SVT - Livre Du Professeur

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Partie
2
Les continents
et leur dynamique
Les objectifs généraux de cette partie
En classe de Première S, l’attention s’est portée principalement sur le domaine océanique.
En classe de Terminale, on aborde le domaine continental. Il s’agit de dégager les caractéristiques de la lithosphère continentale et d’en comprendre l’évolution à partir de données
de terrain. La compréhension de la dynamique de la lithosphère devient ainsi plus complète.
Une correspondance entre le programme officiel
et les chapitres du manuel
Connaissances
La lithosphère est en équilibre (isostasie) sur l’asthénosphère. Les
différences d’altitude moyenne entre les continents et les océans
s’expliquent par des différences crustales. La croûte continentale,
principalement formée de roches voisines du granite, est d’une
épaisseur plus grande et d’une densité plus faible que la croûte
océanique. L’âge de la croûte océanique n’excède pas 200 Ma,
alors que la croûte continentale date par endroits de plus de
4 Ga. Cet âge est déterminé par radiochronologie. Au relief
positif qu’est la chaîne de montagnes, répond, en profondeur,
une importante racine crustale.
Les chapitres du manuel
chapitre
1
La croûte continentale (pages 142-153)
Les activités pratiques
Act. 1
Act. 2
Act. 3
Act. 4
Act. 5
La lithosphère en équilibre sur l’asthénosphère
L’épaisseur et la densité de la croûte continentale
Des indices tectoniques de l’épaississement crustal
Des indices pétrographiques de l’épaississement crustal
L’âge de la lithosphère continentale
L’épaisseur de la croûte résulte d’un épaississement lié à un
raccourcissement et un empilement. On en trouve des indices
tectoniques (plis, failles, nappes) et des indices pétrographiques
(métamorphisme, traces de fusion partielle). Les résultats
conjugués des études tectoniques et minéralogiques permettent
de reconstituer un scénario de l’histoire de la chaîne.
Les chaînes de montagnes présentent souvent les traces d’un
domaine océanique disparu (ophiolites) et d’anciennes marges
continentales passives. La « suture » de matériaux océaniques
résulte de l’affrontement de deux lithosphères continentales
(collision). Tandis que l’essentiel de la lithosphère continentale
continue de subduire, la partie supérieure de la croûte s’épaissit
par empilement de nappes dans la zone de contact entre les
deux plaques.
Les matériaux océaniques et continentaux montrent les traces
d’une transformation minéralogique à grande profondeur
au cours de la subduction. La différence de densité entre
l’asthénosphère et la lithosphère océanique âgée est la
principale cause de la subduction. En s’éloignant de la dorsale,
la lithosphère océanique se refroidit et s’épaissit. L’augmentation
de sa densité au-delà d’un seuil d’équilibre explique son
plongement dans l’asthénosphère. En surface, son âge n’excède
pas 200 Ma.
102
Partie 2. Les continents et leur dynamique
chapitre
2
La formation des chaînes
de montagnes (pages 164-177)
Les activités pratiques
Act. 1
Act. 2
Act. 3
Act. 4
Act. 5
Act. 6
Le modèle de la formation d’une chaîne de montagnes
Les traces d’un ancien domaine océanique
Les traces d’une marge continentale passive
Les témoins d’une ancienne subduction
Les causes de la subduction
Les traces de la collision continentale
Dans les zones de subduction, des volcans émettent des laves
souvent visqueuses associées à des gaz et leurs éruptions sont
fréquemment explosives. La déshydratation des matériaux de la
croûte océanique subduite libère de l’eau qu’elle a emmagasinée
au cours de son histoire, ce qui provoque la fusion partielle des
péridotites du manteau sus-jacent. Si une fraction des magmas
arrive en surface (volcanisme), la plus grande partie cristallise
en profondeur et donne des roches à structure grenue de type
granitoïde. Un magma, d’origine mantellique, aboutit ainsi à
la création de nouveau matériau continental.
Les chaînes de montagnes anciennes ont des reliefs moins
élevés que les plus récentes. On y observe à l’affleurement une
plus forte proportion de matériaux transformés et/ou formés
en profondeur. Les parties superficielles des reliefs tendent à
disparaître. Altération et érosion contribuent à l’effacement des
reliefs. Les produits de démantèlement sont transportés sous
forme solide ou soluble, le plus souvent par l’eau, jusqu’en des
lieux plus ou moins éloignés où ils se déposent (sédimentation).
Des phénomènes tectoniques participent aussi à la disparition
des reliefs. L’ensemble de ces phénomènes débute dès la
naissance du relief et constitue un vaste recyclage de la croûte
continentale.
chapitre
3
Zones de subduction et production
de croûte continentale (pages 188-197)
Les activités pratiques
Act. 1
Act. 2
Act. 3
Act. 4
Le volcanisme des zones de subduction
Les roches magmatiques des zones de subduction
La genèse des magmas des zones de subduction
La mise en place de nouveaux matériaux continentaux
chapitre
4
La disparition des reliefs (pages 208 -219)
Les activités pratiques
Act. 1
Act. 2
Act. 3
Act. 4
Act. 5
L’aplanissement des chaînes de montagnes
L’altération des roches
Le transport des produits issus de l’altération
Des réajustements isostatiques
L’étirement des chaînes de montagnes
Les objectifs généraux
103
Partie
2
chapitre
1
La croûte continentale
ActivitŽs pratiques
1
La lithosphère en équilibre sur l’asthénosphère (p. 144-145)
Connaissances
Capacités et attitudes
La lithosphère est en équilibre (isostasie) sur l’asthénosphère. Les différences d’altitude moyenne entre les
continents et les océans s’expliquent par des différences
crustales. Au relief positif qu’est la chaîne de montagnes,
répond, en profondeur, une importante racine crustale.
– Recenser, extraire et organiser des informations afin de
comprendre l’équilibre de la lithosphère sur l’asthénosphère.
– Établir une relation entre les observations de Bouguer
et le concept d’isostasie.
– Construire et exploiter des modèles.
1. Les intentions pédagogiques
La distinction lithosphère-asthénosphère, connue des élèves depuis le collège, est
replacée d’un point de vue historique en classe de Première S. Il s’agit maintenant, en
classe de Terminale, de préciser les modèles proposés par les scientifiques pour expliquer l’équilibre de la lithosphère sur l’asthénosphère, c’est-à-dire l’isostasie.
La gravimétrie correspond à l’étude des variations de l’intensité de la pesanteur. L’objectif du document 1 est de montrer que l’intensité de la pesanteur terrestre dépend de
plusieurs paramètres dont la répartition des masses à l’intérieur du globe.
Le document 2 illustre les anomalies gravimétriques mesurées en France, appelées
anomalie de Bouguer (physicien qui mit en évidence des anomalies gravimétriques
dans les Andes en 1738). Ce document permet d’insister sur le fait qu’au niveau des
chaînes de montagnes, l’anomalie de Bouguer est négative, ce qui s’interprète comme
un déficit de masse en profondeur. Ces mesures sont à la base du concept d’isostasie.
Le document 3 décrit deux modèles permettant de comprendre l’isostasie, c’est-à-dire
l’état d’équilibre de la lithosphère sur l’asthénosphère. Les élèves peuvent construire
les modèles avec une série de tasseaux de même densité (modèle d’Airy) ou de densités différentes (modèle de Pratt). Il s’agit d’illustrer la notion de surface de compensation et de racine crustale (modèle d’Airy).
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents :
Doc. 1 et 2 : La mesure de l’intensité de la pesanteur, au niveau des chaînes de montagnes en particulier, montre des valeurs bien inférieures à celles théoriquement attendues. Ces anomalies gravimétriques ont conduit à l’idée que l’excès de masse représenté par le relief positif d’une chaîne de montagnes est compensé en profondeur par un
déficit de masse, c’est-à-dire par de la croûte continentale peu dense (racine crustale).
Doc. 3 : Dans le modèle d’Airy, la croûte présente une densité constante et repose sur
des roches de densité supérieure. L’état d’équilibre de chaque colonne de roches au104
Partie 2. Les continents et leur dynamique
dessus de la surface de compensation s’explique par des proportions différentes de
chaque type de roches dans les colonnes. Dans le modèle de Pratt, chaque colonne de
roches présente une densité différente. Plus cette densité est forte, plus la hauteur de
la colonne de roches est faible au-dessus de la surface de compensation.
Le modèle d’Airy représenterait ce qui est détecté par les études sismiques, c’est-àdire la présence de croûte continentale profonde sous les chaînes de montagnes, nommée « racine crustale ».
Synthèse : réponse au problème à résoudre
L’équilibre de la lithosphère sur l’asthénosphère (isostasie) s’explique par la présence d’une surface de compensation au-dessus de laquelle les colonnes de roches,
bien qu’ayant des hauteurs variables, ont toutes la même masse, seules les densités
des roches étant différentes.
3. Ressources complémentaires
◾ Manuel universitaire :
« Éléments de géologie » Pomerol, Éditions Dunod.
◾ Compléments scientifiques sur le site :
http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-subsidence.xml
Chapitre 1. La croûte continentale
105
ActivitŽs pratiques
2
L’épaisseur et la densité de la croûte continentale (p. 146-147)
Connaissances
Capacités et attitudes
La croûte continentale, principalement formée de roches – Recenser, extraire et organiser des informations afin de
voisines du granite, est d’une épaisseur plus grande et d’une déterminer l’épaisseur de la croûte continentale.
densité plus faible que la croûte océanique.
– Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le
langage mathématique.
– Manipuler et expérimenter.
1. Les intentions pédagogiques
Le document 1 présente des sismogrammes récents enregistrés dans le sud-est de la
France au sein même des établissements scolaires (réseau « sismo à l’École »). Il s’agit
d’indiquer aux élèves qu’à partir de ces d’enregistrements, il est possible de calculer
la profondeur du Moho. En effet, on constate la présence d’ondes PmP, c’est-à-dire
des ondes P arrivées en retard car elles se sont propagées dans la croûte continentale
et ont été réfléchies sur la discontinuité de Mohorovicic. En utilisant le théorème de
Pythagore, la profondeur du point de réflexion peut être déterminée.
Les documents 2 et 3 ont pour objectif de montrer aux élèves qu’il est possible de
déterminer la densité de la croûte continentale à partir de l’étude du granite. Le document 2 permet de rappeler les principales caractéristiques minéralogiques du granite.
Le document 3 décrit une manipulation permettant de calculer en classe la densité
d’un granite et de la comparer à celles d’autres roches connues des élèves, en particulier, le basalte.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents :
Doc. 1 : Décalage entre les ondes Pg et PmP pour le séisme de Gardanne : 7,9 s.
Profondeur du Moho déterminée à partir du séisme de Gardanne : 28,7 km.
Profondeur du Moho déterminée à partir du séisme de Digne : 40,2 km.
Dans ce deuxième cas, c’est la profondeur du Moho au niveau approximatif de
Manosque (à mi-chemin entre Gardanne et Digne) qui est estimée (alors que dans le
premier cas, c’est la profondeur dans la région aixoise).
On constate donc que le Moho est plus profond en s’approchant des Alpes. L’épaisseur de la croûte continentale est plus grande sous des reliefs plus élevés, ce qui peut
être en lien avec la présence d’une « racine crustale » sous la chaîne de montagnes.
Doc. 2 : Quartz, feldspaths et biotites bien visibles.
Doc. 3 : Les mesures de densité du granite montrent des valeurs entre 2,5 et 2,7. Une
roche volcanique est formée à partir du refroidissement rapide d’une lave à l’issue
d’une éruption volcanique. Une roche plutonique se forme par le refroidissement lent
d’un magma en profondeur.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
L’épaisseur de la croûte continentale peut être déterminée à partir d’enregistrements d’ondes sismiques, avec la présence des ondes PmP. On constate que la croûte
106
Partie 2. Les continents et leur dynamique
continentale est bien plus épaisse que la croûte océanique (7 km d’épaisseur), en particulier sous les chaînes de montagnes.
La densité de la croûte continentale, définie à partir de celle du granite qui est sa roche
principale, montre des valeurs inférieures à celles de la croûte océanique.
3. Ressources complémentaires
◾ Site « Sismo à l’École » :
http://www.edusismo.org/index.asp?h_poste=9:0:23v
ActivitŽs pratiques
3
Des indices tectoniques de l’épaississement crustal (p. 148-149)
Connaissances
Capacités et attitudes
L’épaisseur de la croûte résulte d’un épaississement lié à – Recenser, extraire et organiser des informations afin
un raccourcissement et un empilement. On en trouve des d’identifier des indices tectoniques de l’épaississement
indices tectoniques (plis, failles, nappes).
crustal.
– Manipuler des modèles scientifiques.
1. Les intentions pédagogiques
Il s’agit ici d’illustrer certaines déformations rocheuses visibles en surface et indiquant
un épaississement de la croûte continentale.
L’objectif est de faire comprendre aux élèves que la convergence des plaques se traduit par d’intenses déformations de la lithosphère continentale qui s’adapte en se raccourcissant.
Trois aspects sont exposés : les plis, déformations plastiques (document 1), les failles
inverses, déformations cassantes (document 2) et les nappes de charriage (document 3).
Un modèle analogique simple à mettre en œuvre est proposé pour relier les types de
déformations (plastiques ou cassantes) aux caractéristiques des matériaux impliqués.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents :
Doc. 1, 2 et 4 : Les roches se sont déformées sous l’effet de contraintes compressives.
Les différences de comportement des roches (plastique ou cassant) peuvent s’expliquer par des vitesses de déformations plus ou moins importantes. Il peut s’agir aussi de
différences de température des roches au moment de leur déformation, selon qu’elles
se trouvent en profondeur ou non.
Doc. 3 : On constate deux anomalies dans la succession des strates : les roches datées
du Tertiaire (– 65 Ma à – 2,6 Ma) sont recouvertes de roches du Jurassique (– 205 à
– 137 Ma) donc plus anciennes. De même, les roches du Crétacé (– 145 à – 65 Ma)
sont surmontées par des séries du Trias (– 251 à – 200 Ma). De grandes surfaces de
roches ont été déplacées modifiant ainsi l’ordre des dépôts des séries sédimentaires
visibles actuellement.
Chapitre 1. La croûte continentale
107
Doc. 1 à 4 : Les contraintes compressives sont à l’origine des plis, des failles inverses
et des nappes de charriage. L’ensemble de ces déformations rocheuses entraîne un raccourcissement avec une superposition des couches rocheuses et donc un épaississement de la croûte continentale.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Les plis, les failles inverses et les nappes de charriage sont les indices tectoniques qui
marquent un épaississement de la croûte continentale suite à des contraintes compressives.
3. Ressources complémentaires
◾ Manuel universitaire : « Géologie Objets, méthodes et modèles », Dercourt et Paquet,
Éd. Dunod.
ActivitŽs pratiques
4
Des indices pétrographiques de l’épaississement crustal (p. 150-151)
Connaissances
Capacités et attitudes
L’épaisseur de la croûte résulte d’un épaississement lié à
un raccourcissement et un empilement. On en trouve des
indices pétrographiques (métamorphisme, traces de fusion
partielle). Les résultats conjugués des études tectoniques
et minéralogiques permettent de reconstituer un scénario
de l’histoire de la chaîne.
– Recenser, extraire et organiser des informations afin
d’identifier des indices de l’épaississement de la croûte
continentale.
– Utiliser le microscope polarisant.
1. Les intentions pédagogiques
L’objectif est ici de montrer aux élèves qu’un épaississement de la croûte continentale s’accompagne de modifications des conditions de température et de pression à
l’intérieur de celle-ci. Les roches sont alors modifiées et « enregistrent » ces nouvelles conditions. L’étude de ces roches dites métamorphiques permet de reconstituer
les conditions de leur formation.
Les élèves connaissent les roches sédimentaires et les roches magmatiques mais c’est
la première fois que les roches métamorphiques sont étudiées. Le document 1 présente trois roches de même composition chimique trouvées en Limousin. Il s’agit pour
l’élève, à partir de la disposition des minéraux et des modifications minéralogiques
constatées, de comprendre le phénomène de métamorphisme. En établissant un lien
avec le document 3, les élèves comprennent que les roches ont été formées à des profondeurs de plus en plus grandes, signe d’un épaississement de la croûte continentale.
Le document 2 illustre le phénomène d’anatexie avec l’observation de lentilles granitiques dans le gneiss. En reliant cette observation avec le document 3, les élèves
comprennent qu’une roche métamorphique comme le gneiss subit une fusion partielle
lorsqu’elle se trouve en profondeur dans une croûte continentale épaissie (ici, une profondeur de 25 km avec une température supérieure à 600 °C).
108
Partie 2. Les continents et leur dynamique
2. Les pistes d’exploitation
Information déduites de l’analyse des documents :
Doc. 1 : Les roches ont subi des transformations minéralogiques avec l’apparition
du grenat par exemple. De plus, elles présentent toutes une schistosité bien marquée.
Ces roches proviennent de roches sédimentaires appelées pélites qui ont été soumises
à des conditions de pression et de température différentes de celles dans lesquelles
elles se sont formées. Elles ont subi des transformations à l’état solide sans modification de la composition chimique. C’est pourquoi on les qualifie de métamorphiques.
Doc. 1 et 3 : La roche R1 s’est formée à une profondeur d’environ 15 km et à une
température de 400 °C, la roche R2 à 18 km, 450 °C et la roche R3 à 20 km, 550 °C.
Doc. 1, 2 et 3 : Les minéraux contenus dans ces roches indiquent qu’elles se sont formées dans des conditions Pression-Profondeur-Température de plus en plus élevées.
Ces roches ont donc été enfouies à la faveur d’un épaississement de la croûte continentale au cours de l’orogenèse hercynienne (ère Primaire ou Paléozoïque).
Synthèse : réponse au problème à résoudre
L’épaississement de la croûte continentale entraîne des modifications au sein des roches.
Les indices pétrographiques en sont : l’apparition d’une schistosité, la formation de
nouveaux minéraux stables dans des conditions de pression et de température de plus
en plus élevées et les traces de fusion partielle dans les migmatites.
3. Ressources complémentaires
◾ Compléments scientifiques :
http://christian.nicollet.free.fr/page/enseignement/licencemetam.html
Chapitre 1. La croûte continentale
109
ActivitŽs pratiques
5
L’âge de la lithosphère continentale (p. 152-153)
Connaissances
Capacités et attitudes
L’âge de la croûte océanique n’excède pas 200 Ma, alors – Recenser, extraire et organiser des informations afin
que la croûte continentale date par endroit de plus de 4 Ga. de comprendre les méthodes de datation de la croûte
Cet âge est déterminé par radiochronologie.
continentale.
– Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le
langage mathématique.
1. Les intentions pédagogiques
Le document 1 présente le principe physique de la géochronologie afin que les élèves
appréhendent la méthode Rubidium/Strontium développée dans le document 2.
L’objectif est ici de comprendre la méthode permettant de déterminer un âge à partir de la droite isochrone.
Le document 3 permet aux élèves d’appliquer la méthode à partir d’un exemple précis : datation du granite de Saint-Sylvestre, situé dans le nord du Limousin.
Le document 4 présente les roches parmi les plus anciennes trouvées au niveau de la
croûte continentale terrestre. Le planisphère permet de situer les masses rocheuses les
plus anciennes sur les différents continents. C’est au sein de ces ensembles rocheux
que l’on trouve actuellement des roches âgées de plus de 4 milliards d’années, comme
dans la région d’Acasta au Canada.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 et 2 : Les éléments radioactifs présents dans les roches se désintègrent spontanément, et se transforment en éléments stables. On peut doser la quantité des différents isotopes dans un échantillon à l’aide d’un spectromètre de masse qui sépare les
isotopes. En se désintégrant, un élément radioactif « père » se transforme spontanément en un élément « fils ». C’est ainsi que le rubidium 87 (87Rb) se transforme en
strontium 87 (87Sr). La désintégration de tout élément radioactif constitue une véritable
« horloge » car elle se fait en suivant une loi mathématique immuable de décroissance
exponentielle en fonction du temps : quelle que soit la quantité d’élément père présente
au départ, il faut toujours le même temps pour que cette quantité soit réduite de moitié par désintégration. Cette durée caractéristique d’un élément est sa demi-vie (t1/2).
Elle varie d’un élément à l’autre et peut atteindre plusieurs milliards d’années. Avec
le couple Rb/Sr, il est possible de dater des roches de plusieurs milliards d’années.
Doc. 2 : Au cours du temps, 87Rb diminue au profit de 87Sr. Donc le rapport 87Rb/86Sr
diminue et le rapport 87Sr/86Sr augmente.
Doc. 2 et 3 : L’âge du granite de Saint Sylvestre déterminé à l’aide de la méthode de
la droite isochrone est d’environ 310 Ma.
Doc. 4 : Les roches les plus anciennes de la croûte continentale ont plus de 4 milliards d’années, celles de la croûte océanique 200 millions d’années. Les roches de la
croûte continentale sont principalement des granites alors que la croûte océanique est
110
Partie 2. Les continents et leur dynamique
composée de basaltes et de gabbros. La densité moyenne de la croûte continentale est
de 2,7, celle de la croûte océanique est de 3.
L’épaisseur de la croûte continentale est en moyenne de 35 km et peut aller jusqu’à
70 km sous les chaînes de montagnes, celle de la croûte océanique est de 5 à 7 km.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
L’âge des roches de la croûte continentale peut être estimé par des méthodes de radiochronologie qui utilisent les isotopes radioactifs, contenus dans les roches, qui se désintègrent spontanément en éléments stables. Par exemple, à l’aide de la méthode de la
droite isochrone pour le couple Rb/Sr, il est possible de dater des roches de plusieurs
centaines de millions d’années, voire milliards d’années.
