ChReact_WP4_EUPRB-Marsologie-VF
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1 Ce projet a reçu un financement dans le cadre du 7ème programme-cadre de l'Union Européenne pour la recherche et le développement technologique sous l'agrément n°[321278]. EUPRB MARS-ologie Domaine conceptuel Situation Investigation Production Durée indicative Volcans, roches magmatiques, cristallisation, écoulement de liquides visqueux, Mars Les élèves sont des chercheurs d’un Institut de Planétologie et d’Astrophysique qui répondent à un appel à projets de la NASA. Analyse de documents et travail expérimental (étude de l’influence de quelques paramètres -température, composition…- sur la vitesse d’écoulement de liquides visqueux qui simulent la lave) Rédaction d’une proposition de projet de recherche ou Poster et présentation dans le cadre d’une conférence 9 séances de 1h30 2 MARS-ologie Descriptif pour les professeurs Résumé Dans ce projet pédagogique, les élèves jouent le rôle de scientifiques d’un Institut de Planétologie et d’Astrophysique (IPA), qui travaillent en lien avec la NASA. La NASA prévoit de nouvelles explorations de Mars, et a demandé aux équipes avec lesquelles elle collabore à travers le monde, de leur soumettre des propositions sur le contenu de ces missions. Or, les scientifiques de l’IPA s’intéressent aux volcans martiens. Ils pensent que les volcans de Mars se seraient formés suivant les mêmes processus que sur Terre et ils aimeraient que la nouvelle mission de la NASA puisse confirmer leur hypothèse. Deux options sont possibles pour les productions : rédaction d’un projet de recherche ou participation à une conférence organisée par la NASA. Savoirs mis en jeu Les roches magmatiques sont issues de la solidification des roches en fusion (magma). Le magma peut remonter au travers de la croûte terrestre pour former des volcans. Lors d’une éruption volcanique, la roche fondue, appelée lave, forme, après refroidissement, les roches magmatiqueseffusives. Lorsque le magma se solidifie en profondeur à l’intérieur de la croûte terrestre, il forme les roches magmatiques plutoniques. Des roches magmatiquesdifférentes sont formées de différents minéraux. Les roches magmatiques sont composées de cristaux imbriqués de manière aléatoire. Si les cristaux sont petits, la roche provient d’une lave fluide qui s’est refroidie rapidement, comme c’est le cas lors d’une éruption volcanique. Si les cristaux sont gros, la roche est issue d’un magma qui a refroidi très lentement, sans doute en profondeur dans la croûte terrestre. Canevas Courrier électronique Ressources documentaires Parties 1 à 4 Investigation expérimentale Partie 5 Ressources documentaires Partie 6 Paragr p P Synthèse : rédaction du projet de recherche Synthèse : Préparation conférence Communication Communication 3 Compétences visées Mobiliser des notions et des modèles scientifiques pour expliquer des phénomènes Proposer diverses stratégies pour résoudre un problème Évaluer les risques et mettre en œuvre les consignes de sécurité au laboratoire Concevoir et réaliser un travail expérimental Obteniret enregistrerdes données provenant de sources primaires et secondaires Analyser des résultats de manière critique. Proposer un modèle cohérent avec les observations ou les mesures Utiliser des outils de communication appropriés, y compris les TICE, pourrendre compte de son travail et discuter des questions scientifiques. Cette activité est aussi l’occasion pour les élèves de : Rechercher, expérimenter, discuter et développer des arguments Réaliser une enquête indépendante ayant un aspect scientifique Partir d’exemples réels pour susciter la curiosité Prérequis Les élèves doivent connaître la structure interne de la Terre (croûte, manteau, noyaux interne et externe) ainsi que la tectonique des plaques (différentes causes d’activité volcanique, zones de subduction, points chauds). Déroulement La mise en œuvre de ce scénario pédagogique peut se faire suivant des modalités très variées. Deux options sont Voici par exemple un déroulement possible, sur 9 séances de 1h30. Séance 1 Séance 2 Séances 3à5 Séance 6 Séances7 et 8 Séance 9 Lancement Fiche « Résumé et gestion du projet », courriel Étude des ressources documentaires (parties 1 à 3) Étude des ressources documentaires (parties 4 et 5) Planification du travail expérimental (démarche, choix des paramètres, protocoles, fiche de sécurité) Classe entière Réalisation du travail expérimental Analyse des résultats Compte-rendu du travail expérimental Étude des ressources documentaires (partie 6) Liste des informations recueillies Élaboration du plan détaillé du projet de recherche ou de la présentation orale pour la conférence Rédaction de la production : rapport de recherche ou affiche et diaporama selon l’option prise Communication Présentation orale des travaux / sélection éventuelle En petit groupe Seul ou en binôme Seul ou en binôme Seul ou en binôme En petit groupe Seul ou en binôme En petit groupe Seul, en binôme ou en petit groupe 4 Indications pour la mise en œuvre A. Lancement L’enseignant remet aux élèves la fiche « Résumé et gestion du projet » qui récapitule le travail à faire et qui permet à chaque élève de gérer l’avancement de ses travaux. Ensuite l’enseignant remet à chaque groupe une copie du courrier électronique ainsi que le dossier documentaire. L’objectif consiste à rédiger une proposition de projet de recherche pour la NASA comportant une description des expériencesqui pourraient être réalisées lors d’une prochaine mission sur Mars.Le courriel incite les élèves à consulter attentivement les ressources documentaires. Le Directeur de Recherchey a ajouté des commentaires afin de suggérer une marche à suivre. B. Ressources documentaires Les trois premières parties sont censées être extraites d’un manuel de géologie pour débutants. Elles donnent des informations sur les volcans et les roches magmatiques. 