +b.
1.1 En prenant 2 points 1 et 2 sur la droite Ginkgo biloba, on obtient :
a= (SI1-SI2)/(pCO21-pCO22) soit a= (11-8)/(318-361)=- 0,07 et b=SI1+ 0.07.pCO21 soit b=33,2
SI= -0,07.pCO2+33,2 et donc pCO2= -14SI+474.
1.3 En mesurant la densité stomatique d’une feuille, il est donc possible de remonter à la teneur
atmosphérique en CO2 en faisant l’hypothèse que cette relation linéaire est générale à toutes les
espèces de Ginkgo au fil des temps géologiques (actualisme)
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G. biloba : 344 ppm wyomingensis : 417 ppm
1.4 Alternance de périodes à forte (climat chaud par important effet de serre) et à faible (climat froid
par faible effet de serre) teneurs en CO2. Actuellement on est en période froide, malgré le
réchauffement climatique anthropique depuis 150 ans
2.1 Hydrolyse d’un pyroxène : CaMgSi2O6 + 6H2O + 4CO2 Ca2+ + Mg2++ 4HCO3- + 2H4SiO4
calcite : CaCO3 + CO2 + _ H2O Ca2+ + 2HCO3gypse : CaSO4 _ Ca2+ + SO42Précipitation des carbonates : Ca2+ + 2HCO3- CaCO3 + H2O + CO2
Couplages dissolution/précipitation : pour pyroxène (N.B. précipitation de carbonates sous forme de
CaCO3 mais aussi de MgCO3)
CaMgSi2O6 + 4 H2O + 2 CO2 CaCO3 + MgCO3 + 2H4SiO4 bilan déficitaire : 2 moles de CO2
atmosphérique consommées pour 1 mole de pyroxène dissoute
Pour calcite : CaCO3 CaCO3 bilan nul en terme de rejet/consommation de CO2 atmosphérique
Pour gypse : CaSO4 + 2HCO3- CaCO3 + H2O + CO2 + SO42- bilan excédentaire : 1 mole de
CO2 atmosphérique rejetée pour 1 mole de sulfate dissous
2.2 Régions volcaniques (3 magmatisme de points chauds) à roches silicatées sans roches calcaires
L’altération des silicates par eaux acides libère des ions HCO32.3 (bio) précipitation en carbonates de calcium ou de magnésium ( réservoir de roches
carbonatées)
2.4 construction correcte des 4 points qui sont alignés
Log([HCO3-])= -a/T + b avec a positif. Soit [HCO3-] = C.exp(-a/T), C est une constante = (exp(b)).
Ce type de dépendance vis-à-vis de la température est classique pour de nombreuses réactions
chimiques (loi d’Arrhénius). La température est un paramètre pouvant contrôler l’intensité du
piégeage de CO2 atmosphérique par l’altération des silicates.
Cela implique une rétroaction négative. Quand la température atmosphérique augmente, le piégeage
de CO2 atmosphérique augmente d’après la relation établie. L’effet de serre diminuant, la
température de l’atmosphère diminue, diminuant l’altération etc… Processus régulateur de la teneur
en CO2 atm
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