3. Ressources complémentaires
◾ Site académique de Limoges (datation des granites) :
http://www.ac-limoges.fr/svt/accueil/html/granites/datation_granitoides_applications.html
◾ Compléments scientifiques sur la datation absolue :
http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-datationrubidium-strontium.xml
Chapitre 1. La croûte continentale
111
Exercices
p. 160 à 163
Pour la partie « Maîtriser ses connaissances » :
– la correction des exercices « Pour s’entraîner » figure à la fin du manuel de l’élève,
pages 396 à 401 ;
– la correction de la partie « Objectif BAC » comporte seulement une correction des
QCM ; en effet, les questions de synthèse sont des restitutions de connaissances où
toute liberté est laissée à l’élève pour construire une réponse organisée.
6 Le métamorphisme régional
Les bonnes réponses sont : 1b ; 2a ; 3c.
8 Une croûte continentale épaissie
Document 1 : affleurement montrant un pli découpé par une faille inverse.
Document 2 : affleurement à Saillans sur lequel une faille inverse est visible.
Document 3 : une importante surface de roches du Trias surmonte des roches de
l’Eocène. Il s’agit d’une anomalie dans la succession des strates sédimentaires car
des roches plus anciennes reposent sur des roches plus récentes. Les roches du Trias
constituent une nappe de charriage qui a été déposée à la faveur d’un événement tectonique majeur.
L’ensemble des structures géologiques visibles sur les documents signe un épaississement de la croûte continentale qui a subi des contraintes compressives importantes.
9 La croûte continentale en équilibre isostatique
En s’appuyant sur la notion d’équilibre isostatique, on considère que l’équilibre des
masses est réalisé sur les différentes verticales. Ainsi, on peut écrire :
Masse de la colonne A = masse de la colonne B
(2,7 ´ 30) + (3,2 ´ X1) = 2,7(30 + 3 + X1)
X1 = 16,2 km
De la même façon pour X2 :
2,7 ´ 30 = (1 ´ 4) + (2,7 ´ X2) + (3,2(30 – 4 – X2))
X2 = 12,4 km
10 Datation de deux granites par la méthode Rubidium-Strontium
À partir des valeurs des différents rapports isotopiques, les deux droites isochrones
peuvent être construites, ce qui permet de déterminer a. L’application de la formule
t = ln (a + 1) / l donne l’âge des granites de chaque massif.
Granite de Piégut-Pluviers : t = 314 +/- 15 Ma
Granite de Saint-Mathieu : t = 310 +/- 15 Ma
On peut donc penser que ces deux granites sont de même âge, aux incertitudes des
mesures près.
112
Partie 2. Les continents et leur dynamique
11 Le Moho sous les Alpes
L’épaisseur de la croûte continentale peut atteindre 60 km sous les
Alpes. Le tracé du Moho illustre
la présence d’une racine crustale
sous la chaîne de montagnes, ce
qui est en accord avec le modèle
d’isostasie d’Airy.
12 Des roches du Massif de l’Agly
L’observation du micaschiste 3 et de sa lame mince montre la présence de quartz et de
biotite. En se référant au diagramme PT, on peut penser que cette roche s’est formée
dans des conditions de température situées entre 400 et 500 °C sous 0,2 GPa de pression.
Le micaschiste 4 est formé de quartz et de biotite mais aussi de l’andalousite et de la
muscovite. Il s’est formé autour de 600 °C sous 0,2 à 0,3 GPa de pression.
Le micaschiste 1 possède en plus de la sillimanite. Le diagramme PT nous indique
que cette roche s’est formée aux alentours de 650 °C sous une pression de 0,3 GPa.
Enfin, le micaschiste 2 présente des traces de fusion partielle. Sur le diagramme PT,
on en déduit que cette dernière roche s’est formée à proximité de la zone d’anatexie,
à une température proche de 700 °C et une pression de 0,4 GPa.
L’étude des roches actuellement à l’affleurement montre que les pressions et les températures auxquelles ont été soumises ces roches sont de plus en plus fortes en allant
vers l’ouest. La région a subi un épisode tectonique important qui a entraîné un épaississement de la croûte continentale, amenant ainsi des roches en profondeur, dans de
nouvelles conditions PT, avec formation de nouveaux minéraux (métamorphisme) et
fusion partielle (anatexie).
Chapitre 1. La croûte continentale
113
Partie
2
chapitre
2
La formation des chaînes
de montagnes
ActivitŽs pratiques
1
Le modèle de la formation d’une chaîne de montagnes (p. 166-167)
Connaissances
Capacités et attitudes
Si les dorsales océaniques sont le lieu de la divergence des
plaques, les zones de subductions sont les domaines de la
convergence à l’échelle lithosphérique. Ces régions sont
étudiées ici pour comprendre une situation privilégiée de
raccourcissement et d’empilement et donc de formation
de chaînes de montagnes.
– Recenser, extraire et organiser des informations à partir
d’un modèle.
– Organiser des informations afin d’établir une relation
entre un modèle et le réel.
1. Les intentions pédagogiques
En classe de Quatrième, le modèle global de la tectonique des plaques est présenté.
La formation des chaînes de montagnes avec la notion de collision continentale sont
abordées. Il s’agit ici de présenter l’ensemble du scénario de la formation d’une chaîne
de montagnes, tel qu’il est proposé par le modèle de la tectonique des plaques.
Le document 1 permet aux élèves de visualiser le modèle global avec les trois étapes
principales. Les schémas permettent de replacer l’ensemble des structures mises en
jeu et d’en préciser les définitions. Les élèves pourront se référer à ce modèle tout au
long du chapitre et établir des relations avec les observations de terrain.
Le document 2 présente une partie de la chaîne des Alpes franco-italiennes, chaîne
de montagnes susceptible de présenter des structures géologiques en correspondance
avec le modèle. La carte géologique incite l’élève à comprendre qu’il y a dans les
Alpes des terrains de natures et d’âges variés, ce qui témoigne d’une histoire riche en
événements. Les différents points étudiés dans les activités pratiques suivantes sont
localisés sur cette carte.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 et 2 : Un océan (l’océan alpin) séparait les plaques européenne et africaine.
Cet océan devait être bordé de deux marges continentales passives, une côté européen,
l’autre côté africain. Suite à un changement global des contraintes, l’océan se referme
à la faveur d’une subduction océanique. Une fois l’océan refermé, le continent africain
et le continent européen entrent en collision, ce qui forme la chaîne actuelle des Alpes.
Doc. 1 et 2 : Les indices de cette histoire géologique possible pouvant être trouvés
dans les Alpes sont :
114
Partie 2. Les continents et leur dynamique
– la présence en altitude de portions de lithosphère océanique ayant constitué l’océan
alpin ;
– la présence d’anciens blocs basculés issus d’une ancienne marge continentale passive ;
– la présence de roches métamorphiques avec des marqueurs de haute pression signant
l’enfoncement en profondeur de la croûte océanique au cours de la subduction ;
– et enfin, un épaississement crustal avec la présence d’une racine crustale sous la
chaîne de montagnes.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Le scénario présente trois étapes principales :
– une phase d’ouverture océanique avec formation de lithosphère océanique entre
deux continents, c’est l’expansion océanique ;
– une phase de fermeture de l’océan à la faveur d’une subduction océanique ;
– une phase de collision entre deux continents entraînant un épaississement de la
croûte continentale avec la formation d’une racine crustale, une fusion partielle des
roches continentales profondes et le charriage d’une portion de lithosphère océanique
en altitude (ophiolites).
3. Ressources complémentaires
◾ Compléments scientifiques :
http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/ch.montagnes.html
◾ Lithothèque Aix-Marseille :
http://lithotheque.ac-aix-marseille.fr/Affleurements_PACA/05_ophiolites2/05_ophiolites_
affl_stver6cu.htm
ActivitŽs pratiques
2
Les restes d’un ancien domaine océanique (p. 168-169)
Connaissances
Capacités et attitudes
Les chaînes de montagnes présentent souvent les traces – Recenser, extraire et organiser des informations à partir
d’un domaine océanique disparu (ophiolites).
d’observations de terrain.
– Organiser des informations afin d’établir une relation
entre des roches observées dans les Alpes et des observations directes de la lithosphère océanique.
1. Les intentions pédagogiques
Nous avons choisi de débuter l’activité par une présentation de la structure verticale de
la lithosphère océanique (document 1) telle qu’elle peut être observée directement en
profondeur ou par des forages. L’élève peut ensuite établir une relation entre ces données de terrain et les observations réalisées au niveau de la chaîne des Alpes (document 2), identifiant ainsi les restes de « l’océan perdu » du domaine alpin.
Chapitre 2. La formation des chaînes de montagnes
115
Les ophiolites alpines sont présentées mais il ne s’agit pas de réaliser une étude exhaustive de ces formations ; l’élève doit simplement, grâce aux documents présentés, identifier en quoi elles témoignent de l’existence passée d’un océan en lieu et place de la
chaîne de montagnes actuelle. Pour cette raison, nous avons décidé de ne pas insister
sur les particularités de ces ophiolites alpines, très singulières par leur faible épaisseur et la présence très fréquente de contacts directs entre basaltes et péridotites. Ces
particularités sont interprétées comme les témoins d’une lithosphère de type « océan
Atlantique » ou encore de « dorsale lente ». Le massif du Chenaillet (document 2) a
été choisi pour cette raison. Il présente en effet, une association de roches (basaltes/
gabbros/péridotites) en accord avec les observations présentées dans le document 1.
La présence dans ce massif de serpentinites et de métagabbros à faciès schiste vert
indique que la lithosphère océanique du Chenaillet est une lithosphère âgée qui a subi
une hydratation importante lors de l’expansion océanique. Ces observations seront à
mettre en relation avec les données des Activités pratiques 5.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Les roches qui constituent la lithosphère océanique sont, du haut vers le bas :
les sédiments, les basaltes en pillow-lavas, les filons verticaux de basalte, les gabbros
puis les péridotites du manteau.
Doc. 2 : Un complexe ophiolitique est un ensemble rocheux issu d’une portion de
lithosphère océanique charriée sur le continent au cours d’une orogenèse. La limite
entre les gabbros et les péridotites est le Moho, c’est-à-dire la limite croûte-manteau.
Doc. 1 et 2 : L’ensemble des roches observées au niveau du massif du Chenaillet, avec
la succession basaltes-gabbros-péridotites, correspond aux roches observées directement au niveau d’une lithosphère océanique.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
L’observation de complexes ophiolitiques en altitude au niveau des Alpes indique la
présence d’un ancien océan.
3. Ressources complémentaires
◾ Les ophiolites du Chenaillet :
http://christian.nicollet.free.fr/page/Alpes/chenaillet/chenaillet.html
116
Partie 2. Les continents et leur dynamique
ActivitŽs pratiques
3
Les traces d’une ancienne marge passive (p. 170-171)
Connaissances
Capacités et attitudes
Les chaînes de montagnes présentent souvent les traces – Recenser, extraire et organiser des informations à partir
d’observations de terrain.
d’anciennes marges continentales passives.
– Organiser des informations afin d’établir une relation
entre des structures géologiques alpines et la structure
d’une marge passive actuelle.
1. Les intentions pédagogiques
Cette double page est construite sur le même principe que la précédente, avec la présentation des caractéristiques d’une marge continentale passive actuelle, afin que les
élèves puissent comprendre que les observations réalisées dans les Alpes signent la
présence d’une ancienne marge passive. En effet, la naissance d’un océan par déchirure continentale n’est plus au programme de la classe Première S.
Il s’agit ici de poursuivre les investigations en recherchant les traces des marges passives de l’océan alpin en lien avec le modèle présenté initialement. Deux types de
témoins sont présentés : des indices tectoniques et des indices sédimentaires.
Le document 1 présente les structures géologiques d’une marge continentale passive actuelle avec un profil sismique et son interprétation. Les élèves visualisent ainsi
les caractéristiques géologiques de ces marges et comprennent qu’elles ont enregistré
l’ouverture précoce de l’océan avec la déchirure de la croûte continentale.
Le document 2 illustre les observations effectuées actuellement dans les Alpes. Ce
document permet de mettre en évidence la fracturation du socle par des failles normales dans une direction NE-SO, perpendiculaire à celle de l’extension qui est à l’origine de l’ouverture océanique. Les photographies et la carte géologique montrent que
ces failles découpent le socle en blocs successifs. La fracturation s’est accompagnée
du basculement des blocs continentaux, ce qui a eu pour conséquence une subsidence
tectonique au creux des blocs avec le dépôt d’une importante quantité de sédiments.
Les failles normales ainsi que le basculement des blocs (tectonique syn-rift) sont datés
par datation relative du Lias c’est-à-dire du Jurassique inférieur (– 190 Ma). Ces événements ont précédé l’ouverture de l’océan puisque l’âge de la croûte océanique est
bien plus récent (– 150 Ma).
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Il s’agit ici d’établir un lien entre le relief de la marge passive armoricaine et
les différentes unités morphologiques décrites dans le texte.
Les sédiments présentent une disposition en éventail : les strates ont une épaisseur
variable, plus grande près du toit de la faille et qui diminue en s’éloignant de celle-ci.
Cette disposition est due au jeu des failles normales listriques et au basculement du bloc.
Doc. 1 et 2 : Dans la région de l’Oisans, on observe la présence d’unités lithologiques,
séparées par des failles normales, l’ensemble orienté NE-SO (perpendiculaires à celle
Chapitre 2. La formation des chaînes de montagnes
117
de l’extension qui est à l’origine de l’ouverture océanique). Chacune de ces unités
correspond à un bloc basculé du fait de l’inclinaison des plans de faille. Chaque bloc
présente une importante épaisseur de sédiments. L’ensemble de ces observations signe
la présence d’une ancienne marge continentale passive au niveau des Alpes.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Deux types d’indices témoignent de la présence d’une ancienne marge passive continentale : des indices tectoniques et des indices sédimentaires.
Les indices tectoniques correspondent à l’observation de failles normales inclinées qui
découpent la croûte et dont le jeu est à l’origine du basculement de blocs continentaux.
Les indices sédimentaires correspondent à la présence d’une importante épaisseur de
sédiments déposés au-dessus des blocs basculés au fur et à mesure de la subsidence.
3. Ressources complémentaires
◾ Compléments scientifiques sur les marges passives :
http://www.didiersvt.com/cd_1s/html/c5/c5a2.htm
◾ La géologie du massif de l’Oisans :
http://www.geol-alp.com/h_oisans/oisans_general/oisans_general.html
ActivitŽs pratiques
4
Les témoins d’une ancienne subduction (p. 172-173)
Connaissances
Capacités et attitudes
Les matériaux océaniques et continentaux montrent les – Recenser, extraire et organiser des informations à partir
traces d’une transformation minéralogique à grande pro- d’observations pétrologiques.
fondeur au cours de la subduction.
– Organiser des informations afin d’établir une relation
entre des minéraux observés dans les Alpes et le phénomène de subduction.
1. Les intentions pédagogiques
Il s’agit ici de mettre en évidence les traces de la fermeture de l’océan alpin à partir
de témoins minéralogiques et pétrologiques de la subduction océanique. De la même
façon que précédemment, nous présentons dans un premier temps les transformations
caractéristiques associées à la subduction pour ensuite permettre aux élèves d’établir
une relation avec les observations effectuées dans les Alpes.
Le document 1 a pour objectif de montrer aux élèves que certaines associations minérales rencontrées dans les roches peuvent indiquer les conditions de pression et de température dans lesquelles se sont formées ces roches. Les domaines de stabilité définis
expérimentalement permettent aux élèves de comprendre que seul le phénomène de
subduction peut expliquer les réactions du métamorphisme présentées.
118
Partie 2. Les continents et leur dynamique
Le document 2 permet aux élèves de visualiser les compositions minéralogiques de
roches métamorphiques alpines. Ces données sont à mettre en relation avec celles du
document 1 et amènent les élèves à comprendre que ces roches sont issues de l’évolution de gabbros d’une croûte océanique au cours de la subduction.
Le document 3 apporte une information supplémentaire avec la présentation de la
coésite, minéral d’ultra haute pression, trouvé dans le massif alpin de la Dora Maira.
Il s’agit d’illustrer le fait que la croûte continentale peut être entraînée en profondeur
par la subduction ; on aborde ainsi la notion de subduction continentale.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Les roches de la lithosphère océanique subissent des modifications minéralogiques sous l’effet des modifications des conditions de pression et de température :
il s’agit de réactions métamorphiques. Les minéraux réagissent entre eux et de nouvelles associations minérales stables dans les conditions PT apparaissent.
Doc. 2 : Les roches métamorphiques du Queyras sont des métagabbros de type schiste
bleu. Ils sont constitués de glaucophane, de pyroxènes et de plagioclases. Ces minéraux indiquent que ces roches se sont formées autour de 300 °C entre 15 et 30 km de
profondeur. Les métagabbros de type éclogite du massif de la Dora Maira contiennent
des grenats associés à de la jadéite. Cette association minérale est stable à des profondeurs élevées, supérieures à 40 km.
Ainsi, les roches présentées se sont formées à partir des gabbros de la croûte océanique sous l’effet des modifications des conditions de pression et de température dues
à la subduction.
Doc. 3 : La coésite est une forme particulière de quartz minéral formée sous des pressions très élevées, entre 3 et 4 GPa (environ 100 à 120 km de profondeur). La présence d’un tel minéral dans des roches de la croûte continentale du massif de la Dora
Maira signe un enfouissement important de la croûte continentale, qui a été entraînée
par la subduction océanique.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Les indices d’une subduction océanique qui aurait fermé l’océan alpin sont pétrologiques et minéralogiques. En effet, des roches de même composition chimique que
celle d’un gabbro, présentent des associations minérales stables sous des pressions
élevées. Seul un phénomène de subduction océanique passé peut expliquer la formation de telles roches et leur présence actuelle dans les Alpes.
3. Ressources complémentaires
◾ La coésite de Dora Maira :
http://christian.nicollet.free.fr/page/Figures/coesite/coesite.html
◾ Le métamorphisme des zones de subduction :
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/02_subduction/04_subduction_
plaques/01_terrain/06a.htm
Chapitre 2. La formation des chaînes de montagnes
119
ActivitŽs pratiques
5
Les causes de la subduction (p. 174-175)
Connaissances
Capacités et attitudes
La différence de densité entre l’asthénosphère et la lithosphère océanique âgée est la principale cause de la subduction. En s’éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique
se refroidit et s’épaissit. L’augmentation de sa densité
au-delà d’un seuil d’équilibre explique son plongement dans
l’asthénosphère. En surface, son âge n’excède pas 200 Ma.
– Recenser, extraire et organiser des informations afin de
comprendre les causes de la subduction.
– Utiliser l’outil mathématique.
– Manipuler et expérimenter.
1. Les intentions pédagogiques
La subduction océanique est un phénomène connu des élèves. Il s’agit ici d’en expliquer les causes et de comprendre ainsi la jeunesse relative de la lithosphère océanique
(200 Ma maximum) en comparaison avec les âges très anciens de la lithosphère continentale (plus de 4 Ga). De plus, le rôle moteur de la traction par la lithosphère océanique plongeante complète la compréhension de la tectonique des plaques.
Le document 1 illustre le rôle de l’eau des océans dans le refroidissement progressif
de la lithosphère océanique dès sa formation au niveau de la dorsale.
Le document 2 permet aux élèves de comprendre l’évolution de la lithosphère océanique au cours du temps avec l’augmentation de sa densité. Son refroidissement et
son épaississement aux dépens de l’asthénosphère sous-jacente permettent d’expliquer
cette augmentation de densité. La notion de subsidence thermique est ainsi abordée.
Le document 3 propose de calculer l’évolution de la densité d’une lithosphère océanique en fonction du temps. Les élèves sont invités à calculer les différentes densités
pour constater que dès 16 Ma, la lithosphère océanique est plus dense que l’asthénosphère sous-jacente. Cependant, elle ne s’enfonce pas car elle est maintenue en surface
par les « flotteurs ». Ce n’est que bien plus tard, avec une densité beaucoup plus élevée que de la lithosphère océanique s’enfoncera dans l’asthénosphère.
Afin d’établir un lien entre l’évolution de la densité de la lithosphère océanique et
les roches qui la constituent, le document 4 propose de calculer les densités de deux
roches métamorphiques, les schistes bleus et l’éclogite, roches étudiées au cours des
Activités pratiques 4.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 et 2 : La lithosphère océanique se refroidit et s’épaissit aux dépens de l’asthénosphère sous-jacente et voit sa densité augmenter peu à peu. L’eau de mer participe
au refroidissement de la lithosphère dès sa formation au niveau de la dorsale.
Doc. 3 : densité d2 : 3,255
densité d3 : 3,264
densité d4 : 3,282
densité d5 : 3,285
densité d6 : 3,187
120
Partie 2. Les continents et leur dynamique
La plaque océanique devrait plonger à partir de 16 Ma car sa densité est déjà supérieure à celle de l’asthénosphère. Elle ne plonge pas car elle soutenue des deux côtés :
côté dorsale par la lithosphère plus jeune et donc moins dense, côté continent par la
lithosphère continentale peu dense.
Doc. 4 : densité d’un schiste bleu : 3,3 ;
densité d’une éclogite : 3,5.
Les schistes bleus se forment au sein de la croûte océanique au cours de la subduction entre 15 et 30 km de profondeur, les éclogites encore plus profondément. Ainsi,
l’augmentation de densité des roches de la lithosphère océanique au fur et à mesure
de l’enfoncement, entretient la subduction.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
La principale cause de la subduction est l’augmentation de la densité de la lithosphère
océanique au cours de son vieillissement. En s’éloignant de la dorsale, la lithosphère
océanique se refroidit et s’épaissit, puis, au-delà d’un seuil d’équilibre, elle plonge
dans l’asthénosphère.