1 –Formes des volcans La description des volcans est simplifiée, onne distingue que deux types de volcans : les volcans en forme de cône et les volcans boucliers. La notion defacteur de forme est introduite pour que les élèves puissent l’utiliser lorsqu’ils traiteront les données fournies afin de déterminer si un volcan est de type cône ou bouclier. Le calcul associé (diamètre/hauteur) est facile à réaliser si les données sont exprimées dans la même unité. L’extrait présente le lien entre le facteur de forme et le type de volcan. Les élèves sont amenés à penser que la méthode d’étude des volcans de la Terre peut être appliquée aux volcans de Mars. Certains élèves vont peut-être suggérer de renforcer l’étude des formes des volcans par des analyses géologiques.Ils peuvent donc proposer que la prochaine mission sur Mars prélève des échantillons des sols volcaniques martiens. 2 – Composition géologique Les élèves vont prendre connaissance de l’effet de la durée du refroidissement sur la taille des cristaux présents dans les roches magmatiques (plus la durée du refroidissement est longue, plus les cristaux sont gros). Cela peut conduire certains élèves à suggérer demesurer la taille des cristaux. 3 –Localisation Ce document indique où les volcans se trouvent sur Terre et comment ils se forment. 4 –Caractéristiques des principaux volcans 5 Les élèves doivent appliquer la définition du facteur de forme (vue dans la première partie) aux volcans terrestres. Les élèves devraient remarquer que les FF inférieurs à 10 correspondent aux volcans en forme de cône, et les FF plus élevés aux volcans boucliers. Nom Mauna Loa Maui Mont Fuji Ténérife Mont St Hélène La Palma Tahiti Nevado Ojos Del Salado Gran Canaria Great Sitkin Kanaga Moffett Réunion Hauteur (km) 4,169 3,085 3,776 3,715 2,549 2,423 2,235 5,887 1,949 1,740 1,312 1,200 2,631 Diamètre (km) 90 40 30 40 25 30 30 8 45 9 10 9 35 FF (d/h) 22 13 8 11 10 12 13 1 23 5 8 7 13 Les élèves passent ensuite à l’exploitation des données sur les volcans martiens. Ils doivent calculer leurs facteurs de forme eten déduire qu’il n’existe que des volcans boucliers sur Mars.Pour confirmer cette conclusion, les élèvesdevraient alors avoir l’idée d’analyser les roches des volcansmartiens pour vérifier qu’elles se ressemblent. L’absence de volcans de type cône, liés aux zones de subduction sur Terre, peut conduire les élèves à suggérer que Mars ne présente pas d’activité tectonique. La moyenne des facteurs de forme des volcans martiensest de 22, mais leurs valeurs varient entre 28 et 18. Cet intervalle correspond-ilà des volcans composés de roches du même type ? S’ils se posent cette question, les élèves pourraient alors proposer que la mission martienneétudie en priorité les roches des volcans ayant des facteurs de forme élevés et bas. Volcan Olympus Mons Ascraeus Mons UraniusTholus Ulysses Tholus Elysium Mons Hecate Tholus Hauteur (km) 23 17 3,5 4,0 9,0 6,0 Diamètre (km) 520 400 83 91 170 170 FF (d/h) 23 23 24 23 19 28 5 –Suggestions pour l’investigation expérimentale Les commentaires ajoutés par le Directeur de Recherche rappellent aux élèves l’objectif de l’activité : proposer une expérience pour la prochaine mission sur Mars afin de confirmer l’idée que les volcans sur Mars se sont formés selon les mêmes processus que sur Terre. Le 6 Directeur leur suggère de s’intéresser à l’effet de la composition de la lave sur son écoulement. Une méthode simple permettant d’étudier un écoulement est décrite, elle pourrait être utilisée par les élèves (les chercheurs utilisent souvent une méthode déjà existante pour collecter des données, et ils ne réalisent pas de recherches sans s’inspirer de travaux antérieurs). Certains élèves feront un lien entre les conclusions de leur travail expérimental et les conclusions de leurs analyses documentaires. Le travail expérimental devrait montrer que des substances différentes possèdent des propriétés d’écoulement différentes. Détails concernant la réalisation des expériences Les expériences d’écoulement peuvent être réalisées avec n’importe quel liquide visqueux. Les variables que les élèves pourraient étudier sont la température du liquide, le type de liquide (sirop, sirop de mélasse, miel, gelée, diverses huiles…), la teneur en cristaux (en variant la quantité de silice ajoutée) ainsi que la teneur en gaz (en incorporant des bulles d’air dans le liquide à l’aide d’une fine pipette). Les élèves peuvent soit mesurer la distance parcourue pendant un temps donné, ou la durée d’un parcours d’une certaine distance. Les élèves qui travaillent sur d’autres facteurs que la température devraient faire des essais afin de déterminer à quelle température réaliser leurs tests. Un sirop froid chargé avec des quantités variables de silice aura un écoulement lent. Un sirop chauffé dans un bain-marie à environ 40°C aura un écoulement plus rapide et permettra de visualiser plus clairement les effets de la variation de la quantité de silice. À la place d’un carreau blanc en faïence, on peut utiliser une lame de microscope. Il est de votre responsabilité d’établir votre propre fiche de sécurité pour les expériences envisagées. Les lunettes de sécurité devront être portées lors des manipulations utilisant les liquides visqueux, en particulier lorsqu’ils sont chauffés. 