Exercice 1 - bcpst-svt-parc

851 – 852 – 853
Lundi 9 mars 2015
DEVOIR SURVEILLE
n°5
GEOLOGIE
durée 3 h
Le sujet comporte 10 pages, il vous est conseillé de prendre connaissance de la totalité du sujet avant de
commencer. Les exercices proposés sont indépendants et sont tous à traiter.
Il sera tenu compte de la qualité de la présentation et de la rédaction (orthographe, grammaire,
précision de l’expression).
Des réponses concises sont indispensables pour permettre de traiter l’ensemble du sujet.
L’usage de calculatrices électroniques de poche à alimentation autonome, non imprimantes et sans document
d’accompagnement, est autorisé. Cependant, une seule calculatrice à la fois est admise sur la table et aucun
échange n’est autorisé entre les candidats.
Dans tout le sujet, les valeurs numériques suivantes pourront être utilisées :
3
Masse volumique de la croûte continentale : 2.7 10 kg.m
3
Masse volumique de la croûte océanique : 2.9 10 kg.m
-3
-3
3
Masse volumique du manteau lithosphérique : 3.2 10 kg.m
3
Masse volumique des roches sédimentaires : 2.0 10 kg.m
3
Masse volumique de l’eau liquide : 1.0 10 kg.m
-3
-3
-3
1
Partie 1 : Gravimétrie et isostasie (durée conseillée 1h30)
Exercice A : En milieu continental
Les documents 1 et 2 fournissent quelques données de géophysique sur la Scandinavie :
(source : http://www.mantleplumes.org/Scandes.html)
Document 1. Carte topographique et bathymétrique (a) et anomalie de Bouguer (b) en Scandinavie.
(Les lignes noires sur la carte b, indiquant des zones sismiques, n’ont pas à être prises en compte).
Document 2. Carte de profondeur du Moho (a) et carte des anomalies isostatiques (b) en Scandinavie.
Sur la carte a, les couleurs indiquent la profondeur du Moho déduite du modèle d’Airy, les courbes noires
correspondent à la profondeur du Moho déduite des données sismiques.
1. Définir l’anomalie de Bouguer et indiquer sa méthode d’obtention, puis interpréter les valeurs observées
en Scandinavie (Document 1).
2
2. Expliquer comment on utilise les données du document 2a pour déterminer les anomalies isostatiques
puis interpréter les anomalies constatées en Scandinavie (document 2b).
Le document 3 fournit l’évolution, le long d’un profil orienté Nord-Ouest / Sud-Est au travers des Alpes francoitaliennes, des anomalies de Bouguer et des masses volumiques estimées.
Document 3a (ci-contre).
Carte des anomalies de
Bouguer et localisation du
profil du document 3b (trait
gras
terminé
par
deux
flèches).
Localisation de Briançon
Document 3b (ci-dessous).
Modèle de densité de la
croûte continentale le long
du profil représenté sur la
carte 3a.
Ce modèle intègre des
données gravimétriques et
sismiques
(les
hachurés
représentent des réflecteurs
sismiques importants).
e
(D’après : Dercourt J. « Géologie et géodynamique de la France » Dunod Ed., 3 éd. 2002).
3. Calculez la position attendue du Moho à Briançon, ville située à 1 326 m d’altitude, en supposant que cette
portion de lithosphère est à l’équilibre, et que la croûte continentale possède une densité homogène.
4. En utilisant les informations fournies par le document 3 :
a. Indiquez si la valeur utilisée pour la masse volumique de la croûte continentale dans le calcul
précédent est plausible.
b. Confrontez la position du Moho calculée précédemment à celle proposée dans le modèle.
3
Dans ce secteur l’érosion moyenne est de l’ordre de 0,5 mm/an.
5. En supposant que seule l’érosion intervient, calculer en combien de temps le secteur de Briançon
atteindra 500 m d’altitude.
On suppose que :
-
le secteur étudié a une altitude moyenne de 1 300 m sur une longueur de 100 km et une largeur de 20 km,
-
les matériaux érodés – dont la hauteur a été calculée à la question 5 – se déposent dans un bassin sédimentaire
de 100 km de longueur et 80 km de largeur.
6. Calculer la hauteur de sédiments déposés correspondant au matériel érodé.
7. Calculer la subsidence occasionnée par le dépôt des sédiments dans le bassin sédimentaire.
Exercice B : en milieu océanique
1. Représenter l’épaisseur de la lithosphère sur une coupe au travers d’un océan possédant les
caractéristiques suivantes :
-
la dorsale est médio-océanique,
-
la marge occidentale est passive,
-
la marge orientale est active.