3. Ressources complémentaires
◾ Compléments scientifiques :
http://www.cnrs.fr/cnrs-images/sciencesdelaterreaulycee/contenu/dyn_int3-1.htm
Chapitre 2. La formation des chaînes de montagnes
121
ActivitŽs pratiques
6
Les traces de la collision continentale (p. 176-177)
Connaissances
Capacités et attitudes
La « suture » de matériaux océaniques résulte de l’affrontement de deux lithosphères continentales (collision). Tandis
que l’essentiel de la lithosphère continentale continue de
subduire, la partie supérieure de la croûte s’épaissit par
empilement de nappes dans la zone de contact entre les
deux plaques.
Recenser, extraire et organiser des informations afin
d’établir une relation entre des structures géologiques
observées et le devenir de la lithosphère continentale au
cours de la collision.
1. Les intentions pédagogiques
L’objectif est ici de montrer que les conséquences de la collision visibles en surface
(raccourcissement et épaississement) se retrouvent aussi en profondeur.
La technique et les résultats de la prospection sismique au niveau des Alpes sont présentés dans le document 1 et des chevauchements au sein de la croûte sont mis en
évidence dans le document 2.
Le document 3 permet aux élèves d’appréhender la notion de subduction continentale.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : On constate la présence en profondeur de grands chevauchements et de nombreuses failles inverses. Ainsi, les deux lithosphères continentales se chevauchent avec
la plaque européenne qui passe sous la plaque africaine. La croûte continentale est
fortement épaissie avec une épaisseur supérieure à 50 km dans la zone interne des
Alpes. Les géologues nomment « racine crustale » la présence de croûte continentale
profonde sous la chaîne de montagnes.
Doc. 2 : L’épaississement de la croûte continentale est dû a un empilement de nappes
de charriage en profondeur à la faveur de grands chevauchements et de nombreuses
failles inverses.
Doc. 3 : Sous la chaîne de l’Himalaya, la tomographie sismique montre le plongement de la plaque indienne vers le nord. Celle-ci s’enfonce profondément dans le manteau, jusqu’à 800 km de profondeur. C’est la raison pour laquelle on parle de subduction continentale.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Au cours de la collision, les parties supérieures des deux croûtes continentales concernées se chevauchent, entraînant un empilement de nombreuses nappes de charriage,
d’où un épaississement crustal important. Vers le bas, une partie de la lithosphère
continentale s’enfonce dans le manteau, tirée par la lithosphère océanique en subduction : on parle de subduction continentale.
3. Ressources complémentaires
◾ Les Alpes, une chaîne de collision :
http://acces.ens-lyon.fr/acces/terre/didacgeo/site/experimentation-classe-de-terrainbrianconnais/Description_seance_alpes_collision06.pdf
122
Partie 2. Les continents et leur dynamique
Exercices
p. 184 à 187
Pour la partie « Maîtriser ses connaissances » :
– la correction des exercices « Pour s’entraîner » figure à la fin du manuel de l’élève,
pages 396 à 401 ;
– la correction de la partie « Objectif BAC » comporte seulement une correction des
QCM ; en effet, les questions de synthèse sont des restitutions de connaissances où
toute liberté est laissée à l’élève pour construire une réponse organisée.
6 Les métagabbros du Queyras et du mont Viso
Les bonnes réponses sont. : 1c ; 2b.
7 L’Himalaya, une chaîne de collision
Le document 1 permet de constater la présence d’ophiolites en altitude dans la chaîne.
Ces ophiolites sont présentes sur de vastes étendues comme le montre la carte du
document 3. Ces roches correspondent aux vestiges d’une lithosphère océanique charriée sur le continent. Un ancien océan devait séparer la plaque indienne de la plaque
eurasienne avant la collision.
Le document 3 permet de constater la présence de granitoïdes de subduction. Ces
roches de composition granitique ont été formées suite à une subduction océanique
qui a entraîné la fusion partielle du manteau. Le magma formé a ensuite refroidi dans
la croûte continentale formant ainsi les granitoïdes. La subduction océanique est à
l’origine de la fermeture de l’océan séparant les deux plaques.
Le document 3 permet aussi de constater un épaississement crustal important sous la
chaîne de montagnes avec une épaisseur pouvant atteindre 60 km. Les deux lithosphères continentales se sont donc chevauchées entraînant l’empilement de nombreuses
nappes de charriage.
Le document 2 montre la présence de coésite. Ce minéral est une forme particulière
de quartz indiquant que la croûte continentale a été portée à une ultra haute pression.
Seul le phénomène de subduction continentale peut expliquer la présence de ce minéral dans la croûte continentale.
L’ensemble de ces observations caractérise une chaîne de collision avec la présence
initiale d’un océan entre les deux lithosphères continentales. Puis, la fermeture océanique par le phénomène de subduction océanique a permis le chevauchement des deux
continents avec un important épaississement crustal. Enfin, la lithosphère continentale continue aujourd’hui de subduire, suite aux énormes forces de compression auxquelles les deux masses continentales sont soumises.
8 La traction d’une plaque en subduction
Pour un âge de 50 Ma, l’épaisseur de la plaque océanique est de : e = 67 km. La densité de la lithosphère océanique est alors de : 3,275.
Pour un âge de 100 Ma, l’épaisseur de la plaque est de 95 km avec une densité de 3,282.
À 200 Ma, la lithosphère océanique présente une épaisseur de 134 km avec une densité de 3,286.
Ainsi, on constate qu’en vieillissant, la lithosphère océanique s’enfonce finalement
dans l’asthénosphère car sa densité augmente et dépasse celle de cette dernière. On
sait qu’au cours de cette subduction, les roches de la lithosphère subiront un métaChapitre 2. La formation des chaînes de montagnes
123
morphisme qui fera apparaître des roches de densités élevées (schiste bleu, éclogite).
La partie de la lithosphère en subduction exerce une traction sur l’ensemble de la
lithosphère océanique et joue donc un rôle moteur dans le déplacement de la plaque.
9 Le massif de l’Oisans, témoin de l’histoire alpine
1. Sur la coupe géologique, on constate que le massif du Taillefer est découpé par de
nombreuses failles normales, bordées à l’est par une grande quantité de sédiments
déposés au cours du Jurassique. Une tectonique en distension a donc affecté la croûte
continentale au Jurassique, tectonique au cours de laquelle s’est formé le bassin sédimentaire. Il s’agit de vestiges d’une marge passive qui bordait l’océan alpin pendant
le Jurassique, le massif du Taillefer étant considéré comme un ancien bloc basculé.
À la base du bassin sédimentaire, une faille inverse découpe les différentes roches.
Il s’agit d’une faille inverse caractérisant une tectonique en compression. Cette faille
s’est formée au cours d’une phase compressive associée à la collision.
Le massif du Taillefer a donc enregistré deux épisodes de l’histoire géologique des
Alpes : l’océanisation et la collision.
10 L’histoire des Alpes racontée par les métagabbros
L’observation macroscopique et microscopique des différentes roches présentées permet de déterminer les compositions minéralogiques de chacune d’elle. Il est alors possible, en fonction des associations minérales trouvées, de placer chaque roche dans
le diagramme PT. Les élèves constatent que les conditions PT sont différentes pour
chaque roche avec du gabbro à l’éclogite, une diminution des températures et une
forte augmentation de la pression. Sachant que ces roches ont toute la même composition chimique, seul le phénomène de subduction peut expliquer l’évolution des
conditions PT subies par les roches de la croûte océanique.
124
Partie 2. Les continents et leur dynamique
Partie
2
chapitre
3
Zone de subduction et production
de croûte continentale
ActivitŽs pratiques
1
Le volcanisme des zones de subduction (p. 190-191)
Connaissances
Capacités et attitudes
Dans les zones de subduction, des volcans émettent des – Recenser, extraire et organiser des informations afin
laves souvent visqueuses associées à des gaz et leurs d’établir une relation entre la composition des magmas
éruptions sont fréquemment explosives.
et l’explosivité des éruptions.
– Comprendre qu’un effet peut avoir plusieurs causes.
1. Les intentions pédagogiques
La distinction volcanisme effusif – volcanisme explosif est effectuée dès la classe de 4e
où les élèves ont alors établi la relation entre le volcanisme explosif et les zones de
subduction. Il s’agit maintenant de préciser quelques caractéristiques de ce volcanisme.
Le document 1 présente l’Indice d’Explosivité Volcanique (VEI) permettant aux élèves
d’estimer la dangerosité des volcans associés aux zones de subduction.
Les éruptions explosives se caractérisent par une quantité très importante de produits
rejetés. Le document 2 présente les matériaux solides et les gaz rejetés. Les élèves
peuvent comprendre, là aussi, l’extrême dangerosité de certains produits rejetés. Ils
constatent que le principal gaz rejeté est l’eau, ce qui permettra par la suite d’établir
une relation avec le magmatisme de ces zones.
Une des caractéristiques principales des « volcans gris » est l’absence de coulées de
lave du fait de la grande viscosité de celle-ci. Le document 3 rappelle la présence de
nuées ardentes aux cours des éruptions explosives et la formation du dôme de lave
visqueuse. La viscosité de la lave est expliquée dans le document 4 qui présente aussi
une comparaison de viscosités entre différentes roches volcaniques et des produits
connus des élèves. Ils constatent ainsi que les roches volcaniques associées aux zones
de subduction, andésite et rhyolite, correspondent à des laves à viscosités très élevées.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Les volcans des zones de subduction (tous les volcans présentés sauf le Kilauea)
sont dangereux par l’énorme quantité de produits rejetés ainsi que par l’énergie considérable évacuée au cours d’une éruption responsable de la formation de colonnes éruptives s’élevant à haute altitude.
Doc. 2 : Le gaz principal rejeté lors d’une éruption est l’eau.
Chapitre 3. Zone de subduction et production de croûte continentale
125
Doc. 3 : L’explosivité des éruptions est due à la présence d’une grande quantité de gaz
(en particulier de vapeur d’eau) dans le magma. Ces gaz sous pression dans une lave
visqueuse ne peuvent s’échapper. Lorsque la pression est trop élevée l’explosion se produit, pulvérisant une partie du volcan et formant un immense cratère. Ce dernier sera
ensuite comblé par la lave visqueuse qui, ne pouvant pas s’écouler, formera un dôme.
Doc. 4 : Les laves basaltiques présentent la viscosité la plus faible des trois roches
présentées avec une viscosité proche de 104 poises alors que l’andésite possède une
viscosité supérieure à 106 poises et la rhyolite une viscosité proche de 1012 poises,
similaire à celle de la glace.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Le volcanisme des zones de subduction est explosif, formant des « volcans gris » pouvant être très dangereux pour les populations environnantes. Certains présentent un
VEI particulièrement élevé avec l’émission d’une quantité considérable de matériaux
solides et de gaz parfois toxiques. Le rejet de nuées ardentes participe aussi à la dangerosité de ces volcans. Ces volcans des zones de subduction ont la particularité de
rejeter des laves d’une grande viscosité responsables en partie de l’explosivité et de
la formation d’un dôme volcanique.
3. Ressources complémentaires
◾ Compléments scientifiques sur la viscosité des magmas :
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/02_subduction/04_subduction_
plaques/01_terrain/03a_plus.htm
ActivitŽs pratiques
2
Les roches magmatiques des zones de subduction (p. 192-193)
Connaissances
Capacités et attitudes
Si une fraction des magmas arrive en surface (volcanisme), – Recenser, extraire et organiser des informations à partir
la plus grande partie cristallise en profondeur et donne des d’observations macro et microscopiques.
roches à structure grenue de type granitoïde.
– Établir une relation entre la composition minéralogique
des roches et leur composition chimique.
Utiliser le microscope polarisant.
1. Les intentions pédagogiques
Après avoir présenté l’intense activité magmatique des volcans des zones de subduction, il s’agit ici d’étudier les roches issues du refroidissement de ces magmas. Ces
roches sont de deux types, volcaniques et plutoniques.
L’ensemble du document 1 illustre les caractéristiques des deux roches volcaniques
principales trouvées dans les zones de subduction : l’andésite et la rhyolite. L’observation au microscope polarisant de lames minces permet de constater la structure micro126
Partie 2. Les continents et leur dynamique
litique de ces roches, rappelant celle du basalte observée en classe de Première S.
L’identification des minéraux s’effectue à l’aide des fiches présentées pages 402 à 405.
Le document 2 permet aux élèves de comparer la structure et la composition minéralogique d’une roche plutonique, la diorite, et des roches volcaniques du document 1.
Le document 3 présente les compositions minéralogiques des roches des zones de
subduction ainsi que celle du basalte. Il s’agit ici de permettre aux élèves de constater la richesse en minéraux hydroxylés des roches des zones de subduction. Une relation pourra être établie plus tard avec le rôle de l’eau dans la fusion partielle du manteau lithosphérique à l’origine des magmas.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 et 2 : Identification des minéraux à partir de l’observation microscopique des
lames minces et des fiches d’identification des pages 402 à 405.
Doc. 3 : Certains minéraux sont présents dans les roches des zones de subduction et
absents dans le basalte : c’est le cas de la biotite, de la muscovite et des amphiboles.
Ces minéraux ont la particularité d’être hydroxylés (radical –OH), c’est-à-dire, en
considérant leurs compositions chimiques en oxydes, de posséder de l’eau.
Doc. 3 : L’eau présente dans les roches des zones de subduction provient du magma
issu de la fusion partielle de la péridotite. Sachant que le manteau ne contient pas
d’eau, elle ne peut venir que de la plaque océanique en subduction, hydratée par l’eau
de mer avant son plongement.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Les roches magmatiques des zones de subduction sont de deux types : volcaniques
lorsqu’elles refroidissent en surface et plutoniques lorsqu’elles refroidissent lentement en profondeur. Les roches les plus caractéristiques sont l’andésite et la rhyolite,
roches volcaniques dont les équivalents plutoniques sont respectivement la diorite et le
granite. Toutes ces roches présentent une richesse en minéraux hydroxylés, indiquant
l’intervention de l’eau dans le magmatisme de ces zones de subduction.
3. Ressources complémentaires
◾ Compléments scientifiques :
« Comprendre et enseigner la planète Terre », Caron, Éd. Ophrys.
Chapitre 3. Zone de subduction et production de croûte continentale
127
ActivitŽs pratiques
3
La genèse des magmas des zones de subduction (p. 194-195)
Connaissances
Capacités et attitudes
La déshydratation des matériaux de la croûte océanique
subduite libère de l’eau qu’elle a emmagasinée au cours
de son histoire, ce qui provoque la fusion partielle des
péridotites du manteau sus-jacent.
– Recenser, extraire et organiser des informations afin
de comprendre les conditions de fusion partielle de la
péridotite en zones de subduction.
– Organiser des informations à partir de modèles.
– Utiliser les TIC.
1. Les intentions pédagogiques
Cette double page présente des données scientifiques ayant permis de construire un
modèle de l’origine du magmatisme des zones de subduction.
Le document 1 présente des données scientifiques, à la fois thermiques et sismiques,
permettant aux élèves de déterminer les conditions de pression et de température de
formation du magma au niveau des zones de subduction. Il s’agit de constater avec
le logiciel « Subduction » que ces conditions ne permettent pas la fusion partielle
d’une péridotite anhydre. Seule l’hydratation du manteau permet la fusion partielle
des péridotites (le géotherme recoupe le solidus des péridotites hydratées) au niveau
des zones de subduction.
Le document 2 illustre les réactions métamorphiques à l’origine des différents métagabbros présentés page 172. Les élèves comprennent que les différents minéraux observés dans ces roches ont pour origine des réactions métamorphiques où l’eau joue un
rôle considérable.
Le document 3 décrit le modèle global de la genèse des magmas en zone de subduction. Il s’agit pour l’élève d’établir un lien entre l’hydratation et la déshydratation de
la croûte océanique, les réactions du métamorphisme dans cette croûte et la fusion
partielle du manteau à l’origine du magmatisme intense des zones de subduction. Le
rôle de l’eau océanique est souligné et permet de revenir sur l’importante quantité
de vapeur d’eau dégagée au cours des éruptions (Activités pratiques 1) et sur la présence de minéraux hydroxylés dans les roches magmatiques de ces zones de subduction (Activités pratiques 2).
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Les données sismiques à l’aplomb de l’arc volcanique montre que les plans
de Benioff se recoupent entre 80 et 150 km de profondeur et que, quelle que soit le
zone de subduction considérée, c’est toujours à l’aplomb de cette zone que se situe
l’arc volcanique. Le magma doit donc prendre naissance au niveau de ces profondeurs.
Les données thermiques indiquent qu’entre 80 et 150 km de profondeur, les températures du manteau varient entre 1 000 et 1 100 °C. Les données expérimentales montrent que pour de telles températures et aux profondeurs considérées, la péridotite du
manteau ne fond pas. Seule l’hydratation des péridotites permet une fusion partielle
aux conditions P et T définies pour les zones de subduction.
128
Partie 2. Les continents et leur dynamique
Doc. 2 : La réaction 1 se produit entre les domaines VII et V, au niveau du trajet en
pointillé. La réaction 2 se place entre les domaines V et IV. La réaction 3 se situe entre
les domaines IV et II. Enfin, la réaction 4 a lieu entre le domaine II et les domaines III
et VI.
Doc. 2 et 3 : Au cours de son histoire, la croûte océanique subit une hydratation par
l’eau océanique. Cette eau participe aux réactions métamorphiques et entraîne la formation de minéraux hydroxylés (amphiboles par exemple) dans les métagabbros. Au
cours de la subduction, les conditions de pression et de température entraînent de nouvelles réactions métamorphiques à l’origine d’une déshydratation de la croûte océanique. Cette eau hydrate les péridotites du manteau sus-jacent et permet leur fusion partielle formant un magma à l’origine de l’activité magmatique des zones de subduction.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Au cours de la subduction, les roches de la plaque océanique plongeante subissent des
réactions métamorphiques entraînant leur déshydratation. Cette eau hydrate les péridotites du manteau entraînant leur fusion partielle. Le magma ainsi formé remonte et
peut atteindre la surface (volcanisme explosif) ou rester dans la croûte continentale et
refroidir lentement (plutonisme).
3. Ressources complémentaires
◾ Compléments scientifiques :
« Comprendre et enseigner la planète Terre », Caron, Éd. Ophrys.
ActivitŽs pratiques
4
La mise en place de nouveaux matériaux continentaux (p. 196-197)
Connaissances
Capacités et attitudes
Un magma, d’origine mantellique, aboutit ainsi à la création – Recenser, extraire et organiser des informations afin de
de nouveau matériau continental.
comprendre l’accrétion continentale.
– Organiser des informations à partir du modèle de cristallisation d’un magma.
1. Les intentions pédagogiques
En classe de Première S, les élèves ont étudié la mise en place de la lithosphère océanique au niveau des dorsales océaniques. Il s’agit ici de présenter les conditions de
formation d’une nouvelle croûte continentale.
Le document 1 a pour objectif de définir l’accrétion continentale à partir d’un exemple
concret situé au niveau du Pérou. Cette région, correspondant à une zone de subduction actuelle, présente une quantité importante de roches plutoniques de composition
granitique, c’est-à-dire de nouveaux matériaux continentaux.
Chapitre 3. Zone de subduction et production de croûte continentale
129
Le document 2 présente l’accrétion continentale au cours des temps géologiques.
L’élève peut constater que si le volume des continents s’est considérablement accru
pendant le Protérozoïque, il est aujourd’hui constant, formation et destruction de croûte
continentale s’équilibrant.
Le document 3 permet de comprendre la production d’une grande diversité de roches
de composition granitique (granitoïdes) à partir d’un même magma, au niveau des
zones de subduction. Le phénomène de différenciation magmatique est illustré par
un schéma. Les élèves visualisent ainsi l’ordre d’apparition des minéraux au cours
du refroidissement d’un magma de composition basaltique et comprennent l’enrichissement progressif en silice du liquide résiduel. Ils constatent que le terme ultime
de la différenciation est le granite mais que des roches de composition intermédiaire
peuvent se former.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : L’accrétion continentale est l’augmentation du volume de la croûte continentale par apport de matière issue du magmatisme des zones de subduction.
Doc. 2 : La production de croûte continentale au cours des temps géologiques n’est
pas constante. Très faible à l’Archéen, le volume des continents croît considérablement au cours du Protérozoïque. Actuellement, on constate que le volume des continents est constant, c’est-à-dire que la formation de croûte continentale au niveau des
zones de subduction et destruction s’équilibrent.
Doc. 3 : Au cours de son refroidissement dans la chambre magmatique, le magma
subit une différenciation par cristallisation fractionnée. Les premiers minéraux qui
apparaissent sont pauvres en silice (olivine, pyroxènes) ce qui enrichit relativement
le liquide résiduel en silice. Ainsi, au fur et à mesure du refroidissement et de la formation de nouveaux minéraux, le liquide magmatique devient de plus en plus riche
en silice. Le terme ultime de cette cristallisation est donc la formation de roches de
composition granitique.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
La formation d’une nouvelle croûte continentale s’effectue au niveau des zones de
subduction par cristallisation des magmas issus de la fusion partielle des péridotites
du manteau lithosphérique hydraté. Ces magmas, piégés dans la croûte continentale,
subissent une différenciation au cours de leur refroidissement très lent, ce qui aboutit à la formation d’une grande diversité de roches plutoniques de composition granitique. À cette différenciation magmatique peut s’ajouter une contamination en silice
des magmas par les roches de la croûte continentale encaissante.
3. Ressources complémentaires
◾ Compléments scientifiques sur la cristallisation fractionnée :
http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s2/r.ign.html
◾ Manuel universitaire :
« Éléments de géologie » ; Pomerol, Éd. Dunod.