6 –Exploration des planètes Le document décrit quelques missions d’exploration martienne déjà réalisées et esquisse des pistes d’investigation pour des missions futures. Les élèves peuvent utiliser ce document et leurs idées personnelles pour rédiger leur rapport. C. Production Lorsque les élèves ont terminé tous les travaux précédents, ils doivent être en mesure de synthétiser ce qu’ils ont appris pour rédiger une proposition de projet de recherche, rédigée sous la forme d’un dossier ou d’un diaporama et d’un poster si le module est utilisé pour préparer la conférence nationale. Ce document inclura à la fois le rapport d’enquêtes ainsi que des suggestions pour mener une ou plusieurs expériences lors d’une mission sur Mars. Ces propositions doivent être accompagnées d’une argumentation. Par exemple « L’équipe de recherche pense que la prochaine mission sur Mars devrait recueillir des roches provenant d’un large éventail de volcans. D’après leurs formes, il semblerait que les volcans martiens soient du même type et 7 ils pourraient donc avoir la même origine. Cependant, la variation des facteurs de forme est suffisante pour laisser penser qu’il existe une différence dans leur composition géologique. Une étude plus approfondie pourrait donc permettre de faire la lumière sur l’origine des volcans martins, ce qui pourrait mener à de nouvelles découvertes sur la structure interne de cette planète ». Cet exemple est écrit dans un style professoral, mais il montre comment les connaissances acquises peuvent être utilisées pour formuler et justifier une proposition de recherche. Compléments sur les volcans de Mars à destination des professeurs Le Dôme de Tharsis L’un des édificesgéologiques les plus caractéristiques de Mars est le volcan bouclier. De bons exemples de volcans boucliers sont les volcans de Tharsis, facilement reconnaissables même sur une vue d’ensemble de la planète (Figure 1). Tharsis est une région de Mars composée de 12 grands volcans et de nombreux plus petits (Figure 2). La figure 2 présente les quatre volcans les plus importants de la région de Tharsis. Le principal volcan de cette région (et également de la planète) est l’Olympus Mons (Figure 3). Sa structure est circulaire et son diamètre mesure environ 550 km (ce seul volcan pourrait s’étendre sur toute la chaîne des îles hawaïennes). Il culmine à 25 km au-dessus de la plaine environnante. Un tel relief est supérieur à la distance entre le sommet de l’Himalaya et le fond de la Fosse des Mariannes, qui est de 22 km seulement. Figure 1 Figure 2 Figure 3 Une caldeira (zone de dépression à fond plat) est présente au sommet de ce volcan (Figure 4). Une caldeira ne correspond pas à une cheminée d’où serait sorti le magma en éruption ; en fait, elle résulte de l’effondrement du sommet du volcan lorsque le magma s’est échappé de la chambre magmatique. Comme tous les volcans boucliers sur Terre, la pente est douce comme on peut l’observer sur cette vue tridimensionnelle reconstituée (Figure 5). Figure 4 Figure 5 8 La base du volcan peut former une falaise abrupte de plusieurs kilomètres de hauteur. À l’origine, le volcan s’est probablement effondré doucement sur la plaine environnante. Des glissements de terrain successifs ont produit les falaises. Ces glissements ont provoqué un recul des falaises vers le sommet. Dans certaines régions, des coulées de lave plus jeunes ont coulé sur la base escarpée et ont rétabli un contour plus lisse à la base. La figure 6 est une vue plus récente de l’Olympus Mons prise par la sonde Mars Global Surveyor en septembre 1998. Figure 6 Figure 7 L’Elysium Une autre zone volcanique, appelée l’Elysium, est située à proximité du site d’atterrissage de Viking II (Figure 7). Cette région est caractérisée par trois grands volcans. Les régions de Tharsis et d’Elysium sont situées au-dessus d’un renflement de la croûte martienne. Cela suggère qu’elles pourraient être le résultat de phénomènes thermiques qui se sont produits dans les profondeurs de Mars et qui auraient causé un soulèvement à la surface avec des éruptions de magma. Les remontées du manteau, schématisées sur la figure 8, peuvent expliquer la formation de ces volcans. La plupart des volcans boucliers de l’Elysium partagent des traits morphologiques semblables à ceux de l’Olympus Mons, sauf qu’ils sont plus petits en taille. En général, ils semblent assez récents, comme en témoigne l’absence de cratères d’impact. L’Olympus Mons est estimé à seulement 200 millions d’années. Si cette estimation est correcte, lorsqu’Olympus Mons est entré en éruption, lesdinosaures régnaient sur la Terre. Figure 8 9 En plus des volcans présents dans ces deux régions, de petits volcans boucliers sont dispersés à travers toute la planète. Biblis (Figure 9) et Ulysses (Figure 10) en sont deux exemples. En effet, ils ont de petits boucliers (d’environ 100 km de diamètre). Cependant, à cause de leur large caldeira, certains scientifiques ont suggéré qu’ils pourraient être les restes de grands volcans boucliers qui ont été enterrés. Figure 9 Figure 10 Figure 11 Vue 3D reconstruite d’Ulysses. Cette vue montre clairement la forme de galette de ce volcan. Patera Il s’avère que le plus grand édifice volcanique de Mars