2. Indiquer quelle est la profondeur moyenne des dorsales, celle des plaines abyssales.
3. Nommer et expliquer le phénomène responsable de la variation de profondeur du plancher océanique
observée depuis la dorsale jusqu’aux abysses.
La loi empirique qui relie la profondeur P du plancher océanique à son âge t (en négligeant le poids des sédiments)
est donnée par :
P(t) = 350 √ t + 2 500
avec t en Ma (millions d’années) et P en m.
On considère une île océanique intraplaque, de nature volcanique, de 2 000 m d’altitude, installée sur une portion de
lithosphère océanique âgée de 25 Ma.
4. En utilisant les données précédentes, calculer quelle devrait être la hauteur totale de l’édifice volcanique
qui constitue cette île.
Le document 4 (p. suivante) présente des données topographiques et gravimétriques du secteur des îles Hawaï, îles
volcaniques océaniques intraplaques.
5. A partir de l’analyse de ce document, indiquer quel est l’effet d’un édifice volcanique sur la lithosphère
océanique qui le supporte.
4
Document 4. Représentations 3D de la topographie (A) et de l’anomalie gravimétrique à l’air libre (B) au
voisinage des îles Hawaï.
(source : sujet du CAPES externe de SVT, 2010).
6. On cherche à prendre en compte cet effet. En appliquant le modèle d’Airy, calculer la nouvelle hauteur totale
de l’île précédemment étudiée (question 4). Pour cela, on assimile le volcan à un parallélépipède et on suppose
que la masse volumique des matériaux de l’édifice volcanique est identique à celle de la croûte océanique.
Commenter le résultat obtenu et proposer une explication.
L’archipel de la Société, qui comprend notamment l’île de Tahiti, est situé dans le Pacifique Sud. Il est constitué d’un
alignement d’îles volcaniques. Trois d’entre elles sont présentées dans le document 5.
b
a
c
Document 5. Trois îles de l'archipel de la Société situé
dans l'océan Pacifique.
Ces îles sont alignées, de la plus jeune (a) à la plus
ancienne (c).
Les récifs repérés sur les photos sont dus à des coraux,
organismes constructeurs aux exigences strictes
concernant leur milieu (eaux chaudes de salinité moyenne
et bien oxygénées, faible profondeur).
Les vallées incisées (b) sont dues à l’érosion par les cours
d’eau.
7. En s’appuyant sur les principales caractéristiques
morphologiques de ces îles, expliquer leur évolution.
5
On trouve dans l’océan Pacifique des édifices volcaniques sous-marins dont l’aspect est montré sur le document 6.
Document 6. The Bear Seamount, un édifice sous-marin de l’alignement Empereur-Hawaï (vue 3D de la
bathymétrie des fonds marins).
8. Commenter la morphologie de cet édifice et proposer une explication à celle-ci.
6
Partie 2 : Géodynamique de la lithosphère océanique (durée conseillée : 30 min)
Document 7. Carte des anomalies magnétiques
enregistrées dans un secteur voisin d’une dorsale
océanique.
Les anomalies positives sont représentées en noir, les
anomalies négatives en blanc.
L’axe de la dorsale est représenté par les flèches.
Le trait en pointillés est une faille transformante.
Le trait continu représente la trajectoire de mesure du géoïde
du document 7.
1. Schématiser la zone étudiée, et représenter sur ce
schéma :
- la localisation des séismes,
- les types de mécanisme au foyer de ces séismes
susceptibles de se produire au niveau :

de l’axe de la dorsale,

de la faille transformante.
2. Expliquer ce que signifie « anomalie magnétique
positive » ou « négative ». Réponse possible sous la forme
d’un schéma.
3. Indiquer quelles sont les roches qui enregistrent ces anomalies, et quelles propriétés le leur permettent.
4. Expliquez la répartition des anomalies magnétiques de part et d‘autre de la dorsale. Un croquis légendé
peut constituer tout ou partie de la réponse.
Distance du Sud-Ouest au Nord-Est
Document 7. Profil de hauteur du géoïde mesuré par un satellite altimétrique qui traverse à angle droit la
zone de fracture de la carte (selon une trajectoire indiquée par le trait fin continu sur le document 6).