130
Partie 2. Les continents et leur dynamique
Exercices
p. 204 à 207
Pour la partie « Maîtriser ses connaissances » :
– la correction des exercices « Pour s’entraîner » figure à la fin du manuel de l’élève,
pages 396 à 401 ;
– la correction de la partie « Objectif BAC » comporte seulement une correction des
QCM ; en effet, les questions de synthèse sont des restitutions de connaissances où
toute liberté est laissée à l’élève pour construire une réponse organisée.
6 Le magmatisme des zones de subduction
Les bonnes réponses sont : 1b ; 2d ; 3a.
7 Le rôle de l’eau dans la fusion partielle du manteau
La photographie de gauche du document 1 permet d’observer au sein d’un gabbro
océanique, la présence d’amphibole verte entre un pyroxène et un plagioclase. Il s’agit
d’une réaction du métamorphisme (la réaction 1 du document 2) transformant un gabbro océanique en métagabbro de type schiste vert en présence d’eau océanique. Il s’agit
donc ici d’une illustration de l’hydratation des roches de la croûte océanique au cours
du vieillissement de cette dernière.
La photographie de droite illustre la réaction 3 du document 2 avec la formation de
glaucophane entre un pyroxène et un plagioclase altéré. Cette réaction entraîne la libération d’eau. Il s’agit donc ici de l’illustration de la déshydratation de la croûte océanique au cours de la subduction.
Le document 3 permet de constater que seule une péridotite hydratée peut entrer en
fusion partielle pour des températures mantelliques régnant à l’aplomb de l’arc magmatique. En effet, le géotherme recoupe le solidus des péridotites hydratées entre 80 et
120 km de profondeur, ce qui correspond aux profondeurs auxquelles le magma prend
naissance au sein du manteau lithosphérique. Cette hydratation des péridotites provient
des réactions du métamorphisme dans la plaque plongeante qui entraînent une libération d’eau (réaction 3 du document 2) dans le manteau situé au-dessus de la plaque
océanique en subduction. Ainsi, après avoir été hydratée au cours de son vieillissement, la croûte océanique se déshydrate pendant la subduction. L’ensemble de ces
réactions du métamorphisme est à l’origine du magmatisme des zones de subduction.
8 Formation de la croûte terrestre au cours des temps géologiques
À l’Archéen, le gradient géothermique est tel qu’il recoupe le solidus du basalte hydraté
avant que celui-ci ne se déshydrate. Ainsi, les basaltes hydratés de la croûte océanique
en subduction entrent en fusion partielle et permettent la formation d’un magma qui,
en refroidissant, forme des matériaux continentaux.
Après l’Archéen, le gradient géothermique de la Terre a diminué. On constate alors
que la déshydratation du basalte s’effectue avant la fusion partielle du basalte hydraté.
Ainsi, au cours la subduction, les basaltes de la croûte océanique se déshydratent entraînant la fusion partielle des péridotites du manteau sus-jacent. Le magma formé est à
l’origine de nouveaux matériaux continentaux.
La croûte continentale à donc eu une double origine au cours des temps géologiques :
avant 2,5 milliards d’années, la fusion partielle des basaltes de la croûte océanique
plongeante, après 2,5 milliards d’années, la fusion partielle des péridotites du manteau.
Chapitre 3. Zone de subduction et production de croûte continentale
131
9 La cristallisation fractionnée
Le diagramme de Bowen illustre l’apparition des minéraux au cours du refroidissement lent d’un magma. En considérant les différents niveaux horizontaux successifs,
on observe par exemple la formation de pyroxènes et de plagioclase calcique, ce qui
correspond à la composition minéralogique du basalte et du gabbro. Ces minéraux,
pauvres en silice, se séparent du liquide magmatique, ce qui a pour conséquence d’enrichir ce dernier en silice. Au fur et à mesure du refroidissement, le liquide devient de
plus en plus riche en silice. L’association amphiboles, biotite et plagioclase correspond
à l’andésite et à la diorite. Les minéraux cristallisant en dernier sont riches en silice
et forment des roches telles que la rhyolite ou le granite. Ainsi, une grande diversité
de roches magmatiques se forme au niveau des zones de subduction.
10 Une grande diversité de roches magmatiques dans les zones de subduction
Le logiciel Magma permet de choisir dans un premier temps le contexte géodynamique souhaité. Il s’agit ici de sélectionner la zone de subduction. Une composition
initiale de magma est proposée mais il est possible de modifier cette composition en
ajoutant de l’eau ou de la silice par exemple. Le logiciel permet aussi de faire varier
la vitesse de refroidissement.
Les exemples donnés montrent les résultats de cristallisations virtuelles à partir de magmas de composition andésitique enrichis ou non et refroidis rapidement ou lentement.
L’exemple 1 correspondrait à une diorite, l’exemple 2 à une andésite. L’exemple 3 correspondrait à une roche proche du granite, l’exemple 4 à une roche proche d’une rhyolite.
132
Partie 2. Les continents et leur dynamique
Partie
2
chapitre
4
La disparition des reliefs
ActivitŽs pratiques
1
L’aplanissement des chaînes de montagnes (p. 210-211)
Connaissances
Capacités et attitudes
Les chaînes de montagnes anciennes ont des reliefs moins – Recenser, extraire et organiser des informations afin
élevés que les plus récentes. On y observe à l’affleurement d’établir une relation ente les vitesses d’érosion et le temps
une plus forte proportion de matériaux transformés et/ou nécessaire à l’aplanissement d’une chaîne de montagnes.
formés en profondeur.
1. Les intentions pédagogiques
Cette double page est une approche globale de l’aplanissement des chaînes de montagnes au cours des temps géologiques.
Le document 1 présente les principaux massifs montagneux français avec pour objectif d’établir une relation entre leur âge et leur niveau d’aplanissement. Les élèves comprennent ainsi que plus les massifs sont anciens, plus les sommets sont « rabotés »,
avec des altitudes de plus en plus faibles. Cette diminution d’altitude au cours des
temps géologiques peut être estimée par différentes méthodes dont la thermochronologie, décrite dans le document 2. Cette technique, couramment utilisée par les scientifiques, est un peu complexe dans le détail. Mais le principe de base peut être compris des élèves. L’objectif principal est de leur montrer qu’il est possible d’estimer
une vitesse d’érosion pour un massif donné.
Le document 3 illustre d’une façon plus générale, le temps nécessaire à l’aplanissement d’une chaîne de montagne. En comparant les vitesses d’érosion calculées pour
les exemples cités dans le texte avec l’évolution de l’altitude d’une chaîne déduite du
graphique, les élèves s’aperçoivent qu’un phénomène ralentit l’aplanissement. Nous
verrons plus tard qu’il s’agit du réajustement isostatique qui entraîne la remontée de
roches profondes.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Les paysages présentés montrent des différences importantes entre les massifs
formés à l’ère Primaire et les massifs plus récents. Pour les premiers (Massif armoricain et Massif central), les sommets sont relativement aplanis, formant des collines.
Alors que pour les seconds (Pyrénées et Alpes), on observe des sommets en forme de
pics abrupts avec des altitudes élevées.
Doc. 2 : La thermochronologie permet de reconstituer l’histoire thermique de certains minéraux, c’est-à-dire de déterminer les moments où ces minéraux (l’apatite par
exemple) ont franchi les isothermes 110 °C et 60 °C au cours de leur remontée vers la
Chapitre 4. La disparition des reliefs
133
surface du fait de l’érosion. La hauteur de roches entre les deux isothermes est assimilée à la hauteur de roches déblayée en surface pendant le même temps. Une vitesse
d’érosion peut donc être déduite.
Doc. 3 : Dans les Alpes centrales, on trouve une vitesse d’érosion de 63 cm pour
1 000 ans soit 630 mètres pour 1 Ma. Dans l’Himalaya, les vitesses d’érosion calculées sont d’environ 1 000 mètres pour 1 Ma. À ces vitesses-là, une chaîne de montagnes serait aplanie en quelques millions d’années. Or, on constate sur le graphique
qu’environ 90 millions d’années sont nécessaires pour aplanir une chaîne de montagnes. Un phénomène ralentit l’aplanissement et permet la remontée de roches profondes (une épaisseur de 20 à 25 km de roches pouvant être enlevée en quelques millions d’années !).
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Le temps nécessaire pour qu’une chaîne de montagnes s’aplanisse est d’environ 90 Ma.
Deux phénomènes semblent s’opposer : l’érosion qui enlève des matériaux en surface
et une remontée de roches profondes qui ralentit l’aplanissement.
3. Ressources complémentaires
◾ Compléments scientifiques :
http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/erosion.isostasie.html
134
Partie 2. Les continents et leur dynamique
ActivitŽs pratiques
2
L’altération des roches (p. 212-213)
Connaissances
Capacités et attitudes
Les parties superficielles des reliefs tendent à disparaître. Recenser, extraire et organiser des informations afin de
Altération et érosion contribuent à l’effacement des reliefs. comprendre les mécanismes d’altération physique et
chimique des roches.
1. Les intentions pédagogiques
Au collège, en classe de Cinquième, les élèves ont abordé le phénomène d’érosion et
compris que le modelé du paysage s’explique en grande partie par l’action de l’eau sur
les roches. Il s’agit dans cette double page de préciser cette action en distinguant les
processus physiques des processus chimiques. Les élèves comprennent ici que l’altération correspond à une modification des propriétés physico-chimiques des roches et
permet la formation de différents matériaux qui seront ensuite enlevés par l’érosion,
avec pour conséquence l’effacement progressif des reliefs.
Le document 1 illustre les processus d’altération physique avec l’action de quelques
agents choisis parmi les principaux. Le document 2 détaille les processus d’hydrolyse, principale réaction chimique de l’altération. L’objectif est de montrer aux élèves
que sous l’action de l’eau c’est la charpente même du minéral qui est modifiée, permettant la mise en solution d’ions et la formation d’argiles. Ces ions en solution sont
ensuite lessivés ou non selon leur potentiel ionique. Le document 3 présente le diagramme de Goldschmidt illustrant le comportement d’ions selon leur potentiel ionique.
L’objectif est d’établir un lien entre la solubilité des ions et la formation de futures
roches. Il est possible ici d’aborder l’existence d’une famille de roches nouvelle pour
les élèves, les roches résiduelles.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Les agents responsables de la désagrégation mécanique des roches sont :
– les alternances gel-dégel, avec une augmentation du volume de l’eau solide entraînant la fracturation des roches ;
– les variations brutales de températures, en particulier pour des roches composées
de minéraux n’ayant pas le même coefficient de dilatation ;
– l’action des glaciers qui exercent une forte pression sur les roches au cours de leur
déplacement ;
– le développement des racines au sein des roches entraînant l’agrandissement des
fissures et favorisant l’altération chimique.
Doc. 2 : Les ions H+ de l’eau vont permettre la mise en solution de cations situés dans
la charpente silicatée de minéraux tels que les micas ou les feldspaths. Ainsi, la structure
de ces derniers est modifiée et de nouveaux minéraux se forment (minéraux argileux).
Doc. 3 : Les cations solubles, évacués vers les océans, vont constituer les roches calcaires dans le cas du Ca par exemple. Les cations précipitants vont être à l’origine des
roches formant parfois des gisements métallifères. Les oxyanions solubles permettent
la formation de carbonates ou de phosphates par exemple.
Chapitre 4. La disparition des reliefs
135
Doc. 1, 2 et 3 : L’eau intervient dans les processus d’altération physique en passant
de l’état liquide à l’état solide au sein des fissures ainsi que par l’action des glaciers.
Le processus d’hydrolyse reste la principale réaction chimique entraînant la destruction des minéraux sous l’action de l’eau. Les ions mis en solution sont ensuite lessivés ou non en fonction de leur potentiel ionique.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
On distingue deux types d’altération : l’altération physique et l’altération chimique.
Des facteurs climatiques et biologiques sont responsables de la première. L’hydrolyse
est le processus chimique principal de la deuxième.
3. Ressources complémentaires
◾ Manuel universitaire :
« Éléments de géologie » ; Pomerol, Éd. Dunod
ActivitŽs pratiques
3
Le transport des produits issus de l’altération (p. 214-215)
Connaissances
Capacités et attitudes
Les produits de démantèlement sont transportés sous
forme solide ou soluble, le plus souvent par l’eau, jusqu’en
des lieux plus ou moins éloignés où ils se déposent
(sédimentation).
– Recenser, extraire et organiser des informations afin de
comprendre les modalités et l’importance du transport
des produits issus de l’altération.
– Percevoir le lien entre sciences et techniques.
1. Les intentions pédagogiques
Le transport des produits issus de l’altération des roches a été évoqué en classe de
Cinquième. Il s’agit ici de préciser les modalités de ce transport et d’en déterminer
l’importance en estimant les flux sédimentaires.
Le document 1 présente les modalités du transport des produits de démantèlement des
reliefs en distinguant le transport des éléments en solution et le transport des éléments
en suspension. L’ensemble de ces éléments transportés constitue la charge sédimentaire d’un cours d’eau. Le document 2 donne un exemple d’estimation de cette charge
pour un cours d’eau provenant des Alpes, l’Isère, et permet aux élèves de comprendre
qu’il est possible d’en déduire la quantité totale de matériaux enlevée à la chaîne aux
Alpes au niveau du bassin de l’Isère.
Le document 3 permet d’avoir une vision globale de l’action des plus grands fleuves
sur l’érosion des continents. Une vitesse d’érosion globale est indiquée, mais les élèves
constatent de grandes disparités entre les bassins fluviaux, disparités sur lesquelles il
est possible de réfléchir.
136
Partie 2. Les continents et leur dynamique
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 et 2 : Les produits de l’altération des roches sont transportés dans les cours
d’eau en suspension ou en solution. Concernant les particules de grande taille, le transport s’effectue en roulant ou en glissant au fond de l’eau. Des blocs rocheux peuvent
aussi être déplacés lors de crues.
La mesure de la charge sédimentaire d’un cours d’eau provenant d’un massif montagneux permet d’estimer la quantité de matière enlevée à ce massif au niveau du bassin fluvial. La superficie du bassin étant connue, un bilan d’érosion pour ce bassin
peut être déterminé.
Doc. 4 : Les vitesses d’érosion les plus élevées concernent les bassins de chaînes actives
avec pour l’Himalaya, les bassins du Brahmapoutre, du Gange et de l’Irrawaddy, pour
la cordillère des Andes, le bassin du Magdalena et pour les Alpes, le bassin du Rhône.
Doc. 1 à 4 : Altération et érosion mobilisent une grande quantité de matériaux rocheux
qui sont ensuite transportés et déposés dans des bassins. Les mesures de flux sédimentaires permettent d’estimer le volume de roches enlevé aux continents. Une vitesse
d’érosion globale peut donc être estimée : elle avoisinerait 100 à 150 mm par millier
d’années. Ainsi, au cours des temps géologiques, altération et érosion, contribuent à
l’effacement des reliefs.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Les produits issus de l’altération sont transportés en suspension et en solution le plus
souvent par les cours d’eau. Ainsi, les reliefs diminuent au cours du temps. Les matériaux issus de l’érosion se déposent ensuite dans des bassins sédimentaires.
3. Ressources complémentaires
◾ Manuel universitaire :
« Éléments de géologie » ; Pomerol, Éd. Dunod
Chapitre 4. La disparition des reliefs
137
ActivitŽs pratiques
4
Des réajustements isostatiques (p. 216-217)
Connaissances
Capacités et attitudes
Des réajustements isostatiques participent aussi à la dis- – Recenser, extraire et organiser des informations à partir
de modèles.
parition des reliefs.
– Manipuler un modèle.
1. Les intentions pédagogiques
Au cours des Activités pratiques 1, les élèves ont constaté qu’un mécanisme permettait la remontée de roches profondes et ralentissait ainsi l’aplanissement des chaînes
de montagnes. Il s’agit d’expliciter ce phénomène nommé réajustement isostatique
en établissant un lien avec les documents des pages 144 et 145 décrivant l’isostasie.
Le document 1 illustre la présence en surface de granites, roches magmatiques plutoniques, c’est-à-dire formées en profondeur. Les techniques permettant de déterminer
l’âge et la profondeur de cristallisation de ces granites sont explicitées. En revanche,
les scientifiques ne connaissent pas la profondeur de formation du magma. Quoiqu’il
en soit, les élèves comprennent que des roches formées en profondeur se trouvent
actuellement en surface. Cette remontée de roches profondes s’explique par des réajustements isostatiques modélisés dans le document 2 pour les Alpes. Ce modèle permet aux élèves de constater l’importance du rebond isostatique, en particulier dans la
zone interne, zone où les reliefs sont les plus élevés et où l’érosion est importante. Les
élèves peuvent ainsi établir une relation entre l’isostasie et l’érosion.
Le document 3 précise la proportion du réajustement isostatique par rapport à l’érosion et présente un modèle illustrant la remontée de roches profondes au cours de
l’aplanissement d’une chaîne de montagnes. Les élèves peuvent établir un lien entre
ce modèle et le graphique présenté dans le document 3 page 211.
Le document 4 présente un modèle pouvant être élaboré en classe. Il permet d’illustrer
le fait que l’érosion, en enlevant de la matière en surface, allège la masse rocheuse avec
une remontée de roches profondes par réajustement isostatique. La notion de racine
crustale peut être précisée et une relation peut être établie avec le modèle d’Airy (présenté page 145) et les enregistrements de sismique réflexion sous les Alpes (page 176).
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Les techniques de géochronologie associées à la connaissance des températures de cristallisation des minéraux et du gradient géothermique possible de l’époque,
permettent de déterminer l’âge et la profondeur de cristallisation d’un magma. Cependant, le magma s’est formé plus profondément avant de remonter et de lentement cristalliser. La profondeur de formation du magma n’est donc pas connue par la technique
d’étude des granites.
Doc. 2 : Ce modèle permet de constater que le rebond isostatique est maximal dans la
zone interne des Alpes, c’est-à-dire la zone où l’érosion est la plus importante du fait
de la hauteur des reliefs. En s’éloignant de la zone interne, les reliefs sont moins élevés, l’érosion est donc moins importante et le rebond isostatique diminue.
138
Partie 2. Les continents et leur dynamique
Doc. 1 à 4 : L’isostasie permet la remontée de roches profondes et la disparition de
la racine crustale au cours des temps géologiques.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
L’érosion enlève du matériel continental en surface ce qui allège la masse rocheuse
continentale. Afin de conserver l’équilibre isostatique, une remontée de croûte continentale profonde se produit, on parle de rebond isostatique. Ainsi, avec l’aplanissement
progressif de la chaîne de montagnes, des roches plutoniques sont amenées en surface.
3. Ressources complémentaires
◾ Compléments scientifiques :
http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/erosion.isostasie.html
ActivitŽs pratiques
5
L’étirement des chaînes de montagnes (pages 218-219)
Connaissances
Capacités et attitudes
Des phénomènes tectoniques participent aussi à la dis- – Recenser, extraire et organiser des informations à partir
parition des reliefs.
de modèles.
– Organiser des informations afin d’établir une relation
entre des phénomènes tectoniques et l’aplanissement des
chaînes de montagnes.
1. Les intentions pédagogiques
L’observation d’indices d’extension au cœur des chaînes de montagnes a fait l’objet,
il y a quelques années, de débats au sein de la communauté scientifique. Actuellement, les géologues pensent que cette distension indique un « effondrement » de la
chaîne dans sa partie centrale sous l’effet du poids des reliefs. Ce phénomène participe à l’aplanissement de la chaîne de montagnes.
Le document 1 présente les données de terrain et les données sismiques qui signent
une extension. Les élèves ont déjà vu que la présence de failles normales actives signe
une tectonique en extension. Les données sismiques sont présentées sous la forme
d’une carte géologique sur laquelle ont été placés les mécanismes au foyer de nombreuses failles. Il ne s’agit pas d’expliquer aux élèves le principe de la construction de
ces mécanismes, mais simplement de leur montrer qu’il est possible, grâce aux enregistrements sismiques, de déterminer les directions de déplacement des roches le long
d’une faille. Les élèves peuvent établir une relation entre les différents symboles et la
localisation des failles : normales, inverses ou décrochantes (à noter, comme cela est
indiqué dans le manuel, que des symboles légèrement différents de ceux représentés en
légende, indiquent que les failles normales ou inverses peuvent, en même temps, être
légèrement décrochantes). L’objectif ici est de leur montrer que les données sismiques
indiquent la présence de nombreuses failles normales dans la partie interne des Alpes.
Chapitre 4. La disparition des reliefs
139
L’objectif du document 2 est de montrer aux élèves la conformité entre les données
géodésiques qui montrent une extension est-ouest des Alpes occidentales et les données sismotectoniques qui indiquent un étirement de la zone interne avec l’activité de
nombreuses failles normales.
Le document 3 présente un modèle, au niveau des Alpes, illustrant le jeu des différentes forces qui interviennent au cours des temps géologiques dans l’aplanissement
total de la chaîne.
2. Les pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Quasiment toutes les failles actives dans la zone interne des Alpes sont des
failles normales avec, pour certaines une composante décrochante.
Doc. 2 : Les mesures géodésiques indiquent une extension est-ouest de la partie centrale
des Alpes occidentales, avec l’éloignement de Lyon et de Turin d’environ 0,5 mm/an.
Les données sismotectoniques montrent aussi une extension est-ouest de la zone
interne des Alpes.
Doc. 1, 2 et 3 : Une tectonique en extension au cœur des Alpes entraîne un étirement
est-ouest de la chaîne. Cet « effondrement » de la chaîne sous l’effet du poids des
reliefs participe donc à l’aplanissement de la chaîne.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
L’extension constatée dans les chaînes de montagnes vers la fin de la phase de compression a pour conséquence un « effondrement » de la chaîne. Ainsi, cette extension
contribue avec l’altération, l’érosion et les réajustements isostatiques, à l’aplanissement final d’une chaîne de montagnes.
3. Ressources complémentaires
◾ Compléments scientifiques :
« Les Alpes en mouvement » ; Pierre-Yves Frei, Fonds national Suisse Horizons.