n’est pas un volcan bouclier. En effet, il existe une zone avec peu de reliefs mais avec une large caldeira appelée Alba Patera. Elle est située dans la région de Tharsis, juste au nord de l’Olympus Mons (Figure 12). Son diamètre est de plus de 1 500 km. La partie centrale de la structure est entourée par un réseau circulaire de fractures. Figure 12 Elle a probablement été formée par une série de processus volcaniques et tectoniques complexes. Ce type de structure est unique sur Mars et n’a jamais été observé sur aucune autre planète. D’autres pateras ont également été découvertes dans les hautes terres du sud. La figure 13 est une vue d’un ancien volcan nommé Apollinaris Patera. On peut remarquer sa forme assez plate, comme celle d’une crêpe. Une autre patera des hautes terres du sud est Tyrrhena Patera (Figure 14). C’est un volcan très ancien et assez dégradé, d’environ 300 km de diamètre. Figure 13 Figure 14 10 Sur la base d’un comptage des cratères d’impact, Tyrrhena Patera est estimé à au moins 3 milliards d’années. Cela signifierait que le volcanisme a existé pendant presque toute l’histoire martienne. Certaines des plus anciennes éruptions ont dû être des événements explosifs puisqu’il devait y avoir de l’eau(liquide ou solide) à la surface de la planète. Plaines de lave (volcanisme de plaine) La plupart des coulées de lave finissent par former de vastes plaines volcaniques sur Mars. Environ 60 % de la surface de Mars est recouverte de plaines. Contrairement à la Lune ou Mercure, on ne peut conclure de façon définitive que ce sont des plaines volcaniques car elles pourraient être des plaines alluviales formées par un processus hydraulique ou encore des plaines de dépôts de poussières formées par des processus éoliens. Le volcanisme de plaine peut être identifié par ses fronts de coulées de lave (Figure 15). Sur cette image, on observe la lave qui a rempli deux anciens cratères. On distingue bien la plaine de lave lisse et l’ancienne surface rugueuse. Figure 15 Figure 16 La figure 16 montre le front de la coulée de lave s’étendant à partir du coin supérieur droit de l’image. Les rides rugueuses et parallèles représentent probablement la surface de la coulée qui se froisse au fur et à mesure qu’elle avance. Le front forme une falaise d’environ 30 m de hauteur. Les particules de poussièrese sont accumulées au pied de la falaise, elles forment la zone claire de l’image. Comment identifier des plaines de lave ? Un autre signe indiquant l’origine volcanique d’une plaine est la présence de cônes volcaniques (Figure 17). Au milieu de cette image, on aperçoit un cône d’environ 4 km de diamètre avec une caldeira allongée. De petits cônes avec une fosse au sommet peuvent aussi être observés dans les plaines de lave (Figure 18). La plupart des cônes visibles sur Figure 17 cette photo mesurent environ 500 m de diamètre. Leur alignement peut être lié à la présence d’une faille tectonique. La façon dont ils se sont formés n’est pas connue, la viscosité de la lave a probablement joué un rôle. Figure 18 11 Pour identifier des plaines de lave, on peut aussi chercher à repérer des contrastes sur sa surface lisse (Figure 19). La présence de crêtes est un signe distinctif car pour qu’elles se forment, il faut une surface dure, comme celle d’une coulée de lave (Figure 20). Figure 19 Figure 20 Mars-ologie Dossier élève Résumé de projet et lettre de mission Version sans but de participation aux conférences 1 Mars-ologie Résumé et gestion du projet Ce que vous allez faire Vous êtes un nouveau chercheur de l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique (IPA).La NASA a proposé aux scientifiques du monde entier de leur soumettre des idées d’expériences pour les prochaines missions d’exploration sur Mars. Avec votre équipe de recherche, vous allez répondre à cette demande et donc élaborer un projet de recherche. Ce que vous allez apprendre Les roches magmatiques sont issues de la solidification des roches en fusion (magma). Le magma peut remonter au travers de la croûte terrestre pour former des volcans. Lors d’une éruption volcanique, la roche fondue, appelée lave, forme, après refroidissement, les roches magmatiqueseffusives. Lorsque le magma se solidifie en profondeur à l’intérieur de la croûte terrestre, il forme les roches magmatiques plutoniques. Des roches magmatiquesdifférentes sont formées de différents minéraux. Les roches magmatiques sont composées de cristaux imbriqués de manière aléatoire. Si les cristaux sont petits, la roche provient d’une lave fluide qui s’est refroidie rapidement, comme c’est le cas lors d’une éruption volcanique. Si les cristaux sont gros, la roche est issue d’un magma qui a refroidi très lentement, sans doute en profondeur dans la croûte terrestre. Ce que vous devez produire Vous devrez rédiger un projet de recherche pour la NASA qui décrit des expériences qui pourraient être menées lors d’une prochaine mission sur Mars. Votre rapport prendra la forme d’un dossier que vous serez amené à présenter aux autres équipes. Au fur et à mesure de l’avancement de votre projet, vérifiez que vous produisez les documents intermédiaires suivants : Prise de notes sur les ressources documentaires Tableau récapitulant les caractéristiques des différents types de volcans Calculs des facteurs de forme pour les volcans terrestres Calculs des facteurs de forme pour les volcans martiens Recueil des premières idées d’expériences pour les missions martiennes Protocole expérimental détaillé, fiche de sécurité Résultats expérimentaux Liste des informations recueillies Description argumentée d’expériences possibles pour les missions martiennes Plan détaillé du projet de recherche À l’issue du projet, vous présenterez et défendrez votre projet de recherche lors d’un séminaire interne qui réunira les différentes équipes. Prévoyez un poster ou un diaporama. 