5. Analyser et interpréter le profil du géoïde présenté dans le document 7.
7
Partie 3 : Convection troposphérique (durée conseillée 20 min)
À partir des données fournies par les stations météorologiques au sol, on peut schématiser les zones de mauvais
temps (appelées perturbations météorologiques).
Une perturbation se compose de deux types de limites, appelés fronts :
-
lorsque de l’air chaud avance vers de l’air froid, la limite est appelée front chaud,
-
lorsque de l’air froid avance vers de l’air chaud, la limite est appelée front froid.
Au cours de ces conflits de masses d’air, l’air chaud passe au-dessus de l’air froid, qui a tendance à descendre.
1. Expliquer comment ce phénomène est lié à la formation de masses nuageuses.
Document 8. Carte des pressions
des masses d’air en Europe.
Cette carte a été construite à partir
d’observations effectuées au sol.
Les isobares sont des courbes
d’égale pression (unité :
hectoPascal).
(Les zones d’air froid et d’air chaud
sont délimitées par les fronts - froid
ou chaud - et les lignes en pointillés).
2. Que se passe-t-il dans les
secteurs indiqués « occlusion » ?
Dans
ceux
indiqués
« marais
barométrique » ?
3. Délimiter approximativement la zone nuageuse sur le document 8 et la colorier (découper et coller le
document sur votre copie).
4. Après avoir énoncé la règle de circulation des vents dans la région étudiée (région tempérée de
l’hémisphère Nord), indiquez par des flèches le sens de circulation des vents :
-
à Marseille,
- au Nord de l’Écosse.
8
Partie 4 : Diagramme de phase et structure du manteau martien (40 min)
Comme la Terre, Mars est une planète rocheuse dont la masse est importante. Tout corps à sa surface est soumis
à son attraction gravitationnelle, il chute.
1. En vous appuyant sur l’écriture des forces mises en jeu, déterminer la valeur de la gravité g à la surface
de Mars.
densité moyenne de Mars M = 5,5 g.cm
-3
rayon de Mars RM = 3 400 km
G = 6,67. 10
-11
3
-1
m .kg .s
-2
2. Calculer, à l'aide du diagramme de phase de l'olivine (document 1 p. suivante), vers quelle profondeur se
font les transitions de phase olivine alpha  olivine beta-gamma d'une part et olivine beta-gamma 
pérovskite + magnésiowüstite d'autre part.
Rappel : la relation entre pression et profondeur est obtenue en utilisant la relation p = ρgh avec ρ la densité
-3
moyenne du manteau martien (3,8 g.cm ), g la constante de gravitation sur Mars et h la profondeur.
Remarque : le calcul est ici réalisé en considérant que la température est égale à la température moyenne du
manteau terrestre.
3. Indiquer quelle est la principale source de chaleur terrestre.
On considère que, Mars étant deux fois plus petit que la Terre, cette source de chaleur est deux fois moindre sur
Mars.
4.1. Rappeler la valeur de la température à la limite lithosphère- asthénosphère.
4.2. Estimer la valeur de la température à la base du manteau terrestre en prenant un gradient thermique
moyen de 0,3 K. km
-1.
4.3. Calculer la température moyenne du manteau terrestre : ½ . (Tmax + Tmin)
4.4. Calculer la température moyenne du manteau martien.
6
-1
5. Sachant que la pente de la transformation olivine alpha  olivine beta-gamma vaut 3.10 Pa.K et que la pente
6
-1
olivine beta-gamma  pérovskite + magnésiowüstite vaut - 4.10 Pa.K , indiquer la pression à laquelle se font
les transitions de phase dans le manteau martien.
En déduire la profondeur des transitions de phase.
Rappel : la pente de la droite de transformation est dP/dT. Prendre comme température et pression de référence
celles de la transition de phase dans la Terre.
6. Des analyses chimiques des météorites martiennes montrent que les olivines du manteau martien contiennent
20% de fer contre 10% sur Terre.
A l'aide du diagramme de phase p. suivante (document 2), comparer l'épaisseur des transitions de phases
dans le manteau martien.
7. Proposer un schéma récapitulatif de la structure du manteau martien. On considérera que Mars possède un
noyau de 1400 km de rayon.
9
Document 1. Diagramme de phase de l'olivine en fonction de la pression et de la température.
Document 2. Diagramme de phase de l'olivine en fonction de la pression et de la teneur en fer.
D'après T. Ferroir (ENS – Lyon)
10