140
Partie 2. Les continents et leur dynamique
Exercices
p. 225 à 227
Pour la partie « Maîtriser ses connaissances » :
– la correction des exercices « Pour s’entraîner » figure à la fin du manuel de l’élève,
pages 396 à 401 ;
– la correction de la partie « Objectif BAC » comporte seulement une correction des
QCM ; en effet, les questions de synthèse sont des restitutions de connaissances où
toute liberté est laissée à l’élève pour construire une réponse organisée.
7 L’aplanissement des chaînes de montagnes
Les bonnes réponses sont : 1c ; 2b.
8 Une roche latéritique : la bauxite
Le document 1 présente les caractéristiques de la bauxite. Il s’agit d’une roche très
riche en alumine d’où son exploitation comme minerai d’aluminium. Elle se forme en
milieu tropical à partir de l’altération du granite. Le document 3 permet de situer l’ion
Al dans le diagramme de Goldschmidt. Cet ion est un cation précipitant, c’est-à-dire
qu’il n’est pas évacué par l’eau lorsqu’il est mis en solution au cours de l’altération.
Le document 2 permet de comprendre la formation de la bauxite. Le granite en surface subit une altération importante en milieu tropical. L’altération physique entraîne
la formation d’arène granitique facilitant ainsi l’altération chimique. Des argiles se
forment suite aux réactions d’hydrolyse. Les ions mis en solution sont évacués ou non
selon leur potentiel ionique (Z/R). L’aluminium précipite sous forme d’hydroxydes et
entraîne la formation de bauxite au sein d’une cuirasse latéritique.
9 Le Massif armoricain
Le Massif armoricain, comme le Massif central et les Vosges, s’est formé au cours
d’une orogenèse à la fin de l’ère Primaire ou Paléozoïque. Une chaîne de montagnes
semblables à l’Himalaya actuelle, se dressait à l’ouest de l’Europe. Des granites se
sont formés en profondeur dans la croûte continentale au cours de l’orogenèse. L’érosion et les réajustements isostatiques ont entraîné l’aplanissement de la chaîne de
montagnes et la remontée de roches profondes, dont les granites, qui aujourd’hui sont
visibles en surface.
10 Les chaînes de montagnes en France
Le site InfoTerre permet d’accéder à une version détaillée ou simplifiée de la carte
géologique au 1/1 000 000e de la France. La topographie et la nature géologique des
terrains dans une région peuvent être déterminées par les élèves et comparées d’une
région à l’autre. Un tel travail, à propos du Massif central et des Alpes par exemple,
permet de justifier les termes de chaînes de montagnes « ancienne » et de chaîne de
montagnes « récente ».
Chapitre 4. La disparition des reliefs
141
142
146
162
143
Partie
3
Enjeux planétaires
contemporains
Les objectifs généraux de cette partie
• Les enjeux prépondérants de ce thème :
Il s’agit de montrer comment la discipline participe à l’appréhension rigoureuse de grands
problèmes auxquels l’humanité se trouve aujourd’hui confrontée. Au-delà de la préoccupation citoyenne qui prépare chacun à l’exercice de ses responsabilités individuelles et
collectives, la perspective visée ici conduit aux métiers de la gestion publique, aux professions en lien avec la dynamique de développement durable et aux métiers de l’environnement (agronomie, architecture, gestion des ressources naturelles). Dans cette partie, le
travail de terrain est un moyen privilégié pour l’approche de la complexité des situations
réelles et doit être privilégié quand cela est possible.
Pour aborder le thème des « Enjeux planétaires contemporains », deux questions sont traitées :
– les propriétés thermiques de la Terre comme source possible d’énergie et comme élément de compréhension du fonctionnement de la planète ;
– la plante domestiquée par l’Homme.
Les deux chapitres de ce thème sont de natures très différentes et sont totalement indépendants. Ils ne seront donc pas nécessairement traités successivement.
Chacun des thèmes vise à l’acquisition de connaissances scientifiques qui font partie du
bagage culturel attendu d’un élève de Terminale S aujourd’hui. Pour le premier chapitre,
il s’agit notamment des notions de gradient et de flux géothermique, des mécanismes de
convection et de conduction ou encore de géothermie basse ou haute énergie. Pour le
chapitre 2, il s’agit des notions de sélection génétique, d’hybridation, de culture in vitro
ou encore de transgenèse.
Cette partie du programme permet aussi de développer des capacités expérimentales :
– Recenser des informations, exploiter des données ;
– Réaliser des modèles analogiques ;
– Utiliser des dispositifs expérimentaux (ExAO) ;
– Faire des cultures in vitro.
Enfin, c’est surtout dans cette partie du programme que l’on pourra développer nombre
d’attitudes, scientifiques et citoyennes :
– Faire preuve d’esprit critique ;
– Replacer les enjeux de la géothermie dans la problématique énergétique mondiale ;
– Mesurer l’impact des progrès scientifiques et techniques ;
– Percevoir le lien entre la science d’aujourd’hui et les enjeux de société.
Le chapitre 1 s’inscrit dans le prolongement de notions abordées dans les classes précédentes. L’énergie solaire, d’origine externe au globe terrestre, a été largement abordée
dans les programmes de sciences de la Vie et de la Terre des classes de seconde et de première. Un flux thermique dont l’origine est interne se dirige aussi vers la surface. L’étudier
en classe terminale est à la fois prendre conscience d’une ressource énergétique possible
et un moyen de comprendre le fonctionnement global de la planète.
144
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
Le chapitre 2 a pour but de montrer que, directement ou indirectement (par l’alimentation
des animaux d’élevage), les plantes sont à la base de l’alimentation humaine (l’étude est
limitée aux angiospermes). Ces plantes constituent aussi des ressources dans différents
domaines : énergie, habillement, construction, médecine, arts, pratiques socioculturelles, etc.
La culture des plantes constitue donc un enjeu majeur pour l’humanité. Sans chercher
l’exhaustivité, il s’agit de montrer que l’Homme agit sur le génome des plantes cultivées
et donc intervient sur la biodiversité végétale. L’utilisation des plantes par l’Homme est
une très longue histoire, qui va des pratiques empiriques les plus anciennes à la mise en
œuvre des technologies les plus modernes.
Une correspondance entre le programme officiel
et les chapitres du manuel
Connaissances
La température croît avec la profondeur (gradient géothermique) ;
un flux thermique atteint la surface en provenance des
profondeurs de la Terre (flux géothermique).
Gradients et flux varient selon le contexte géodynamique. Le
flux thermique a pour origine principale la désintégration des
substances radioactives contenues dans les roches.
Deux mécanismes de transfert thermique existent dans la Terre :
la convection et la conduction. Le transfert par convection est
beaucoup plus efficace.
À l’échelle globale, le flux fort dans les dorsales est associé à
la production de lithosphère nouvelle ; au contraire, les zones
de subduction présentent un flux faible associé au plongement
de la lithosphère âgée devenue dense. La Terre est une machine
thermique.
Les chapitres du manuel
chapitre
1
Géothermie et propriétés thermiques
de la Terre (pages 236-259)
Act. 1
Act. 2
Act. 3
Act. 4
Act. 5
Act. 6
Gradient géothermique et flux géothermique
Contexte géologique et ressource géothermique local
Flux géothermique et contexte géodynamique
Origine du flux thermique et transferts d’énergie
Les transferts d’énergie et la dynamique interne
L’exploitation par l’homme de l’énergie géothermique
L’énergie géothermique utilisable par l’Homme est variable
d’un endroit à l’autre. Le prélèvement éventuel d’énergie par
l’Homme ne représente qu’une infime partie de ce qui est dissipé.
La sélection exercée par l’Homme sur les plantes cultivées
a souvent retenu (volontairement ou empiriquement) des
caractéristiques génétiques différentes de celles qui sont
favorables pour les plantes sauvages.
Une même espèce cultivée comporte souvent plusieurs variétés
sélectionnées selon des critères différents ; c’est une forme de
biodiversité.
Les techniques de croisement permettent d’obtenir de nouvelles
plantes qui n’existaient pas dans la nature (nouvelles variétés,
hybrides, etc.).
chapitre
2
La plante domestiquée (pages 260-281)
Act. 1
Act. 2
Act. 3
Act. 4
Act. 5
Des plantes sauvages aux plantes cultivées
La sélection scientifique des végétaux
Sélection et biotechnologies végétales
L’obtention de plantes transgéniques
Les semences, un enjeu contemporain
Les techniques du génie génétique permettent d’agir directement
sur le génome des plantes cultivées.
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
145
Partie
3
chapitre
1
Géothermie et propriétés thermiques
de la Terre
ActivitŽs pratiques
1
Gradient géothermique et flux géothermique (p. 238-239)
Connaissances
Capacités et attitudes
La température croît avec la profondeur (gradient géother- Exploiter des données extraites des atlas régionaux des
mique) ; un flux thermique atteint la surface en provenance ressources géothermales en France, concernant la temdes profondeurs de la Terre (flux géothermique).
pérature des fluides extraits dans ces zones.
1. Les intentions pédagogiques
Cette double page vise à remobiliser les acquis des élèves concernant le gradient géothermique vu en Première S en faisant appel à des observations de terrain que chacun
peut facilement appréhender. On peut y associer la photographie de la page 237 qui
montre une centrale géothermique islandaise. Elle permet ensuite de faire la distinction importante, et souvent source de confusion, entre gradient géothermique et flux
géothermique, notions complémentaires nécessaires à la compréhension des applications énergétiques mais aussi aux transferts de l’énergie interne.
Les documents 1 et 2 répertorient quelques indices de l’existence d’une énergie interne
à travers des manifestations de surface mais aussi à travers les conditions de travail
des mineurs. Le panorama de la répartition de quelques stations thermales françaises
peut être réinvesti dans l’activité pratique suivante.
Le document 3 permet aux élèves de remobiliser la notion de gradient géothermique et
de calculer deux gradients géothermiques dans des zones différentes (Alsace et péninsule de Kola), résultats à comparer avec le gradient géothermique moyen.
Le document 4 permet de comprendre comment, à partir du gradient géothermique,
on peut évaluer le flux géothermique. Celui-ci dépend de la conductivité thermique
des roches traversées. C’est donc une première approche de la conduction : mécanisme
de transfert d’énergie par agitation des atomes de proche en proche. Le flux géothermique correspond à une libération d’énergie interne. Son calcul se réalise pour une
unité de surface (le m2) et correspond au produit de deux grandeurs :
– la conductivité thermique moyenne des roches, exprimée en W ? m– 1? K– 1 (on impose
un flux de chaleur connu à la base d’une pastille de roche d’épaisseur donnée pendant
un certain temps et on détermine la différence de température correspondante) ;
– le gradient géothermique, exprimé en K ? m– 1.
Le flux géothermique s’exprime en W ? m– 2. On rappelle que le watt est une unité de
puissance, 1 watt correspondant au transfert d’une énergie de 1 joule durant 1 seconde.
146
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
Remarque : La correspondance entre la température Kelvin T et la température Celsius t est : T (K) = t (°C) + 273,15.
2. Les pistes de travail
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 et 2 : Les geysers projettent par intermittence un fluide à plus de 200 °C
jusqu’à une hauteur de plusieurs dizaines de mètres ; ce sont les manifestations les
plus spectaculaires de l’existence d’une énergie interne. Les sources thermales ainsi
que les températures importantes régnant au fond des mines (charbon, potasse) sont
autant d’autres indices.
Doc. 3 : Le gradient géothermique moyen (mondial) est d’environ 30 °C pour 1 km.
La courbe (presque linéaire) figurant les mesures réalisées en Alsace permet de calculer un gradient moyen sur les 1 300 premiers mètres : 110 °C pour une profondeur
de 1 300 m soit 110/1,3 = 84,6 °C ? km– 1.
Le forage le plus profond, réalisé en péninsule de Kola, a enregistré la température
de 180 °C à 12 262 m soit un gradient de 180/12,262 = 14,68 °C ? km– 1. Comparés
à la valeur moyenne, ces chiffres montrent qu’il existe de grosses disparités géographiques entre des zones à fort gradient géothermique et des zones à très faible gradient.
Doc. 4 :
– La valeur moyenne de la conductivité thermique du granite est de 3,15 W ? m– 1 ? K– 1,
la valeur moyenne du gradient géothermique est de 30 °C ? km– 1 (soit 30/1 000 °C ? m– 1),
donc la valeur du flux géothermique dans une zone granitique est de 0,0945 W ? m– 2
soit 94,5 mW ? m– 2.
– La valeur moyenne de la conductivité thermique de sédiments de type calcaire est
de 2,5 W ? m– 1 ? K– 1, la valeur moyenne du gradient géothermique est de 30 °C ? km– 1
(soit 30/1 000 °C ? m– 1), donc la valeur du flux géothermique dans une zone sédimentaire est de 0,075 W ? m– 2, soit 75 mW ? m– 2.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Le flux géothermique correspond à une certaine quantité d’énergie libérée à la surface du globe ; il s’exprime en W ? m– 2 et dépend du gradient géothermique et de la
conductivité thermique des roches du sous-sol. Il présente donc des valeurs différentes
selon la région étudiée.
3. Ressources complémentaires
◾ Site ressources Bordas :
– Sur le site du CEA (commissariat à l’énergie atomique), une rubrique sur les différentes
formes d’énergie et leurs caractéristiques pour faire le lien avec les notions de physique sur
les formes d’énergie :
http://www.cea.fr/jeunes/themes/les_nouvelles_energies/l_energie/les_diverses_formes_d_
energie
– Université de Nice-Sophia Antipolis, site de l’Université Virtuelle Environnement
Développement durable, pour mieux comprendre le calcul du gradient géothermique et du
flux de chaleur et faire le lien avec la loi de Fourier et les mathématiques :
http://unt.unice.fr/uved/bouillante/cours/i.-la-geothermie-manifestations-quantificationorigine-et-utilisations-de-la-chaleur-interne-du-globe/1.-le-gradient-geothermique/1.2.comment-mesure-t2019on-le-gradient-geothermique-et-le-flux-de-chaleur.html
Chapitre 1. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
147
ActivitŽs pratiques
2
Contexte géologique et ressource géothermique locale (p. 240-241)
Connaissances
Capacités et attitudes
L’énergie géothermique utilisable par l’Homme est variable Exploiter des données extraites des atlas régionaux des
d’un endroit à l’autre.
ressources géothermales en France, concernant la température des fluides extraits dans ces zones. Exploiter
les données recueillies lors d’une sortie locale dans une
exploitation géothermique.
1. Les intentions pédagogiques
Les documents proposés permettent de mettre l’élève en situation d’investigation. Si
la possibilité en est donnée, une sortie sur le terrain ou une visite auprès d’un exploitant permet de lancer le questionnement nécessitant un réinvestissement des notions
vues auparavant en relation avec les caractéristiques géologiques du sous-sol.
Avec le document 1, les élèves sont amenés à réinvestir les notions sur le gradient géothermique. La carte du flux géothermique permet de voir qu’il n’y a pas systématiquement concordance entre un gradient géothermique élevé et un flux géothermique
élevé. En relation avec l’activité précédente, une explication est à rechercher dans la
nature géologique du sous-sol : c’est l’objectif du document 2. Connaissant les propriétés géologiques et géothermiques, il est alors possible d’envisager le potentiel
régional ; c’est l’objectif des deux documents 3 et 4.
Le document 1 a pour but de repérer différentes régions de métropole ayant des caractéristiques géothermiques bien marquées. Deux cartes sont proposées :
– celle de gauche présente les isothermes à 5 km de profondeur, ce qui permet de calculer le gradient géothermique ;
– celle de droite présente le flux géothermique, c’est-à-dire l’énergie libérée en surface. Il est possible de repérer les concordances ou discordances entre ces deux cartes.
Le document 2 montre la localisation de quelques provinces géologiques (massifs récents, anciens, volcaniques, bassins sédimentaires) ainsi que la répartition des
sources thermales. Une coupe géologique présente la géologie du sous-sol sur un transect allant d’Angers à Metz passant par le Bassin parisien ; les isothermes ainsi que les
aquifères y sont représentés. Ce document permet de réinvestir les notions de conductivité thermique des roches.
Le document 3 présente les trois possibilités d’exploitation de l’énergie du soussol conditionnée par la permanence, la proximité, et l’importance de la ressource.
Ainsi, l’élève est amené à réfléchir à la rentabilité d’une exploitation en utilisant les
connaissances géologiques précédentes. Une exploitation géothermique peut être réalisée en puisant l’énergie thermique des aquifères (réservoirs de grande taille, permanents et parfois peu profonds) : il s’agit de géothermie très basse ou basse énergie. Elle peut aussi faire appel directement à l’énergie contenue dans les formations
superficielles ou encore utiliser directement l’énergie contenue dans des fluides ou de
la vapeur naturellement surchauffés. La carte indique les potentialités géothermiques
basse énergie fondées sur l’exploitation des aquifères. La relation peut être faite avec
l’existence des bassins sédimentaires profonds figurés dans le document 2 (Bassins
parisien, aquitain et rhodanien).
148
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
Le document 4 illustre un cas concret qui pourrait être remplacé par une visite de terrain ou une rencontre avec un exploitant local. Il s’agit de l’exemple d’une commune
proche d’Orléans. Il est alors possible de retrouver dans les trois autres documents les
caractéristiques des gradients et flux géothermiques, de la nature géologique et des
potentialités régionales en géothermie basse énergie.
2. Les pistes de travail
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 et 2 : Il est possible d’identifier des zones où la température à 5 000 mètres
de profondeur est particulièrement importante (Vosges/Alsace, Massif central, Bassin rhodanien). Le gradient géothermique est alors très différent suivant les régions :
dans le Massif central le gradient est de 44 °C ? km-1 alors qu’en Flandres, il est de
22 °C ? km– 1 seulement.
Parallèlement, la carte du flux géothermique montre des concordances et des « incohérences » avec la carte précédente. En effet, si le Nord de l’Alsace, le Massif central
et un petit secteur du Bassin rhodanien présentent à la fois un gradient et un flux élevés, il n’en est pas de même pour le Bassin parisien au flux géothermique très élevé
alors que le gradient n’est que moyen (c’est le cas aussi pour l’arc Alpes/Jura et les
Pyrénées centrales et orientales) ; à l’inverse, la côte provençale présente un flux particulièrement faible eu égard à la valeur du gradient.
Le document 2, centré sur le Bassin parisien, permet de comprendre l’origine du flux
géothermique élevé : il est à mettre en relation avec l’existence de grandes nappes
aquifères (l’eau ayant une conductivité thermique deux fois supérieure à celle des
sédiments calcaires). Le flux géothermique élevé dans les massifs récents peut quant
à lui s’expliquer par la présence de failles augmentant la conductivité thermique par
la circulation de fluides.
Doc. 3 : La carte se limite aux potentialités relatives à l’exploitation des aquifères ;
elle peut être mise en relation avec la carte de la répartition du flux géothermique du
document 1 et avec l’existence de bassins sédimentaires visibles dans le document 2.
Les Bassins parisien, aquitain, le fossé rhénan, le sud du couloir rhodanien et dans
une moindre mesure, la Limagne de Clermont-Ferrand et le fossé bressan possèdent
des aquifères à plus de 70 °C pouvant être exploités.
Doc. 4 : La ville d’Orléans se trouve dans une zone à fort flux géothermique (plus de
100 mW ? m– 2 (doc. 1)) au sein du Bassin parisien, bassin sédimentaire profond présentant deux nappes aquifères importantes (sables du Crétacé et calcaires du Jurassique supérieur (doc. 2)) où la température peut atteindre 70 °C (doc. 3). La nappe
atteinte contient deux aquifères superposés à une profondeur de 12 et de 93 mètres,
les deux aquifères sont à la même température de 10 à 15 °C, mais l’aquifère 1 présente un fort débit donc un bon renouvellement et il est peu profond. Pour des raisons
de rentabilité des forages et de renouvellement de la ressource, l’aquifère 1 sera privilégié, il présente donc un fort potentiel géothermique.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
En métropole (mis à part le site de Soultz), seules les ressources géothermiques très
basse et basse énergie sont exploitées. Elles correspondent à des zones au fort flux géothermique expliqué par un gradient géothermique élevé et (ou) par la présence d’aquifères en profondeur comme c’est le cas dans les bassins sédimentaires profonds. La
ressource géothermique potentielle doit être complétée par une étude de rentabilité
incluant les coûts d’exploitation.
Chapitre 1. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
149
3. Ressources complémentaires
◾ Site ressources Bordas :
– Pour retrouver la méthodologie de l’étude des sites contenus dans l’atlas régional
géothermique du BRGM : http://www.cd2e.com/sites/default/files/Cd2eStatic_contenu/
mercrediinfo/presentation_BRGM_oct10_geothermie.pdf
– Accès direct à l’atlas régional par région avec recherche possible par commune : http://
www.geothermie-perspectives.fr/18-regions/index.html
– Cartes géologiques régionales en ligne éditées par le BRGM : http://www.brgm.fr/
cartegeol.jsp
– Dossier Géothermie (Site SVT de l’Académie de Montpellier). Fichier «kmz» pour
Google Earth, élaboré par Ludovic Delorme :
http://svt.ac-montpellier.fr/spip/spip.php?article81
ActivitŽs pratiques
3
Flux géothermique et contexte géodynamique (p. 242-243)
Connaissances
Capacités et attitudes
Gradients et flux varient selon le contexte géodynamique.
À l’échelle globale, le flux fort dans les dorsales est associé
à la production de lithosphère nouvelle ; au contraire, les
zones de subduction présentent un flux faible associé au
plongement de la lithosphère âgée devenue dense.
Exploiter l’imagerie satellitale et les cartes de répartition
mondiale du flux thermique pour replacer les exploitations
actuelles dans le cadre structural : magmatisme de rifting,
de subduction ou de points chauds.