2 Institut de Planétologie et d’Astrophysique De : Directeur de l’IPA À: Équipes de recherches :chercheurs nouvellement intégrés Objet: Prochaines missions sur Mars La NASA vient de diffuser un appel à projets pour les prochaines missions d’exploration sur Mars, et nous aurions tort de passer à côté de cette formidable occasion d’approfondir nos travaux ! Je souhaite donc que nous répondions à cet appel à projets et je vous confie la rédaction d’une proposition de projet de recherche, rédigée sous la forme d’un dossier. Puisque vous venez de rejoindre l’IPA, je vous envoie en pièces jointes un certain nombre de documents de référence. Vous devrez les lire puis réaliser un travail expérimental pour appuyer votre proposition. Nos précédents travaux, en particulier ceux sur la forme des volcans, laissent penser que les structures géomorphologiques qui sont similaires sur la Terre et sur Mars résultent de processus qui se sont déroulés de manière similaire sur ces deux planètes. Pour le confirmer, nous pourrions proposer que des échantillons de roches soient prélevés sur différents sites, et il faudrait préciser quels sites sont intéressants et pourquoi. D’autres équipes travailleront sur d’autres aspects du projet, vous serez donc autonomes la plupart du temps. Pour vous guider, vous pourrez constater que j’ai ajouté des commentaires sur les documents joints. Puisque les membres de votre équipe ne sont pas forcément spécialisés en géologie, je vous adresse aussi des documents fournissant des informations de base. Vous aurez besoin de les comprendre pour mener à bien votre travail. Votre proposition de projet de recherche devra comporter: un résumé des connaissances expliquant le lien entre les différents types de volcans et les processus qui ont lieu au sein de la croûte terrestre ; un compte-rendu de toutes les investigations que vous aurez réalisées ; des propositions d’expériences pour la prochaine mission sur Mars, afin d’étayer les conclusions de nos précédents travaux ; des propositions de sites de prélèvement. Avec toute ma considération et toute ma confiance, Le Directeur 1 Mars-ologie Dossier élève Résumé de projet et lettre de mission Version destinée à préparer les conférences 1 Mars-ologie Résumé et gestion du projet Ce que vous allez faire Vous êtes un nouveau chercheur de l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique (IPA).La NASA a proposé de réunir des scientifiques du monde entier pour leur permettre de soumettre des idées d’expériences pour les prochaines missions d’exploration sur Mars. Avec votre équipe de recherche, vous allez participer à cette conférence. Ce que vous allez apprendre Les roches magmatiques sont issues de la solidification des roches en fusion (magma). Le magma peut remonter au travers de la croûte terrestre pour former des volcans. Lors d’une éruption volcanique, la roche fondue, appelée lave, forme, après refroidissement, les roches magmatiques effusives. Lorsque le magma se solidifie en profondeur à l’intérieur de la croûte terrestre, il forme les roches magmatiques plutoniques. Des roches magmatiques différentes sont formées de différents minéraux. Les roches magmatiques sont composées de cristaux imbriqués de manière aléatoire. Si les cristaux sont petits, la roche provient d’une lave fluide qui s’est refroidie rapidement, comme c’est le cas lors d’une éruption volcanique. Si les cristaux sont gros, la roche est issue d’un magma qui a refroidi très lentement, sans doute en profondeur dans la croûte terrestre. Ce que vous devez produire Vous devrez préparer la présentation d’un projet de recherche pour la NASA qui décrit des expériences qui pourraient être menées lors d’une prochaine mission sur Mars. Votre présentation sera constituée d’un poster et d’une présentation de 10 minutes. Au fur et à mesure de l’avancement de votre projet, vérifiez que vous produisez les documents intermédiaires suivants : Prise de notes sur les ressources documentaires Tableau récapitulant les caractéristiques des différents types de volcans Calculs des facteurs de forme pour les volcans terrestres Calculs des facteurs de forme pour les volcans martiens Recueil des premières idées d’expériences pour les missions martiennes Protocole expérimental détaillé, fiche de sécurité Résultats expérimentaux Liste des informations recueillies Description argumentée d’expériences possibles pour les missions martiennes Plan détaillé du projet de recherche et de votre présentation À l’issue du projet, vous présenterez et défendrez votre projet de recherche lors d’un séminaire interne qui réunira les différentes équipes. 2 Institut de Planétologie et d’Astrophysique De : Directeur de l’IPA À: Équipes de recherches : chercheurs nouvellement intégrés Objet: Prochaines missions sur Mars La NASA vient de diffuser un appel à participation à un colloque pour discuter les objectifs des prochaines missions d’exploration sur Mars, et nous aurions tort de passer à côté de cette formidable occasion d’approfondir nos travaux ! Je souhaite donc que nous répondions à cet appel à et je vous confie la rédaction d’une proposition de projet de recherche, rédigée sous la forme d’un poster et d’une présentation orale de 10 minutes. Puisque vous venez de rejoindre l’IPA, je vous envoie en pièces jointes un certain nombre de documents de référence. Vous devrez les lire puis réaliser un travail expérimental pour appuyer votre proposition. Nos précédents travaux, en particulier ceux sur la forme des volcans, laissent penser que les structures géomorphologiques qui sont similaires sur la Terre et sur Mars résultent de processus qui se sont déroulés de manière similaire sur ces deux planètes. Pour le confirmer, nous pourrions proposer que des échantillons de roches soient prélevés sur différents sites, et il faudrait préciser quels sites sont intéressants et pourquoi. D’autres équipes travailleront sur d’autres aspects du projet, vous serez donc autonomes la plupart du temps. Pour vous guider, vous pourrez constater que j’ai ajouté des commentaires sur les documents joints. Puisque les membres de votre équipe ne sont pas forcément spécialisés en géologie, je vous adresse aussi des documents fournissant des informations de base. Vous aurez besoin de les comprendre pour mener à bien votre travail. Votre proposition de projet de recherche devra comporter: un résumé des connaissances expliquant le lien entre les différents types de volcans et les processus qui ont lieu au sein de la croûte terrestre ; un compte-rendu de toutes les investigations que vous aurez réalisées ; des propositions d’expériences pour la prochaine mission sur Mars, afin d’étayer les conclusions de nos précédents travaux ; des propositions de sites de prélèvement. Avec toute ma considération et toute ma confiance, Le Directeur Mars-ologie Dossier élève Apport documentaire Voici quelques pages provenant d’un manuel de géologie : elles expliquent pourquoi il existe différentes formes de volcans. Ces pages comportent aussi des tableaux de données et j’ai ajouté quelques commentaires personnels au fur et à mesure. Ressources 1. Formes des volcans Les volcans sur Terre sont de tailles et de formes différentes, mais nous pouvons les regrouper en deux catégories : les volcans boucliersqui ont une pente faible et des diamètres importants, les volcans en forme de cônes qui sontplus raides et étroits. Une manière simple de décrire la forme d’un volcan se fait grâce à son facteur de forme (FF).Il peut être calculé de la façon suivante: Notez cette équation : vous aurez besoin de l’utiliser plus tard pour calculer des valeurs de FF. Facteur de forme = diamètre / hauteur Figure 1 :Forme des volcans Allure transversale d’un volcan bouclier Diamètre large pente faible Allure transversale d’un volcanen forme de cône Petit diamètre Donc la forme du volcan dépend, du moins en partie, de la composition de la lave. Ce point est très important. La taille des cristaux nous donne également des indications sur la durée du refroidissement de la lave. Je suis sûr que ces éléments peuvent être utilisés comme point de départ pour une mission de recherche sur Mars ! pente raide Les volcans se forment lorsque la roche en fusion (magma) s’échappe du sol.Le magma est appelé lave lorsqu’il coule à la surface de la Terre. La lave refroidit et se solidifie pour former une roche. Si la lave s’écoule sur une longue distance, il se forme un volcan bouclier peu profond. Si elle ne coule pas aussi loin, il se forme un côneou un dôme. Il existe aussi des volcans en forme de cône qui sont faits des cendres issues d’éruptions explosives. Si la lave refroidit rapidement, les cristaux qu’elle contient n’ont pas le temps de se développer et sont donc très petits. 2. Composition géologique Les roches provenant de la solidification d’un magma sont appelées roches magmatiques. Celles qui se formentpar la solidification en profondeurd’un magma sont lesroches magmatiquesplutoniquestandis que les roches qui se forment par la solidification en surface de lavessont appelées roches magmatiqueseffusives. Certaines projections, blocs, lapilli, cendres, peuvent donner des conglomérats après leur retombée au sol ; ces « cendres »issues d’unvolcanne ressemblent en rien au produit de la combustion du bois. Les roches magmatiques, dans leur ensemble, sont composées d’une grande variété de minéraux imbriqués de manière aléatoire : la présence et la concentration de ces minéraux dépendent de la composition du magma originel. En plus des minéraux, les laves peuvent aussi contenir des particules solides (telles que des cristaux déjà formés) et comporter des bulles de gaz. La présence de cristaux et de gaz affectent les propriétés d’écoulement de la lave. Lorsqu’elle s’écoule à la surface de la Terre, la lave refroidit rapidement. En se refroidissant, les cristaux commencent à se former. Mais comme le refroidissement est rapide, les cristaux n’ont pas le temps de se développer. En conséquence, les roches magmatiques effusives possèdent généralement de petits cristaux qui ne peuvent être vus qu’à la loupe. A contrario, les roches magmatiques plutoniques, formées en profondeur dans la croûte terrestre, possèdent de gros cristaux car le magma a mis beaucoup plus de temps à refroidir et se solidifier. Les volcans sont généralement constitués de basalte, de rhyolite ou d’andésite. Ces roches sont composées de différents mélanges de minéraux. Lorsqu’il est en fusion, le basalte est beaucoup plus fluide que larhyolite ou l’andésite. La rhyolite est une roche magmatique effusive mais elle est riche en silice, comme le granite, et elle comporte des cristaux clairement visibles à l’œil nu, comme les roches magmatiquesplutoniques. Le magma de rhyolite est très visqueuxsi bien qu’il produit des éruptions explosives avec beaucoup de cendres. Dans certaines conditions, il contribue à la formation d’unecaldeira (zone de dépression à fond plat située au sommet d’un volcan, qui résulte de l’effondrement du toit de la chambre magmatique). La composition de l’andésite est à mi-chemin entre celle du basalte et de la rhyolite. Les volcans d’andésite sont des cônes constitués d’un mélange de lave et de cendres. 