1. Les intentions pédagogiques
À travers les sites mondiaux actuellement exploités, il est possible de faire le lien avec
la tectonique des plaques et de montrer qu’un contexte tectoniquement actif est nécessaire à une exploitation géothermique de haute énergie. C’est l’occasion de réinvestir des notions concernant la subduction, les points chauds, les dorsales mais aussi
d’entamer une réflexion sur l’utilisation de la géothermie comme énergie alternative
à d’autres énergies, réflexion qui sera reprise dans les Activités pratiques 6.
Le document 1 montre une carte de répartition mondiale du flux géothermique ainsi
que la méthode d’obtention (mesures + extrapolations), il réinvestit la notion de flux
géothermique à l’échelle mondiale et permet d’en observer les irrégularités.
Le document 2 montre à la fois les exploitations actuelles haute énergie géothermique et le potentiel des différentes régions mondiales. Il est à remarquer que pratiquement toutes les surfaces continentales peuvent être exploitées mais que, les bassins n’étant exploitables qu’en moyenne et basse énergie (par le biais des aquifères),
seules les zones tectoniquement actives sont exploitables en haute énergie (fluides et
vapeurs surchauffées permettant la production d’électricité). Ce document permet de
faire le lien avec le document 1 puisque les principales productions d’électricité géo150
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
thermique haute énergie se trouvent dans des provinces mondiales à fort flux géothermique. Les zones favorables sont des zones tectoniquement actives de la ceinture de
feu du Pacifique (côte ouest de l’Amérique du Nord et du Sud, Philippines, Indonésie, Japon) et de la dorsale Atlantique. Ces zones correspondent soit à des zones en
extension (dorsales, fossé d’effondrement), soit à des zones de subduction. Le lien
avec la tectonique des plaques peut ainsi être réalisé.
Le document 3 propose l’étude d’un exemple français : le champ géothermique de
Bouillante en Guadeloupe, associé à une zone de subduction. Le contexte tectonique
global, la situation des usines géothermiques et les caractéristiques d’exploitation sont
données dans le document. C’est l’occasion de souligner que ces deux usines fournissent à elles seules presque 10 % de la consommation électrique de l’île entière, ce
qui peut entamer une réflexion sur les énergies alternatives aux énergies traditionnelles.
Le document 4 présente l’exemple américain avec le champ géothermique du parc du
Yellowstone correspondant à un point chaud. À signaler, en complément, l’exemple
très connu de l’Islande, tout à la fois point chaud et dorsale. Là encore, une réflexion
peut être menée sur la production géothermique aux États-Unis équivalent à 0,4 %
des besoins du pays en électricité.
Remarque : quelques rares cas comme Larderello en Italie (exercice 9 p. 258) ont
comme origine une remontée locale du manteau et la présence de failles normales.
2. Les pistes de travail
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Les zones de dorsales (Pacifique, Atlantique, Indienne) sont des lieux au flux
géothermique élevé (. 100 mW?m– 2) alors que les grandes surfaces continentales
Asie, Afrique, Amérique du Nord et du Sud, Australie, Antarctique ont un flux beaucoup plus faible (, 60 mW?m– 2).
Doc. 2 : Le lien avec le document 1 peut être réalisé et précisé puisque, mis à part le
site de Larderello en Italie, les principales productions d’électricité géothermique haute
énergie se trouvent dans des provinces mondiales à fort flux géothermique. Les zones
favorables à l’exploitation géothermique de haute énergie sont des zones tectoniquement actives de la ceinture de feu du Pacifique (côte ouest de l’Amérique du Nord et
du Sud, Philippines, Indonésie, Japon) et de la dorsale Atlantique. Ces zones correspondent soit, à des zones en extension (dorsales, fossés d’effondrement), soit à des
zones de subduction. Les plus grandes usines géothermiques actuelles sont situées en
Nouvelle-Zélande, Philippines, Japon, Mexique (zones de subduction), en Islande (zone
de dorsale) et au nord des États-Unis (point chaud intraplaque).
Doc. 3 : Les indices d’un flux géothermique particulièrement élevé sont repérables sur
la carte « Google Earth » avec l’existence de nombreux volcans, ainsi que sur la carte
des exploitations qui montre des sources thermales le long de la faille de Marsolle ou
en bord de mer, l’existence de nombreux volcans récents (0,5 à 1 Ma) et de manifestations de vapeur en surface au niveau du champ géothermique de Bouillante. L’origine
d’un flux élevé est à rechercher dans la circulation de fluides dans les failles circulant
à proximité de la source magmatique et remontant sous forme de sources thermales
et de vapeurs. L’existence d’une zone magmatique est à mettre en relation avec l’existence d’une zone de subduction de la plaque nord-américaine sous la plaque Caraïbe.
Doc. 4 : Les geysers et le champ géothermique du Yellowstone se trouvent à l’aplomb
d’un point chaud (remontée locale de matériel très profond). Les arguments visibles
sur la carte sont la présence d’un alignement NE-SO de volcans de plus en plus âgés
Chapitre 1. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
151
à mesure que l’on s’éloigne du plateau du Yellowstone (NE) où se trouve le volcan le
plus récent âgé de 600 000 ans. Des suivis de balise GPS (balise MAWY) montrent
en effet que la plaque nord-américaine se déplace dans cette zone en direction du sudouest à la vitesse actuelle de – 7,83 mm/an en latitude et – 15,65 mm/an en longitude.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Les remontées asthénosphériques au niveau des dorsales ainsi que les remontées
locales d’origine plus profonde au niveau des points chauds véhiculent vers la surface
de l’énergie interne ce qui explique le flux géothermique particulièrement élevé de
ces zones et leur fort potentiel de production d’électricité par la géothermie de haute
énergie. Les autres zones à fort potentiel sont les zones de subduction où les fluides
circulent dans des roches fracturées au contact de réservoirs magmatiques créant un
flux géothermique là aussi très élevé.
3. Ressources complémentaires
◾ Site ressources Bordas :
– Sur le site de l’université de Nice Sophia-Antipolis, une étude de cas sur la centrale de
Bouillante en Guadeloupe :
http://unt.unice.fr/uved/bouillante/cours/ii.-etude-de-cas-la-centrale-geothermique-debouillante-en-guadeloupe.html
http://unt.unice.fr/uved/bouillante/cours/ii.-etude-de-cas-la-centrale-geothermique-debouillante-en-guadeloupe.htm
– Sur le site du BRGM, une brève sur des projets à La Réunion et en Martinique : http://
www.geothermie-perspectives.fr/07-geothermie-france/03-haute-energie-03.html
– Rapport d’analyse du BRGM « compilation et analyse des données thermiques Bouillante
BRGM 2003 » :
www.brgm.fr/Rapport?code=RP-52452-FR
152
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
ActivitŽs pratiques
4
Origine du flux thermique et transferts d’énergie (p. 244-245)
Connaissances
Capacités et attitudes
Le flux thermique a pour origine principale la désintégration
des substances radioactives contenues dans les roches.
Deux mécanismes de transfert thermique existent dans
la Terre : la convection et la conduction. Le transfert par
convection est beaucoup plus efficace.
– Réaliser des mesures de conduction et de convection
à l’aide d’un dispositif ExAO et les traiter avec un tableur
informatique.
– Réaliser et exploiter une modélisation analogique de
convection en employant éventuellement des matériaux
de viscosité différente.
1. Les intentions pédagogiques
L’objectif de cette double page est de comprendre l’origine de l’énergie interne mais
aussi de modéliser les mécanismes de transfert d’énergie aboutissant à l’existence d’un
flux géothermique en surface. Cette double page s’articule avec la suivante. En effet,
les modélisations proposées (p. 245) ne sont pas véritablement représentatives de la
réalité, mais visent simplement à mettre en évidence deux mécanismes de transfert
d’énergie en utilisant des notions simples de physique telles que la densité et le gradient de température. Il est donc important d’y apporter une critique.
Le document 1 donne des informations sur la propriété de désintégration spontanée
de certains isotopes radioactifs trouvés dans les minéraux des roches.
Le document 2 apporte des informations sur la masse des enveloppes internes et leur
concentration en uranium, thorium et potassium. La chaleur émise par ces différents
éléments chimiques, en W ? kg– 1, est aussi fournie. Ce document permet de calculer la part de chacune des enveloppes dans la production d’énergie interne et permet
de comprendre que la chaleur ne provient pas, contrairement à l’image que les élèves
peuvent se faire, du centre de la Terre donc du noyau mais du manteau. Il y a donc
un « chauffage dans la masse ».
Attention, une erreur, qui s’est glissée dans le premier tirage du manuel (spécimens),
sera corrigée dans le tirage destiné aux élèves : dans le tableau du document 2, la
masse de la croûte océanique est de 6,9 ? 1021 kg et non 1,9?1021, la teneur en potassium de la croûte continentale est de 20 000 ppm et non 200 000.
Le document 3 est une modélisation de la convection au sein de deux matériaux de
viscosité et de couleur différentes ce qui permet de la rendre visible. Ce modèle est à
critiquer en relation avec le document précédent ; en effet, le chauffage s’effectue ici
par le bas alors qu’il s’agit dans la réalité d’une libération d’énergie dans la masse.
Le document 4 permet de réaliser une expérimentation visant à éprouver l’idée que
les transferts d’énergie thermique d’un endroit à l’autre sont plus efficaces s’il y a
mouvement de matière, c’est-à-dire conduction. Là encore, le modèle est à critiquer
car il est homogène alors qu’en réalité les différentes enveloppes internes (asthénosphère et lithosphère) ayant des viscosités et des épaisseurs différentes se comportent
différemment.
La conception du protocole peut être proposée par les élèves, justifiée puis critiquée
dans un esprit d’investigation.
Chapitre 1. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
153
2. Les pistes de travail
Information déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 et 2 : Les isotopes radioactifs d’uranium, thorium et potassium en se désintégrant spontanément libèrent de l’énergie thermique et un rayonnement mesurable par
un compteur Geiger. Selon la concentration relative de ces éléments chimiques, les
roches génèrent plus ou moins d’énergie thermique. Les enveloppes internes, par leur
constitution pétrographique majoritaire, participent plus ou moins à la production de
chaleur interne. Le document 2 permet d’évaluer la quantité de chaleur produite par
désintégration et de montrer que le manteau est l’enveloppe qui libère le plus d’énergie thermique.
– Chaleur émise par la croûte continentale :
1,38 ? 1022 ´ [(1,6 ? 10– 6 ´ 95,2 ? 10– 6) + (5,8 ? 10– 6 ´ 25,6 ? 10– 6) + (20 000 ? 10– 6
´ 0,00348 ? 10– 6)] = 5,1 ? 1012 W.
– Chaleur émise par la croûte océanique :
6,9 ? 1021 ´ [(0,9 ? 10– 6 ´ 95,2 ? 10– 6) + (2,7 ? 10– 6 ´ 25,6 ? 10– 6) + (4 000 ? 10– 6 ´
0,00348 ? 10– 6)] = 1,16 ? 1012 W.
– Chaleur émise par le manteau :
3,7 ? 1024 ´ [(0,02 ? 10– 6 ´ 95,2 ? 10– 6) + (0,1 ? 10– 6 ´ 25,6 ? 10– 6) + (200 ? 10– 6 ´
0,00348 ? 10– 6)] = 19,07 ? 1012 W.
– Chaleur émise par le noyau :
2,32 ? 1024 ´ [(0,00001 ? 10– 6 ´ 95,2 ? 10– 6) + (0,0001 ? 10– 6 ´ 25,6 ? 10– 6) + (1 ? 10– 6
´ 0,00348. ? 10– 6)] = 0,0162 ? 1012 W.
Au total la chaleur émise est de 25,97 ? 1012 W par désintégration radioactive, le manteau, bien que moins concentré en isotopes radioactifs, est la principale source d’énergie interne du fait sa masse énorme.
Doc. 3 et 4 : L’ordre d’utilisation des documents peut être inversé en fonction de la
démarche choisie.
Les valeurs obtenues lors des deux montages ExAO permettent de tracer avec un
tableur les graphiques suivants.
Montage en conduction
(thermoplongeur en haut)
température (en °C)
80
70
60
50
Sonde 1 (fond)
Sonde 2 (surface)
40
30
20
10
temps (en s)
0
0
100
200
300
400
500
Dans cette modélisation, le gradient de température (flèche noire sur le graphique) en
fin d’expérience est de 58,7 °C pour 11 cm soit 5,33 °C ? cm– 1.
Il y a une très mauvaise diffusion de la chaleur entre la source et le fond car les zones
denses sont en bas et les zones peu denses en haut. Il ne peut y avoir de mouvement
contraire à la poussée d’Archimède. Il s’agit de conduction.
154
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
Montage en convection
(thermoplongeur en bas)
température (en °C)
60
50
40
Sonde 1 (fond)
Sonde 2 (surface)
30
20
10
0
temps (en s)
0
100
200
300
400
500
Dans cette modélisation, les deux courbes restent sensiblement parallèles à partir de
150 secondes. Le gradient de température (flèche noire sur le graphique) est très faible
en fin d’expérience, de l’ordre 6,3 °C pour 11 cm donc de 0,57 °C?cm– 1.
La chaleur diffuse bien entre le bas et le haut, il y existe donc un bon transfert de chaleur. Ce transfert de chaleur est permis par la mise en mouvement du fluide : il s’agit
de convection.
Le document 3 permet de visualiser les transferts de matière accompagnant les transferts d’énergie. La matière chaude moins dense s’élève sous l’effet de la poussée
d’Archimède sans perdre de chaleur ; à la surface, il y a refroidissement au niveau
d’une couche thermique limite séparant l’huile de l’air. La perte d’énergie thermique
augmente la densité, l’huile replonge alors. Le transfert de chaleur d’une couche thermique limite à l’autre (de la plaque chauffante/fond du bécher à l’interface huile/air)
s’effectue sans perte de chaleur : l’énergie thermique est transmise très efficacement.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
La désintégration des isotopes radioactifs du manteau est pour moitié dans la production d’énergie interne (la radioactivité des autres enveloppes et la chaleur initiale
d’accrétion complètent cette émission). La chaleur produite peut être transférée par
conduction (de proche en proche, par agitation atomique mais sans mouvement de
matière) et par convection (transfert grâce à des mouvements de matière). La convection est un moyen de transfert bien plus efficace.
3. Ressources complémentaires (AP 4 et AP 5)
◾ Site ressources Bordas :
– Conférence de Pierre Thomas sur la convection, mythes, réalités et questions avec
son synchronisé aux diapositives :
http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-convectionPTho_conf.xml
– Simulations numériques téléchargeables, l’une modélisant un chauffage par le bas
et refroidissement par le haut et l’autre un chauffage dans la masse et refroidissement
par le haut :
http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-convectionPTho_conf.xml
Chapitre 1. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
155
ActivitŽs pratiques
5
Les transferts d’énergie et la dynamique interne (p. 246-247)
Connaissances
Capacités et attitudes
À l’échelle globale, le flux fort dans les dorsales est associé
à la production de lithosphère nouvelle ; au contraire, les
zones de subduction présentent un flux faible associé au
plongement de la lithosphère âgée devenue dense. La Terre
est une machine thermique.
– Réaliser et exploiter une modélisation analogique de
convection en employant éventuellement des matériaux
de viscosité différente.
– Exploiter les imageries de tomographies sismiques.
1. Les intentions pédagogiques
Dans cette activité, l’élève est amené à replacer dans le contexte réel les mécanismes
de transfert mis en évidence dans l’activité précédente et à faire le lien avec les manifestations en surface de la tectonique des plaques. Cette double page réalise la synthèse de l’ensemble des connaissances de Première S et de Terminale S concernant
la géodynamique interne en attribuant un moteur aux mouvements des plaques. C’est
pourquoi elle se termine par le document 4 : schéma synthétique associant mouvements des plaques lithosphériques et mouvements mantelliques. Il est important de
faire comprendre aux élèves l’intérêt des images tomographiques pour éprouver le
modèle et le compléter.
Le document 1 est un document synthétique obtenu en croisant diverses informations et mesures afin de réaliser une représentation de l’évolution de la température
du noyau vers la surface. Il permet de déduire l’importance du gradient géothermique
et ses variations en fonction de la profondeur. La zone orange indique les incertitudes
liées à l’absence de mesures directes.
Le document 2 permet de réinvestir la technique de tomographie sismique afin d’éprouver l’existence d’une convection en identifiant les variations latérales et verticales de
température. Il permet de valider et de préciser les mouvements de matière au niveau
des zones de dorsales et de subduction en particulier.
Le document 3 présente une synthèse de données tomographiques (anomalies verticales et latérales de vitesse des ondes) sur une coupe allant de l’Europe à l’Asie.
La multiplication des données tomographiques ainsi que les modélisations de mouvements permettent de construire des simulations numériques de dynamique interne
du manteau telles que celle figurée dans le document 4.
2. Les pistes de travail
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : La température décroit progressivement de la graine vers la croûte. On peut
identifier des zones où la température évolue peu : graine, noyau et manteau inférieur
(par exemple, on peut calculer un gradient géothermique dans le manteau inférieur de
0,74 °C par km) et des zones où la température subit de brusques changements : limite
noyau/manteau inférieur, limite manteau inférieur/manteau supérieur et limite asthénosphère/lithosphère (gradient géothermique moyen de 13 °C environ par km dans la
lithosphère). On peut ainsi faire le lien avec les mécanismes de transfert d’énergie :
convection dans le manteau inférieur, conduction dans les couches limites : à l’interface noyau / manteau inférieur et à l’interface asthénosphère / lithosphère.
156
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
Doc. 2 : À 100 km de profondeur, on observe des zones présentant des anomalies positives de 10 à 20 °C : elles correspondent aux zones de dorsale et de subduction (Japon,
ceinture de feu, Philippines, côte ouest de l’Amérique du Nord et du Sud). À l’inverse, les zones de collision continentale et les zones intraplaques sont marquées par
des anomalies négatives (Inde, bloc européen, africain, et plaines océaniques). De 300
à 450 km de profondeur, seules les zones de dorsales conservent des anomalies positives alors qu’à l’aplomb des zones de subduction les anomalies deviennent négatives
(Chili, Japon, Philippines). Ailleurs, on observe une dilution des anomalies thermiques.
Doc. 2 à 4 : Les images tomographiques ainsi que les simulations numériques vérifient l’existence de courants de convection au sein du manteau inférieur. Des zones
chaudes ascendantes à l’aplomb des dorsales faiblement enracinées, des panaches
mantelliques prenant naissance à l’interface manteau/noyau au niveau d’instabilité
thermique et des zones froides descendantes souvent profondément dans le manteau
à l’aplomb des zones de subduction. Les plaques lithosphériques perdent de l’énergie par conduction ; cela provoque leur instabilité et génère l’enfoncement au niveau
des zones de subduction. Ces phénomènes entretiennent les mouvements de convection réalisés dans le manteau inférieur, de la matière chaude remontant localement au
niveau des dorsales et des points chauds. Les transferts d’énergie vers la surface sont
donc à l’origine de l’évacuation de l’énergie produite par les enveloppes internes et
génèrent la dynamique interne du globe dont les mouvements lithosphériques ne sont
que la manifestation de surface.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Les ondes sismiques permettent d’obtenir des images tomographiques, véritables
« scanner » de l’intérieur du globe. Ces images en deux ou trois dimensions montrent des hétérogénéités thermiques au sein du manteau correspondant aux courants
de convection ascendants et descendants ainsi qu’aux panaches mantelliques alimentant en surface les points chauds (dont l’origine est à chercher dans les instabilités
thermiques à la limite noyau/manteau). Les simulations numériques couplant les données tomographiques et les modélisations visent à reproduire ces mouvements et à
éprouver les modèles.
3. Ressources complémentaires
◾ Site ressources Bordas : Sur le site de l’ENS de Lyon
– un article de Vincent Deparis sur la découverte de la convection mantellique, pour une
vision historique de cette découverte majeure dans la géodynamique globale :
http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-histoireconvection.xml
– un article de Olivier Dequincey « la convection mantellique, moteur de la tectonique
des plaques, si souvent évoquée, si souvent mal comprise » :
http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-convectionmantellique-tectonique-plaques.xml
Chapitre 1. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
157
ActivitŽs pratiques
6
L’exploitation par l’homme de l’énergie géothermique (p. 248-249)
Connaissances
Capacités et attitudes
L’énergie géothermique utilisable par l’Homme est variable Exploiter les données recueillies lors d’une sortie locale
d’un endroit à l’autre. Le prélèvement éventuel d’énergie dans une exploitation géothermique.
par l’Homme ne représente qu’une infime partie de ce
qui est dissipé.
1. Les intentions pédagogiques
L’objectif de cette double page est de revenir à des applications géothermiques et de
montrer que l’énergie géothermique peut être une alternative intéressante pour diversifier les sources d’énergie et réduire l’utilisation des énergies non renouvelables.
C’est l’occasion de faire le point sur les sources d’énergie permettant la production
d’électricité en France et dans le monde et de comprendre quelques techniques géothermiques mises en œuvre actuellement sur notre territoire. On se place donc résolument dans une perspective d’étude de cas pouvant être menée, si cela s’y prête, à
partir d’une étude sur le terrain.
Le document 1 réinvestit les notions de géothermie très basse, basse, moyenne et
haute énergie et les met en perspective avec les usages possibles, individuels, collectifs (chauffage/climatisation) ou encore industriels (production d’électricité) en fonction de la température des fluides recueillis. Il permet donc d’aborder la diversité des
applications géothermiques en fonction de la ressource disponible.