3. Localisations Les volcans se situent : 1. Soit dans leszones de subduction, où une plaque tectoniques’enfonce sous une autre.Lors de la plongée d’une plaque sous l’autre,les roches hydratées fusionnent ce qui provoque la formation de magma qui monte au travers des roches environnantes. Une partie du magma peut atteindre la surface terrestre et s’échapper lors d’une éruption volcanique. Vous pourriez effectuer des expériences pour étudier ces deux facteurs. Figure 2 : Une zone de subduction 2. Soit auxpoints chauds.La remontée de matériaux du manteau profond peut conduire à la formation de magmaà la limite lithosphère/asthénosphère, c'est le volcanisme de point chaud. Celui-ci est indépendant des plaques,à la frontières entre plaques (cas de l’Islande) mais également au milieu des plaques (cas d’Hawaï ou de la Réunion). Figure 3 : Volcanisme de point chaud D’après les documents des parties 1, 2 et 3, les deux types de volcans correspondent à des types de laves différentes, des structures cristallines différentes et des localisations différentes. Pouvezvous clarifier tout cela ? La partie 3 montre que l’étude du volcanisme permet d’avoir des informations sur la structure de la croûte terrestre. La mission sur Mars pourrait rassembler des éléments pour voir si la croûte martienne est similaire à celle de la Terre (souvenez-vous en lorsque vous rédigerez la dernière partie de votre rapport !). Enfin, à la page précédente, il y des informations sur la taille des cristaux et sur ce que cela indique pour les roches magmatiques : cela suggère-t-il des expériences possibles pour la mission martienne ? 4. Caractéristiques des principaux volcans Le calcul des FF est plus pratique si vous convertissez les hauteurs en kilomètres. Volcans terrestres Nom Localisation Mauna Loa Maui Mont Fuji Ténérife Mont St Helens La Palma Tahiti Nevado Ojos Del Salado Gran Canaria Great Sitkin Kanaga Moffett Réunion milieu de plaque milieu de plaque zone de subduction milieu de plaque zone de subduction milieu de plaque milieu de plaque zone de subduction milieu de plaque zone de subduction zone de subduction zone de subduction milieu de plaque o o o o o Altitude (m)au-dessus du niveau de la mer 4 169 3 085 3 776 3 715 2 549 2 423 2 235 5 887 1 949 1 740 1 312 1 200 2 631 Diamètre (km) 90 40 30 40 25 30 30 8 45 9 10 9 35 Composition basalte basalte rhyolite basalte rhyolite basalte basalte rhyolite basalte rhyolite rhyolite rhyolite basalte Ce tableau provient de The International Geology Review. Vous pouvez calculer le facteur de forme de chaque volcan, et le classer soit comme un volcan bouclier (FF supérieur à 10), soit comme un volcan en forme de cône (FF inférieur à 10). Que peut-on déduire de ce tableau ? Certaines caractéristiques (comme par exemple la localisation et la forme) semblent-elles être liées ? Si vous ne l’avez pas déjà fait, il serait peut-être utile de synthétiser dans un tableau les principales caractéristiques des deux types de volcans… Vous devez maintenant exploiter les données concernant les volcans martiens (ci-dessous) et calculer leurs facteurs de forme. Vous pourrez utiliser les valeurs des facteurs de forme des volcans terrestres et martiens lorsque vous rédigerez la première partie de votre rapport. Volcans martiens Nom Diamètre (km) Olympus Mons Ascraeus Mons Uranius Tholus Ulysses Tholus Elysium Mons Hecate Tholus 520 400 83 91 170 170 Hauteur (m) 23000 17000 3500 4000 9000 6000 Vos calculs permettent-ils de conclure avec certitude qu’il existe différents types de lave sur Mars ? Qu’est-ce que cela implique pour les expériences que nous pourrions proposer ? 5. Suggestions pour votre investigation expérimentale Voici le schéma d’une expérience permettant de modéliser un écoulement de lave. Mesure du temps et de la distance parcourue Sirop Carrelage blanc en faïence (ou lame de microscope) Maintenant que vous avez travaillé sur l’aspect documentaire, vous pouvez réfléchir au protocole d’une expérience permettant d’étudier les facteurs qui affectent la forme des volcans. Souvenez-vous que nous essayons de trouver des éléments pour étayer notre théorie sur les volcans martiens (cf. mon courrier électronique), à savoir que les structures sur Mars sont causées par les mêmes processus que sur Terre. Peutêtre pourriez-vous étudier la vitesse d’écoulement d’un certain nombre de substances, afin de déterminer si leur composition affecte leur débit ? La température a-t-elle une influence sur la vitesse de l’écoulement ? Et la présence de cristaux ? Leur débit est-il lié à leur viscosité ? J’ai cherché dans différentes revues et j’ai trouvé un certain nombre d’articles relatant des expériences sur les débits de la lave. Dans ces expériences, les scientifiques n’utilisent pas de la lave réelle, mais simplement des substances qui s’écoulent comme de la lave. Assurez-vous de planifier soigneusement votre travail expérimental, en gardant à l’esprit la nécessité de contrôler toutes les variables sauf celle que vous allez faire varier (par exemple, la nature de la substance, la température ou la concentration des cristaux). Je vous conseille aussi de commencer par énoncer l’hypothèse sur laquelle vous travaillez, et d’expliquer sur quels arguments votre hypothèse est basée (utilisez vos propres connaissances et ce que vous avez appris dans les publications que vous avez lues). Comme vous n’êtes pas géologues, lorsque vous aurez terminé d’élaborer votre protocole, présentez-le moi afin que je puisse vous faire des propositions qui pourraient vous aider. Lorsque vous aurez terminé votre investigation et écrit votre rapport, transmettez-le-moi afin que nous puissionsréunir tous les résultats et les utiliser pour rédiger la proposition finale à la NASA. 6. L’exploration des planètes Extrait d’un ouvrage sur l’exploration planétaire, qui peut vous donner des informations utiles pour votre rapport. MARS La sonde Mariner 4 a survolé Mars en 1965 et a envoyé des images télévisées de sa surface. Les sondes Mariner 6 et 7 ont survolé Mars en 1969 et ont rapporté davantage d’images ainsi que des informations plus précises. Mars a révélé être un endroit froid et rocheux, son atmosphère est composée à 98 % de CO2, et la calotte de son pôle sud est constituée de CO2 gelé. En 1971, la sonde Mariner 9 a été mise en orbite autour de Mars et a envoyé des images pendant presqu’un an. Ces photos montraient des volcans et des vallées géantes, et elles comportaient des éléments indiquant que l’eau avait coulé à la surface de la planète dans le passé. Le premier atterrissage sur Mars a été réalisé par le module soviétique Mars 3, malheureusement il ne s’est écoulé que 20 secondes avant que la transmission ne soit interrompue. En revanche l’orbiteur de Mars 3 a envoyé des images pendant près d’un an. Les Américains ont eu plus de chance avec leurs sondes Viking 1 et 2 qui ont atterri en 1976. Ces sondes ont réalisé des analyses chimiques et biologiques qui n’ont pas pu mettre en évidence qu’il y avait des formes de viesur Mars. Les sondes Viking ont envoyé des photos (y compris en couleur) et des images 3D qui ont pu être utilisées pour déterminer l’altitude de plusieurs endroits. L’exploration des planètes se poursuit mais Mars reste la planète la plus intéressante car elle est celle qui ressemble le plus à la Terre. Des recherches sont réalisées sur sa structure interne et le programme Mars de la NASA continue à fournir des images fascinantes. Mais pour en savoir davantage, les scientifiques doivent se poser les bonnes questions et les explorations à venir doivent être planifiées avec soin. Si la vie a déjà existé sur Mars, quelles sont les chances qu’elle soit toujours présente ? À première vue, elles semblent minces : Mars est froide, sèche et inhospitalière, et il s’est écoulé plusieurs milliards d’années depuis l’époque où la planète était assez chaude pour accueillir de grandes quantités d’eau – un ingrédient essentiel à la vie. De nombreux éléments indiquent que Mars, lorsqu’elle était une jeune planète, possédait de l’eau liquide, sur ou près de sa surface. Pendant un milliard d’années, il y faisait suffisamment chaud (conséquence de la formation de la planète et des nombreux impacts de météorites) pour que l’eau à sa surface soit liquide. Des cratères martiens qui ont plus de 3,5 milliards d’années, montrent des signes d’érosion par l’eau. On dispose aussi d’indices laissant penser que l’eau liquide a coulé par intermittence sur Mars, même après la disparition des sources de chaleurs originelles. Le plus grand volcan de notre système solaire, Olympus Mons, se trouve dans la région de Tharsis sur Mars. L’Olympus Mons couvrirait quasiment la France entière (à droite), et il est trois fois plus élevé que le Mont Everest. Après le dôme de Tharsis, Elysium Planitia est la deuxième plus grande région volcanique de Mars. Elle mesure 1700 sur 2400 km et est aussi située sur un dôme. Elle héberge trois grands volcans (Hecates Tholus, Albor Tholus, et Elysium Mons) qui sont plus petits que ceux de Tharsis, mais tout de même assez grands. Le plus grand volcan de cette région, Elysium Mons, fait 700 km de diamètre et il s’élève à13 km au-dessus des plaines environnantes. Les énormes volcans de la planète ont rejeté de la lave tout au long de leur histoire, et tout autour des régions volcaniques, on peut voir des crevasses et de canaux creusés par l’eau liquide. Rien ne nous permetde savoir clairement si les volcans sont toujours actifs, mais il y a eu des éruptions il y a 250 millions d’années. Comment expliquer la présence de volcans sur Mars ? Sont-ils la preuve d’une tectonique des plaques ? La croûte martienne est-elle partout la même ou bien sa composition varie-telle comme sur Terre entre les régions océaniques et continentales ? Si oui, où sont les océans, et que sont-ils devenus ? Si non, que peut-on en déduire sur les causes de l’activité volcanique ? C’est en se posantles bonnes questions que la recherche pourra avancer et donner des résultats fascinants. Cette partie peut vous aider à trouver des idées d’expériences pour la mission sur Mars (ce que nous pourrions faire et pourquoi). Nous aurons besoin de défendre chaque suggestion alors n’hésitez pas à présenter des arguments justifiant l’intérêt de ces expériences (hypothèse initiale, fondement scientifique qui y est associé…).