Le document 2 traite de deux exemples d’utilisation de la géothermie :
– l’utilisation de l’énergie thermique de la nappe aquifère située à 600 m de profondeur à Paris, récupérée par un système de double puits d’alimentation/rejet ;
– l’utilisation de la chaleur des roches du sous-sol grâce à un système de tuyauterie
enterré fonctionnant comme échangeur thermique et à une pompe à chaleur réalisant
la conversion de la chaleur permettant de chauffer l’habitation.
Le document 3 illustre une technique ambitieuse mise en œuvre dans le fossé rhénan à Soultz. Cette zone, exceptionnelle du point de vue géothermique (flux géothermique le plus élevé en France métropolitaine) permet, après fracturation des roches
profondes (5 000 m), de créer une circulation d’eau chauffée en profondeur et de
récupérer l’énergie thermique pour fabriquer de l’électricité. C’est la technique des
« roches chaudes fracturées ».
Le document 4 illustre les origines de la production d’électricité dans le monde et
en France. Il est utile de faire réfléchir les élèves à la notion d’énergie renouvelable.
Dans le monde, l’énergie géothermique utilisée correspond à une puissance de 61 GW
(gigawatt, valeur pour l’année 2000 qui a permis de couvrir 1 % de la consommation
d’énergie). Cette énergie prélevée est infime par rapport à l’énergie produite 42 TW
(térawatt). L’énergie géothermique est donc une énergie durable à l’échelle humaine.
En 2008, 2,8 % de l’électricité produite dans le monde était d’origine géothermique,
contre seulement 0,0024 % en France.
158
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
Synthèse : réponse au problème à résoudre
La faible part de la géothermie dans la production d’énergie en France peut être augmentée grâce à la diversité des ressources possibles. Les trois exemples abordés illustrent
la possibilité de géothermie très basse énergie, basse énergie et haute énergie grâce à
la technique des roches fracturées.
Exercices
p. 256 à 259
Pour la partie « Maîtriser ses connaissances » :
– la correction des exercices « Pour s’entraîner » figure à la fin du manuel de l’élève,
pages 396 à 401 ;
– la correction de la partie « Objectif BAC » comporte seulement une correction des
QCM ; en effet, les questions de synthèse sont des restitutions de connaissances où
toute liberté est laissée à l’élève pour construire une réponse organisée.
5 l’énergie interne du globe terrestre
B. Questions à choix multiples
Les bonnes réponses sont : 1d ; 2b ; 3d
7 Gradient géothermique et gisement de pétrole
Calcul de degré géothermique des 5 sites :
– ER-1 : 1 / (60/2000) = 33,33 (augmentation de 1 °C tous les 33,33 mètres)
– CBM-1 : 1/ (160/5000) = 31,25
– HBZ-1 : 1 / (215/2200) = 10,31
– AM-1 : 1 / (62/1125) = 18,18
– T01 : 1 : (125/2950) = 23,8
Pour rappel, le degré géothermique moyen est de 33 mètres (gradient géothermique
de 0,03 °C ? m– 1).
Hypothèse sur l’absence de pétrole dans la province orientale :
Le gisement oriental T01 possède un degré géothermique de 23,8. Il appartient à une
zone riche en hydrocarbures légers. Le forage HBZ-1, situé à l’ouest, ne contient pas
d’hydrocarbures exploitables. Il possède un degré géothermique bas donc un gradient
élevé (0,09 °C?m– 1), trois fois supérieur au forage T01. On peut supposer que le fort
gradient a entraîné une mauvaise transformation de la matière carbonée lors de l’enfouissement.
Chapitre 1. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
159
8 Potentiel géothermique en Lorraine
Attention, une erreur, qui s’est glissée dans le premier tirage du manuel (spécimens),
sera corrigée dans le tirage destiné aux élèves : il faut reformuler la question de la
manière suivante « Indiquez si les propositions sont justes ou fausses en argumentant
chacune de vos réponses ».
a : VRAI car les roches sont perméables et les roches sous-jacentes sont imperméables
(marnes du Lias).
b : VRAI car la zone de Nancy est construite sur les marnes du Lias, imperméables,
qui ne constituent pas un bon aquifère car elles ne contiennent pas d’eau mobilisable.
c : FAUX car même si les roches du Muschelkalk sont perméables et peuvent contenir de l’eau, la base de la couche est constituée d’une strate peu épaisse et discontinue de marnes du Mulschelkalk inférieur ce qui rend le réservoir peu intéressant. Il
possède un potentiel géothermique moyen.
d : VRAI car les couches de grès du Trias inférieur possèdent toutes les caractéristiques requises pour une exploitation géothermique : une grande surface d’affleurement (recharge de la nappe), très bonne perméabilité des roches (circulation d’eau et
possibilité d’extraction), épaisseur et donc volume important, une profondeur suffisante à l’ouest pour espérer une eau relativement chaude.
9 La géothermie haute énergie de Larderello
Le document 1 situe la région étudiée (Toscane) et permet de visualiser une coupe
géologique AB à travers la chaîne des Apennins. On observe, au nord-est, de grandes
failles inverses chevauchantes délimitant des unités de type nappe de charriage constituées de roches sédimentaires ou d’ophiolites. Cette structuration compressive correspond à ce que l’on peut observer dans les chaînes de collision. Au sud-ouest, au niveau
du complexe de Larderello, on observe des failles normales délimitant des blocs de
roches magmatiques et affectant les roches sédimentaires et les ophiolites. Cet agencement signe un contexte extensif.
Le document 3 permet de visualiser les isobathes c’est-à-dire les lignes de même profondeur du Moho permettant ainsi d’en déduire l’épaisseur de la croûte. En moyenne,
de 35 à 40 km dans cette région, la croûte continentale est amincie de 5 à 10 km dans
la zone du champ géothermique et au sud de celui-ci. Cette observation est à mettre
en relation avec la distension affectant cette zone (doc. 1).
Le document 2 permet de constater que le flux géothermique y est extrêmement élevé.
En effet, le flux géothermique moyen est de 87 mW ? m– 2 alors qu’à Larderello il est
plus de 10 fois supérieur. On peut expliquer cela, en partie par l’amincissement crustal et la présence de failles permettant la proximité de la source de chaleur et sa libération. En réalité, la présence d’un ancien magmatisme de subduction accentue encore
la quantité d’énergie présente et libérée.
Les sources chaudes, les souffles de vapeur sont des manifestations géothermiques liées
à la circulation d’eau dans une croûte amincie, fracturée et présentant d’anciens réservoirs magmatiques. L’important flux géothermique ainsi que les fluides hydrothermaux
sont d’ailleurs exploités depuis le début du xxe siècle pour produire de l’électricité.
160
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
10 Les transferts d’énergie thermique à Bouillante
L’objectif est de modéliser les transferts d’énergie thermique profonde vers la surface en
prenant appui sur l’exemple de la centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe.
Le document complémentaire permet d’exploiter les mesures réalisées dans 4 puits de
sondage pour identifier les mécanismes de transfert de chaleur. De 1000 mètres de profondeur à 600 mètres, la température ne diminue pas ou très peu (– 5 à – 10 °C). Le gradient géothermique est donc très faible (proche de 0 et au maximum de 0,01 °C ? m– 1).
Dans cette portion de la croûte le transfert d’énergie est donc très efficace sans perte
de chaleur, il correspond à un mode convectif. Parmi les explications envisagées,
celle d’une circulation de fluides ascendants réchauffés en profondeur peut être citée.
Entre 400 mètres de profondeur et la surface, la température diminue rapidement de
230 °C à 70 °C soit un gradient de 0,4 °C ? m– 1. La perte de chaleur signe un transfert peu efficace vers la surface se réalisant par conduction. Il existe vraisemblablement un ensemble rocheux (tufs ?) bloquant la convection.
Afin de modéliser ces transferts, il est possible d’utiliser un bécher rempli d’eau chauffée par la base. Dans un premier temps, deux sondes peuvent être positionnées, pour
l’une à 3 cm du fond (A) et pour l’autre à 3 cm de la surface (B). Les résultats montrent
un gain de 0,4 °C pour la sonde A et de 0,5 °C pour la sonde B soit un très bon transfert d’énergie pouvant modéliser un système convectif (avec un très faible degré géothermique). Dans un second temps, l’élève peut relever la sonde B pour la placer à
0,5 cm de la surface. Sachant que le régime convectif fonctionne jusqu’à 3 cm sous la
surface, on étudie donc les transferts proches de la surface. Dans ce cas, les résultats
montrent un gain de 9,3 °C pour la sonde A et un gain de 6 °C pour la sonde B. Le
transfert a été moins efficace que précédemment, il y a eu des pertes d’énergie dans
la partie superficielle comprise entre 3 cm et 0,5 cm. Par comparaison avec le document de référence, on peut proposer que cette zone fonctionne (au moins partiellement) selon un régime thermique conductif.
Ressource complémentaire
◾ Site ressources Bordas :
Rapport d’analyse du BRGM « compilation et analyse des données thermiques Bouillante
BRGM 2003 » : www.brgm.fr/Rapport?code=RP-52452-FR
Chapitre 1. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
161
Partie
3
chapitre
2
La plante domestiquée
ActivitŽs pratiques
1
Des plantes sauvages aux plantes cultivées (p. 262-263)
Connaissances
Capacités et attitudes
– La sélection exercée par l’Homme a souvent retenu des Recenser, extraire et exploiter des informations afin de comcaractéristiques génétiques différentes de celles qui sont parer une plante cultivée et son ancêtre naturel supposé.
favorables pour les plantes sauvages.
– Une même espèce comporte souvent plusieurs variétés
sélectionnées selon des critères différents ; c’est une forme
de biodiversité.
1. Les intentions pédagogiques
Informations déduites de l’analyse des documents
Ces premières activités ont pour but de retracer quelques moments clés de l’histoire
ancienne des végétaux cultivés. Il ne s’agit pas de dresser un panorama général de
l’histoire des principales cultures. On a choisi au contraire de se limiter à un exemple,
celui du blé : outre qu’il s’agit d’une plante alimentaire de toute première importance,
son histoire précoce est bien documentée.
On s’intéresse d’abord à la domestication des ancêtres des blés actuels (document 1)
pour décrire comment des phénomènes naturels (variations génétiques par mutation,
hybridations interspécifiques, polyploïdisation…) se combinent avec des pratiques
culturales (techniques agricoles du semis, de la récolte…) au cours de l’évolution de
populations de céréales.
On insiste sur le fait que ce sont d’abord, pendant environ mille ans, des céréales aux
caractéristiques tout à fait sauvages qui sont cultivées au Proche-Orient. Des variations génétiques fortuites se sont naturellement produites au fil des siècles, dans les
populations de céréales sauvages, comme dans celles de céréales cultivées. Soumises
à des contraintes sélectives différentes de leurs congénères sauvages, certaines variations phénotypiques apparues dans les champs ont constitué des avantages sélectifs
pour les individus qui les portaient, alors même qu’elles auraient constitué des désavantages sélectifs pour les plantes sauvages. Favorisées dans leur reproduction au champ,
les caractères de ces plantes mutantes se sont fixés dans les populations de céréales
cultivées. Peu à peu, sous la contrainte des pratiques culturales, les céréales cultivées
sont donc devenues des plantes domestiques, c’est-à-dire dépendantes de l’agriculture
humaine pour leur reproduction. Il convient de distinguer ce phénomène, dans lequel
l’humain n’intervient que de façon involontaire (comme un nouveau facteur de l’environnement dans lequel évoluent les plantes) du travail de sélection des plantes « les
plus intéressantes » par les agriculteurs, puis par les scientifiques. En effet, ce travail
de sélection est au contraire une action consciente, volontaire.
162
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
L’objet des documents 2 et 3 est précisément d’expliquer comment, à partir de populations d’origine sans doute très hétérogènes mais peu diversifiées, sont apparues des
populations plus homogènes, mais aussi beaucoup plus diversifiées. Le document 2
présente le principe de la sélection massale. On pourra insister à ce sujet sur deux
caractéristiques importantes : ce type de sélection n’élimine pas la diversité génétique
à l’intérieur de la population végétale, elle ne fait que la réduire très lentement. Par
ailleurs, les critères de sélection étant variables au cours du temps, et d’un endroit à
l’autre, ce type de sélection très empirique a beaucoup contribué à faire diverger les
populations végétales les unes des autres au cours des millénaires. On n’oubliera pas
aussi que des facteurs environnementaux (nature du sol, disponibilité en eau, températures…) ont aussi, simultanément, joué de grands rôles sélectifs dans la différenciation des variétés cultivées.
2. Pistes d’exploitation
Doc. 1 : Chez les blés sauvages, la dispersion des graines est assurée par une fragmentation spontanée des épis. Les variants dont les épis ne se fragmentent pas sont
défavorisés, restent à des fréquences basses voire disparaissent des populations sauvages. Chez les blés cultivés, les variants dont les épis ne se fragmentent pas sont au
contraire davantage récoltés : il est plus facile de cueillir un épi que de ramasser ses
graines dispersées au sol. Involontairement, par ses pratiques agricoles, l’Homme a
donc sélectionné des caractéristiques génétiques différentes de celles qui sont favorables aux plantes sauvages.
Doc. 2 et 3 : La sélection massale consiste à ne retenir, pour engendrer la génération
suivante, qu’un petit groupe d’individus choisis au sein de la population disponible
localement. Comme les critères de choix peuvent largement varier d’une région à une
autre, d’un moment à un autre, en fonction des besoins, des contraintes locales, etc.
la sélection massale contribue à différencier génétiquement des populations « filles »
entre elles, et par rapport à leur population « mère ».
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Au cours de l’histoire, les agriculteurs ont progressivement sélectionné empiriquement,
d’abord involontairement puis en fonction de différents critères, les plantes jugées
intéressantes. Sous cette pression de sélection, ces plantes cultivées se sont différenciées des plantes sauvages en quelques siècles et sont devenues particulièrement bien
adaptées à la vie domestique.
3. Ressources complémentaires
◾ La domestication des céréales :
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosbiodiv/index.php?pid=decouv_chapC_p4_c1&zoom_
id=zoom_c1_4
◾ Les origines du blé :
http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/blepain/1ble/12orig/origine.htm
◾ Les céréales en Egypte ancienne :
http://www.museum.agropolis.fr/pages/expos/egypte/fr/index.htm
◾ Évolution du génome des graminées cultivées :
http://www4.clermont.inra.fr/umr1095/Equipes/Recherches/Paleogenomique-des-plantespour-l-amelioration-varietale
◾ « Les meilleurs blés », un ouvrage historique d’Henry de Vilmorin (1880) :
http://museum.agropolis.fr/pages/documents/bles_vilmorin/index.htm
Chapitre 2. La plante domestiquée
163
◾ Histoire de la culture des céréales et en particulier de celle du blé tendre :
http://www.inra.fr/dpenv/pdf/bonjed21.pdf
◾ Histoire des agricultures du monde,
M. Mazoyer et L. Roudart, Éditions du Seuil, 2002.
◾ Le blé sauvage des premiers agriculteurs,
La recherche n° 406, pp. 58-61, mars 2007.
◾ Méthodes de création de variétés en amélioration des plantes, A. Gallais,
Éditions Quæ, 2011.
ActivitŽs pratiques
2
La sélection scientifique des végétaux (p. 264-265)
Connaissances
Capacités et attitudes
Les techniques de croisement et de sélection permettent Recenser, extraire et exploiter des informations afin de
d’obtenir de nouvelles plantes qui n’existaient pas dans la comprendre les caractéristiques de la modification génénature (nouvelles variétés, hybrides, etc.).
tique des plantes.
1. Les intentions pédagogiques
Ces pages, comme les suivantes, sont consacrées à l’histoire récente des plantes cultivées. Le tournant se fait vraiment avec la redécouverte des travaux de Mendel, au début
du xxe siècle. Jusque-là, la sélection est surtout massale, phénotypique, et pratiquée
essentiellement par les agriculteurs.
On décrit ici une sélection dont les principes sont ceux de la génétique classique, dont
les méthodes sont celles des sciences expérimentales. Ce type de sélection compliqué et coûteux ne peut être pratiqué que par des scientifiques. C’est donc une rupture
importante qui s’opère à cette époque, dont nous vivons actuellement les prolongements (voir les pages 266 à 271).
Les techniques scientifiques de sélection sont nombreuses et souvent très complexes.
Elles diffèrent aussi d’une espèce à l’autre, selon que leur reproduction est sexuée ou
non (production de variétés-clones), selon que l’espèce est autogame ou allogame…
On a choisi de s’appuyer sur l’exemple du maïs pour identifier les grands principes
de la sélection scientifique.
Le document 1 montre qu’une des premières attentes du sélectionneur est de disposer
de plantes génétiquement homogènes et stables : ce sont des lignées pures. Il décrit
succinctement la méthode permettant de passer d’une population hétérogène d’individus hétérozygotes pour de nombreux gènes à une population homogène, d’individus à
très fort taux d’homozygotie. La pratique systématique des autofécondations est illustrée, conjointement à celle de la sélection des « meilleurs » individus pour engendrer
164
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
chaque nouvelle génération. On signale aussi l’effet dépressif que les autofécondations successives peuvent avoir chez des plantes allogames comme le maïs (ce phénomène n’existe pas chez des autogames comme le blé, dont les variétés commercialisées sont des lignées).
On montre dans le document 2 comment les sélectionneurs utilisent les lignées dans
le cas d’une plante allogame comme le maïs : les croisements entre lignées permettent
d’une part de retrouver la vigueur perdue du fait de l’homozygotie (vigueur hybride
ou effet d’hétérosis) et d’autre part de combiner des allèles favorables identifiés dans
des lignées distinctes.
2. Pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Le but des sélectionneurs est d’obtenir des individus génétiquement identiques, homozygotes et possédant autant d’allèles intéressants que possible.
Doc. 1 : On considère la transmission d’un gène présent initialement chez les individus à l’état hétérozygote (a // A) ; à la génération 0, le taux d’homozygotie est donc
de 0 %. Par autofécondation, on obtient 50 % d’individus hétérozygotes (a//A) et
50 % d’individus homozygotes (a//a) et (A//A). Dans les autofécondations suivantes,
les individus homozygotes ne peuvent engendrer que des homozygotes. Les hétérozygotes engendrent à chaque fois 50 % d’individus hétérozygotes (a//A) et 50 % d’individus homozygotes (a//a) et (A//A). La proportion d’hétérozygotes est donc divisée
par deux à chaque génération. On obtient ainsi les résultats suivants :
Génération
Taux d’homozygotie
(en %)
Taux d’hétérozygotie
(en %)
3
87,50
12,50
4
93,75
6,25
5
96,88
3,12
6
98,44
1,56
7
99,22
0,78
Après sept générations successives obtenues par autofécondation, on aboutit à un taux
d’homozygotie de 99,22 %.
Doc. 2 : L’observation des individus hybrides AB montre que les caractères « plantes
productives » et « maturité précoce » sont dominants respectivement sur les caractères
« plantes peu productives » et « maturité tardive ». On suppose que ces deux caractères sont contrôlés par deux gènes indépendants.
Allèle provoquant une faible productivité : p
Allèle provoquant une forte productivité : P
Allèle provoquant une maturité tardive : m
Allèle provoquant une maturité précoce : M
Les plantes des lignées parentales sont homozygotes :
Parents A (P//P ; m//m) Parents B (p//p ; M//M)
Les gamètes issus de la méiose dans les fleurs des parents ont pour génotypes :
Gamètes mâles (P/ ; m/) Gamètes femelles : (p/ ; M/)
La fécondation croisée de A et de B donne donc une seule catégorie d’individus
hybrides AB : (P//p ; M//m).
Chapitre 2. La plante domestiquée
165
Tous les hybrides ont le même génotype hétérozygote et combinent les caractères
dominants de forte productivité et de maturité précoce.
Doc. 2 : Les gamètes mâles comme les gamètes femelles contenus dans les fleurs des
individus F1 contiendraient quatre sortes de combinaisons génétiques équiprobables. On
peut dresser un tableau de croisement de ces gamètes et montrer que seules 4 graines
sur 16 présenteraient la même combinaison génétique que les F1, que 7 graines sur
16 conduiraient à la réapparition de caractères récessifs défavorables pour l’agriculteur (faible productivité et/ou maturité tardive). Cela poserait plusieurs problèmes
à l’agriculteur : d’une part tous les plants ne seraient pas mûrs en même temps, ce qui
compromettrait la récolte, d’autre part la productivité d’ensemble serait amoindrie.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
La sélection de base qui préside à la sélection scientifique de nouvelles variétés génétiques repose sur la réalisation de croisements : obtention de lignées pures, croisements
permettant d’obtenir des hétérozygotes plus vigoureux et combinant des caractéristiques jugées intéressantes présentes chez les parents.
3. Ressources complémentaires
◾ L’amélioration du blé :
http://www.dijon.inra.fr/la_science_et_vous/l_amelioration_du_ble
◾ Site pédagogique du GNIS (Groupement National Interprofessionnel des semences
et plants) :
http://www.gnis-pedagogie.org/pages/n1.htm
◾ Amélioration des espèces végétales cultivées :
Objectifs et critères de sélection, A. Gallais, H. Bannerot, Éditions Quæ, 1992.
◾ Hétérosis et variétés hybrides en amélioration des plantes,
A. Gallais, Editions Quæ, 2009.
◾ Méthodes de création de variétés en amélioration des plantes,
A. Gallais, Éditions Quæ, 2011.
166
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
ActivitŽs pratiques
3
Sélection et biotechnologies végétales (p. 266-267)
Connaissances
Capacités et attitudes
Les techniques de croisement et de sélection permettent Recenser, extraire et exploiter des informations afin de
d’obtenir de nouvelles plantes qui n’existaient pas dans la comprendre les caractéristiques de la modification génétique des plantes.
nature (nouvelles variétés, hybrides, etc.).
1. Les intentions pédagogiques
Nous avons décrit dans les pages précédentes les principes de la sélection scientifique
des végétaux, tels qu’ils se sont appliqués depuis un siècle et tels qu’ils continuent
de s’appliquer. Les activités de ces pages ont pour objectif de montrer comment des
progrès de la biologie cellulaire et moléculaire, associés au progrès des techniques
de laboratoire ont rendu la sélection de végétaux performants plus rapide et plus efficace. Les innovations dans ce domaine ont été très nombreuses et il était impossible
de les présenter toutes. Le choix s’est porté sur deux techniques très différentes, souvent utilisées conjointement :
Le document 1 présente le principe des cultures in vitro d’explants végétaux et donne
un exemple d’application : la sélection de pommes de terre résistantes à la sécheresse.
C’est aussi l’occasion de proposer une activité pratique réalisable en classe. Celle-ci
pourra donner lieu à une démarche expérimentale (voir par exemple la question 1 des
pistes d’exploitation p. 267).
Le document 2 présente le principe de la sélection assistée par marqueurs moléculaires. Dans un premier temps, on explique ce que sont les marqueurs moléculaires et
comment on peut, grâce à eux, visualiser les différences génotypiques. L’étude d’un
exemple (la sélection assistée par marqueurs de plants de tournesol résistants au mildiou) permet de rendre plus concrète cette technique complexe.
2. Pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Faire germer les pommes de terre des variétés à tester. Préparer 6 flacons de
culture pour chaque variété à tester, contenant des concentrations croissantes de polyéthylène glycol (0 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,4 ; 0,8 ; 1 %). Placer dans chaque flacon trois tronçons
de germe d’une même variété et mettre tous les flacons dans les mêmes conditions de
culture (lumière, température). Après 21 jours, extraire les plants des flacons. Réaliser
les mesures suivantes : surface foliaire totale, longueur des racines et des tiges, poids
sec des tiges feuillées et des racines… Effectuer les moyennes pour tous les plants de
même variété ayant subi les mêmes conditions. Choisir parmi les variétés celles qui
ont été les moins affectées par le manque de disponibilité de l’eau.
Doc. 1 : Les cultures in vitro permettent l’obtention très rapide de plantes homozygotes
(haplo-diploïdisation), la sélection de plantes saines (cultures de méristèmes), la conservation de variétés et leur multiplication rapide dans très peu d’espace (micropropagation, embryogenèse somatique). Elles sont essentielles aussi lors des hybridations
interspécifiques (sauvetage d’embryons ou fusion de protoplastes), pour l’obtention
de plantes transgéniques ou lors de la création de variants (mutagenèse).
Chapitre 2. La plante domestiquée
167
Doc. 2 : On constate que les deux parents possèdent le fragment 3. Ce fragment ne
permet donc pas de distinguer les individus résistants de ceux qui sont sensibles au
mildiou. Le fragment 2 peut être présent ou absent chez un individu résistant, tout
comme chez un individu sensible. Il n’est pas non plus utilisable, car non lié au gène
de sensibilité au mildiou. Le fragment 1 au contraire est lié au gène de sensibilité au
mildiou ; on constate en effet que les individus sensibles au mildiou possèdent ce
fragment dans leurs résultats, tandis que ceux qui sont résistants ne le possèdent pas.
Pour sélectionner les plants résistants au mildiou on choisira donc ceux qui ne présentent pas le fragment 1.
Doc. 2 : Au lieu d’attendre pour constater sur les plantes adultes leur éventuelle sensibilité au mildiou, on peut pratiquer ces tests génétiques chez de très jeunes plantules
et ainsi gagner plusieurs mois dans le travail de sélection.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Les biotechnologies ont révolutionné les méthodes classiques de la sélection végétale
en permettant la culture très rapide au laboratoire, dans un espace réduit et dans des
conditions maîtrisées. La sélection génétique peut s’effectuer très précocement, sans
attendre l’apparition des caractères phénotypiques.
3. Ressources complémentaires
◾ Les Biotechnologies et l’agriculture : Techniques de base et applications
http://genet.univ-tours.fr/gen002300/gen002300_III_techniques.htm
◾ Les techniques de culture in vitro :
http://technivit.pagesperso-orange.fr/techniques.htm
◾ Unité mixte de recherche «Amélioration des plantes et biotechnologies végétales» :
http://www.rennes.inra.fr/les_recherches/unites_de_recherche/umr_amelioration_des_
plantes_et_biotechnologies_vegetales
◾ La culture in vitro des orchidées (film d’archive, 1935) :
http://www.sfo-asso.com/pages/activites.php?parent=3&id=26&PHPSESSID=364c0bc03a3
746aa1aff22e68222f902#film
◾ Histoire et amélioration de cinquante plantes cultivées,
C. Doré, F. Varoquaux, éditions Quæ, 2006.
◾ Méthodes de création de variétés en amélioration des plantes,
A. Gallais, Editions Quæ, 2011.
168
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
ActivitŽs pratiques
4
L’obtention de plantes transgéniques (p. 268-269)
Connaissances
Capacités et attitudes
Les techniques du génie génétique permettent d’agir direc- Recenser, extraire et exploiter des informations afin de
tement sur le génome des plantes cultivées.
comprendre les caractéristiques de la modification génétique des plantes.
1. Les intentions pédagogiques
Il s’agit dans ces activités d’apporter un éclairage scientifique sur un sujet d’actualité :
les végétaux génétiquement modifiés. On ne cherche pas à initier le débat sur leurs
avantages et inconvénients. Cela sera abordé dans les pages suivantes. L’objet est ici
d’approfondir des connaissances déjà acquises en classe de Seconde (voir p. 235). Les
aspects techniques sont présentés de façon assez détaillés, afin de montrer la complexité du processus de transgénèse.
Comme dans les pages précédentes, on s’appuie sur un exemple concret. Le choix
s’est porté sur le soja tolérant à l’herbicide glyphosate. Il s’agit de la plus importante
culture OGM à l’échelle mondiale en terme de surfaces cultivées (58,6 millions d’hectares en 2007). Près de 65 % des surfaces consacrées au soja dans le monde sont cultivées avec des variétés OGM. On pourra utilement faire le lien avec les connaissances
de Première (voir manuel de Première S, p. 215).
2. Pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 et 2 : Le gène R est un gène bactérien qui remplit les mêmes fonctions vitales
que le gène S présent chez les végétaux. L’enzyme issue de l’expression du gène R
n’est pas sensible à l’herbicide glyphosate, contrairement à celle issue de l’expression du gène S. Le gène R est donc « intéressant » si l’on souhaite rendre des végétaux résistants au glyphosate. Pour le transférer à une plante, on l’introduit dans un
plasmide de la bactérie A. tumefaciens : il pourra ainsi entrer dans les cellules végétales et être intégré à l’ADN de la plante.
Doc. 3 : Parmi les cals issus des fragments de feuilles mis au contact des bactéries
armées du gène R, certains sont constitués de cellules transformées génétiquement
(elles ont intégré le gène R), d’autres ne sont pas transformées. On ajoute du glyphosate dans le milieu de culture afin de trier ces cals et de ne garder que ceux qui sont
transgéniques.
Doc. 4 : Au fond de chaque puits se trouvent des anticorps capables de fixer la protéine R. Plus ces anticorps fixent de protéines R, plus la coloration sera forte. On voit
donc que les plantes qui ont le mieux exprimé la protéine R sont les suivantes : A1 à
A4, B3 à B6, E1 et E2, F1 à F4.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Les techniques du génie génétique permettent de repérer un gène, de le couper (grâce à
des enzymes dites de « restriction »), de l’insérer dans un vecteur. Par culture in vitro,
puis par des techniques immunologiques par exemple, on peut isoler les plantes génétiquement modifiées, ayant intégré et exprimant le gène d’intérêt.
Chapitre 2. La plante domestiquée
169
3. Ressources complémentaires
◾ Plantes transgéniques :
faits et enjeux, A. Gallais, A. Ricroch, Editions Quæ, 2006.
◾ La transgénèse par Agrobacterium tumefaciens :
http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/transgenese/agrobacterium/agro.htm
http://biologie.univ-mrs.fr/upload/p210/LA_TRANSGENESE_VEGETALE_cours_2h_
OK_NOV_06.pdf
◾ Résultats de l’expertise scientifique collective sur les variétés tolérantes
aux herbicides, organisé par le CNRS et l’INRA, 2011 :
http://www.inra.fr/l_institut/expertise/expertises_realisees/expertise_varietes_vegetales_
tolerantes_aux_herbicides
170
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
ActivitŽs pratiques
5
Les semences, un enjeu contemporain (p. 270-271)
Connaissances
Capacités et attitudes
Les éléments scientifiques (introduits précédemment) – Recenser, extraire et exploiter des informations.
permettent un débat sur l’usage de telle ou telle méthode. – Faire preuve d’esprit critique.
– Être conscient de sa responsabilité face à l’environnement, la santé, le monde vivant.
– Être conscient de l’existence d’implications éthiques
de la science.
1. Les intentions pédagogiques
Ces dernières activités s’appuient sur les connaissances acquises au cours de ce chapitre, mais aussi en Première et en Seconde dans les chapitres consacrés aux enjeux
planétaires contemporains. Il s’agit d’initier un débat autour des enjeux que représentent les plantes cultivées, en rapport étroit avec les autres enjeux de l’agriculture,
de l’environnement et de l’alimentation : doit-on s’orienter vers la culture de plantes
de plus en plus « technologiques » (OGM notamment) ou bien remettre au goût du
jour les variétés anciennes aujourd’hui délaissées ? Il ne s’agit pas bien entendu de
trancher cette question, mais d’exposer quelques éléments objectifs à même d’alimenter la réflexion, l’esprit critique.
Ainsi, les documents 1 et 2 présentent, à partir de l’exemple du blé, quelques informations concernant l’évolution depuis un siècle des rendements, de la biodiversité
cultivée et de l’impact environnemental des cultures. Il apparaît à la lecture de ces
documents que les variétés modernes comme les variétés anciennes de blé présentent
qualités et défauts. Il y a donc lieu de débattre et de s’interroger sur ce que pourraient
être les futures plantes cultivées.
C’est l’objet des documents 3 et 4 qui évoquent deux pistes divergentes : celle d’un
renouveau de variétés paysannes, pour leurs qualités environnementales, leur grande
biodiversité, leurs qualités nutritionnelles, et celle d’un développement des plantes
génétiquement modifiées, pour leur capacité à rendre des services innovants dans de
multiples domaines. Là encore, le débat peut s’installer, chacune des options présentant divers avantages et inconvénients.
2. Pistes d’exploitation
Informations déduites de l’analyse des documents
Doc. 1 : Entre 1950 et 2009, le rendement moyen du blé est passé de 16 à 74 q ? ha– 1,
soit une augmentation de 100 ´ (74 – 16)/16 = 362,5 %. On nous dit que 60 % environ de cette augmentation serait attribuable à la sélection moderne des variétés. La
variation, entre ces deux dates, de rendement du blé due à la sélection moderne serait
donc de 0,6 ´ 362,5 = 217,5 %.
Doc. 1 et 2 : Les variétés modernes ne donnent de bons résultats que dans des conditions de culture optimales : elles consomment donc beaucoup d’engrais, de pesticides,
d’eau. Ces pratiques sont coûteuses pour l’agriculteur et néfastes pour l’environnement. De plus, ces variétés sont très nombreuses mais leur diversité génétique intra
Chapitre 2. La plante domestiquée
171
et inter variétale est très faible : comme elles remplacent les variétés anciennes, elles
contribuent à diminuer la biodiversité cultivée.
Doc. 3 : On constate tout d’abord que la variété moderne présente des pailles beaucoup plus courtes que celles des variétés paysannes (100 cm contre 150 à 180 cm).
Les rendements en paille sont donc nettement meilleurs chez les variétés paysannes :
plus du double de celui de la variété moderne. La sensibilité à la verse des variétés
paysannes est diverse. Certaines sont très sensibles (surtout celles qui ont des pailles
très longues) mais d’autres sont aussi peu sensibles que la variété moderne (Alauda).
Les rendements en grains sont comparables, voire aussi bons (Alauda) que ceux de
la variété moderne. Celle-ci présente une teneur en protéines légèrement inférieure à
celle des variétés paysannes.
En bilan, on peut donc dire que, dans ce test, les variétés paysannes ont produit des
quantités de grains en moyenne un peu inférieures à celles de la variété moderne, mais
ces grains sont de meilleure qualité nutritionnelle (plus riches en protéines). Elles ont
fourni beaucoup plus de paille (ce qui peut être utile pour l’élevage par exemple). Certaines cependant présentent l’inconvénient d’être très sensibles à la verse.
Doc. 4 : Débutée en 1996, la culture des OGM couvrait déjà 8 % des surfaces cultivées dans le monde en 2007. Si l’on considère les quatre grandes cultures que sont le
soja, le coton, le maïs et le colza, on est déjà à 38 % de surfaces cultivées en OGM en
2007, soit 114,3 millions d’hectares dans le monde. On peut comparer cette surface à
celle consacrée en France métropolitaine aux diverses cultures : 29 millions d’hectares.
Synthèse : réponse au problème à résoudre
Les variétés modernes sont en général plus performantes que les variétés plus anciennes.
Cependant, les variétés paysannes possèdent des qualités que les variétés modernes
peuvent avoir perdu. Il est donc essentiel de conserver la diversité génétique des
plantes cultivées.
3. Ressources complémentaires
◾ « Semences et recherche : des voies du progrès », un rapport du Conseil Economique,
Social et Environnemental, 2009 :
http://www.ladocumentationfrancaise.fr/var/storage/rapports-publics/094000128/0000.pdf
◾ « Quels indicateurs pour suivre la diversité génétique des plantes cultivées ? Le cas
du blé tendre cultivé en France depuis un siècle », Rapport de la Fondation pour
la Recherche sur la Biodiversité, 2011 :
http://www.fondationbiodiversite.fr/les-programmes-frb/synthese-sur-les-indicateurs-debiodiversite-cultivee
◾ « Semences et agriculture durable », un rapport du Ministère de l’Agriculture, 2011 :
http://agriculture.gouv.fr/IMG/pdf/Semences_et_agriculture_durable_P-Vialle_
rapport_2011.pdf
◾ Le site du GEVES, (Groupe d’Etude et de contrôle des Variétés Et des Semences) :
http://www.geves.fr/index.php?lang=fr
◾ « L’état des ressources phytogénétiques pour l’alimentation et l’agriculture dans
le monde », un rapport de l’Organisation des Nations Unies pour l’Alimentation et
l’Agriculture, 2010 :
http://www.fao.org/docrep/014/i1500f/i1500f.pdf
◾ Le site de la société Monsanto (production d’OGM) :
http://www.monsanto.fr/
172
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
◾ Semences et droits des paysans, un dossier réalisé par l’association BEDE (Biodiversité :
Echange et Diffusion d’Expériences) et par le RSP (réseau Semences Paysannes), 2009 :
http://www.bede-asso.org/
◾ Des blés bio… diversité ! 5 années d’expérimentation sur les semences paysannes en
Pays de la Loire. Un guide technique réalisé par la CAB (Coordination Agrobiologique
des Pays de la Loire), 2011 :
http://www.biopaysdelaloire.fr/
◾ Voyage autour des blés paysans, recueil de témoignages produit par le RSP, 2008 :
http://www.semencespaysannes.org/
◾ Résultats de l’expertise scientifique collective sur les variétés tolérantes
aux herbicides, organisé par le CNRS et l’INRA, 2011 :
http://www.inra.fr/l_institut/expertise/expertises_realisees/expertise_varietes_vegetales_
tolerantes_aux_herbicides
Chapitre 2. La plante domestiquée
173
Exercices
p. 278 à 281
Pour la partie « Maîtriser ses connaissances » :
– la correction des exercices « Pour s’entraîner » figure à la fin du manuel de l’élève,
pages 396 à 401 ;
– la correction de la partie « Objectif BAC » comporte seulement une correction des
QCM ; en effet, les questions de synthèse sont des restitutions de connaissances où
toute liberté est laissée à l’élève pour construire une réponse organisée.
8 Les biotechnologies végétales
B. QCM. Les bonnes réponses sont : 1-b ; 2-c.
9 Sélection et amélioration des rendements
Titre du graphique : Évolution entre 1930 et 1980 des rendements en grain de lignées
parentales et d’hybrides chez le maïs.
On observe que le rendement en grain des lignées parentales augmente progressivement au cours du temps. Il valait en moyenne 20 q ? ha– 1 en 1930, contre 40 q ? ha– 1
en 1980.
Il en va de même pour le rendement en grain des hybrides issus de croisements des
lignées parentales. Il valait en moyenne 60 q ? ha– 1 en 1930, contre 85 q ? ha– 1 en 1980.
On remarque que dans chaque décennie il existe une diversité des rendements, selon
la lignée ou l’hybride que l’on considère. De plus, quelle que soit la décennie, les rendements des lignées parentales sont toujours inférieurs à ceux des hybrides.
L’augmentation des rendements des lignées s’explique par le travail de sélection génétique réalisé à partir de variétés-populations ou de lignées préexistantes. L’augmentation des rendements des hybrides s’explique par l’effet d’hétérosis qui se manifeste
lors du croisement de parents appartenant aux lignées parentales. On constate que cet
effet n’est pas proportionnel au rendement des lignées parentales : il vaut toujours à
peu près + 40 q ? ha– 1, que ce soit en 1930 ou en 1980.
10 De l’électricité d’origine végétale
On cherche à montrer que les biotechnologies végétales peuvent contribuer au développement d’une électricité écologique.
Le document 1 nous apprend que certaines algues produisent lors de leur photosynthèse de faibles quantités d’hydrogène, pendant les premières secondes qui suivent le
début de l’éclairement. Cette activité fugace est due à la présence d’une protéine particulière, la déshydrogénase. Celle-ci ne fonctionne plus en présence de dioxygène :
comme la photosynthèse produit du dioxygène, cela empêche la production de dihydrogène après quelques secondes.
Par génie génétique, des chercheurs ont modifié la séquence d’acides aminés de la
déshydrogénase. Cette modification apparaît sur le document 2 : en position 74, une
valine (V) est remplacée par une méthionine (M). Ils sont ensuite comparé in vitro les
activités de cette déshydrogénase mutée (DM) et de la déshydrogénase sauvage (DS).
Le document 3 nous décrit leurs résultats : on retrouve le fait que l’activité de DS
cesse après seulement quelques secondes dans un environnement contenant de l’O2
(22 µmol ? L– 1). L’activité de DM a été mesurée dans un environnement beaucoup
plus riche en O2 (155 µmol ? L– 1). Pourtant, on constate que son activité reste impor174
Partie 3. Enjeux planétaires contemporains
tante pendant environ 5 minutes. On peut donc en déduire que la mutation provoquée
par les chercheurs a rendu la déshydrogénase moins sensible au dioxygène. Ainsi, des
quantités bien supérieures de dihydrogène peuvent être fabriquées.
Remarque : d’après les ressources complémentaires, il reste à tester l’efficacité de
cette déshydrogénase mutée au sein de cellules vivantes. Si les résultats in vivo sont
conformes aux résultats in vitro, le dihydrogène produit pourrait être stocké dans des
réservoirs pour alimenter des « piles à combustibles » : les molécules de H2 entrent dans
la pile. Au contact de l’anode, elles se dissocient en protons et électrons. Les protons
diffusent dans un liquide, vers la cathode. Les électrons quant à eux sont contraints
de passer par un circuit externe : un courant électrique est ainsi créé, qui peut alimenter des appareils (moteur, lampes…). Les électrons retournent ensuite dans la pile,
cette fois du côté de la cathode, où ils se combinent avec les protons et le dioxygène
de l’air pour donner des molécules d’eau.
Nous avons donc montré que la transformation, par génie génétique, d’une protéine
végétale permet de faire produire du dihydrogène à des algues au cours de leur photosynthèse. Ce dihydrogène et le dioxygène de l’air suffisent pour alimenter une pile
à combustible, productrice d’électricité et d’un « déchet » non polluant (de l’eau).
11 Des courges sauvages aux courges domestiques.
Nous allons montrer comment l’étude de vestiges végétaux microscopiques conservés dans les sols permet de dater la domestication des courges.
Des phytolithes fossiles, restes microscopiques de diverses espèces de courges, ont
été découverts dans le sud-ouest de l’Equateur (Amérique du Sud). Leurs âges ont
été mesurés par la technique du 14C. Les plus anciens ont 10 820 ans environ, les plus
récents 3 810 ans environ (documents 1 et 3). En plus de posséder des âges bien différents, ces phytolithes se distinguent aussi par leurs formes (longueur, épaisseur). Le
document 2 compare les tailles de phytolithes produits par des courges actuelles : les
espèces de courges sauvages (triangles verts sur le graphe) produisent des phytolithes
d’épaisseur nettement plus faible que les espèces de courges domestiques (triangles
rouges). Ainsi, les phytolithes dont l’épaisseur moyenne dépasse 68 µm, dont l’épaisseur maximale est au moins de 90 µm, et dont la longueur excède 82 µm, sont considérés comme provenant de courges domestiques.
Quels phytolithes fossiles répondent à ces critères ? Le document 3 nous donne les
résultats de mesures faîtes sur les phytolithes fossiles. Les plus anciens sont d’une
longueur et d’une épaisseur maximale insuffisantes pour correspondre à des courges
domestiques. Par contre, les phytolithes âgés de 10 130 ± 40 ans, et ceux âgés de 7 170
± 60 ans remplissent les critères de taille fixés par les chercheurs.
On peut donc conclure que la domestication des courges date d’au moins 10 130 ± 40 ans.
12 L’obtention d’hybrides interspécifiques
La réalisation de la manipulation, ou à défaut l’observation des photographies du
manuel, confirme que cette technique permet d’obtenir des protoplastes hybrides.
Chapitre 2. La plante domestiquée
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