BCPST1 - Devoir surveillé N°4 – lundi 16 janvier 2017

BCPST1 - Devoir surveillé N°4 – lundi 16 janvier 2017
Ce sujet de 8 pages comporte 3 exercices de géologie qui peuvent être traités indépendamment.
Plusieurs documents couleur sont en annexe de ce sujet.
La qualité de la rédaction et la concision des réponses seront prises en compte dans l’évaluation.
La calculatrice est autorisée.
Durée : 3h
EXERCICE N°1 : ETUDE GEOLOGIQUE DE LA REGION DE VITTEL.
Durée conseillée : 50 min.
On propose d’étudier la structure géologique de la région de Vittel, située à l’est de Paris (Lorraine). Vous
disposez d’un extrait de la carte au 1/50 000ème de cette zone (document n°1 en annexe).
1. Décrivez la structure géologique de cette région. Vous justifierez votre réponse en vous appuyant
sur des arguments cartographiques.
2. Réalisez une coupe à main levée le long du trait de coupe indiqué sur le document n°1. Le profil
topographique vous est fourni en annexe (A RENDRE AVEC VOTRE COPIE).
3. Légendez sur votre coupe les structures géomorphologiques que vous observez ; expliquez leur
origine.
Une grande faille, la faille de Vittel, est observable sur la carte. Il s’agit d’une faille ancienne, enracinée
sur le socle, qui continue à jouer.
4. Caractérisez cette faille (orientation du plan de faille, mouvement relatif et type de faille) en
justifiant votre réponse.
Le long de la faille de Vittel, un séisme, proche de la surface, s’est produit au point S, matérialisé sur le
document n°2 (en annexe). Trois stations sismiques notées Q1, Q2 et Q3 (document n°2 en annexe) ont
enregistré ce séisme. Les temps d’arrivée des ondes P réfléchies par le Moho à ces différentes stations, sont
reportés dans le tableau ci-dessous.
Temps d’arrivée des ondes P réfléchies par le Moho aux stations sismiques.
La vitesse moyenne des ondes P est d’environ 5 km.s-1.
5. Calculez la profondeur du Moho sous chacune des stations en explicitant votre démarche.
1
EXERCICE N°2 : ETUDE GEOLOGIQUE DE LA REGION DE L’OCEAN INDIEN ET DE L’HIMALAYA - TIBET
D’après sujet de géologie Agro-véto 2016, sujet de géologie CAPES 2013
Durée conseillée : 1h20
La convergence Inde-Eurasie est responsable de l’édification de la plus étendue et la plus haute chaîne de
montagne actuelle : l’Himalaya - Tibet.
Cet exercice propose d’étudier quelques aspects de cette zone.
Contexte général géologique de la région
1. Définissez ce qu’est une plaque lithosphérique et ses différents types de limites.
2. Réalisez un schéma structural présentant la localisation des différentes plaques lithosphériques
visibles sur la carte du document n°1 en annexe.
Structure et dynamique actuelles de la chaîne Himalayenne
Des échantillons de roches magmatiques plutoniques ont été prélevés en surface de cette chaîne
Himalayenne.
3. Nommez la roche prélevée à l’aide des données ci-dessous. Vous expliciterez votre démarche.
Composition minéralogique modale de la roche
plutonique prélevée en surface de la chaîne
Himalayenne en pourcentage.
Diagramme de Streckeisen (A COLLER DANS VOTRE COPIE)
2
4. Où se forme une roche magmatique plutonique ? Comment expliquer qu’on en retrouve à
l’affleurement dans la chaîne himalayenne ?
La structure profonde de la chaîne Himalayenne est étudiée par différentes techniques de géophysiques :
gravimétrie (document n°2 ci-dessous) et tomographie sismique (document n°3 en annexe).
5. Expliquez comment on évalue l’anomalie de Bouguer.
6. Interprétez le document n°2.
Document 2. Profil topographique et anomalies de Bouguer à travers la chaîne Himalayenne (coupe nordsud).
7. Expliquez le principe de la tomographie sismique.
8. Décrivez le document n°3 (en annexe) présentant la structure profonde de la zone (au-delà de 100
km de profondeur) de la chaîne Himalayenne. Proposez une hypothèse quant au moteur de
l’édification de cette chaîne de montagne.
Formation de la chaîne Himalayenne
Les trapps du Deccan en Inde sont datées de 68Ma. Il s’agit d’épaisses couches volcaniques qui recouvrent
une très grande surface. De tels épanchements volcaniques sont traditionnellement associés à l’activité d’un
point chaud, en particulier lors de l’initiation du point chaud. La Réunion correspond à l’emplacement
actuel du point chaud (éruption récente du Piton de la Fournaise).
Le document 4 ci-dessous présente une carte figurant sous forme de points différents épanchements
volcaniques associés à l’activité du point chaud ainsi que leurs âges, et sous forme de lignes continues
certaines anomalies magnétiques de la croûte océanique dont les âges sont indiqués (en millions d’années).
Nous observons un chapelet d’îles orienté globalement N-S : Laquedives, Maldives, Chagos, Rodriguez,
Maurice et enfin Réunion.
3
Document 4. Carte de l'océan indien figurant l'âge d'anomalies magnétiques de la croûte océanique et celui
de quelques îles volcaniques.
Position en latitude et
longitude
des
îles
volcaniques :
Deccan : 22°N, 75°E
Laquedives : 12°N, 75°E
Maldives : 5°N, 75°E
Chagos : 7°S, 72°E
Rodriguez :19°S, 63°E
Maurice : 20°S, 57°E
La Réunion : 20°S, 55°E
9. Comment expliquez-vous l'alignement des îles volcaniques ? Où était située l’Inde (qui fait partie
de la plaque lithosphérique indienne) il y a 68Ma ? Quel a été son déplacement pendant les 68
derniers millions d’années ?
10. Calculez la vitesse de déplacement de la plaque lithosphérique indienne entre Chagos et les trapps
du Deccan. Pour cela, on considère que ces îles sont sur la même longitude (75°E et 72°E étant
proches).
11. Calculez la vitesse de déplacement de la plaque lithosphérique indienne entre la Réunion et
Rodriguez. On simplifiera les calculs en supposant un alignement sur une même bande de latitude
(20°S) pour la Réunion et Rodriguez.
Indication : à une latitude λ, la distance entre 2 points distants d'un degré θ de longitude est donnée par la
formule : d = θ/360*2πRT cos λ avec RT rayon de la Terre.
12. Comparez ces vitesses et concluez.
13. Retrouvez et schématisez sur le document 4 (A COLLER DANS VOTRE COPIE) la position des
dorsales en expliquant votre démarche.
Les stations GPS BAKO ET COCO, situées sur les plaques eurasiatique et indienne respectivement (cf.
document 5 ci-dessous) ont permis d'enregistrer les déplacements de ces deux plaques au cours des
dernières années.
14. Sur un repère orthonormé (latitude, longitude) construit sur la carte du document 5 (A COLLER
DANS VOTRE COPIE), tracez les deux vecteurs correspondant aux vitesses de chacune des deux
plaques.
15. Déterminez la vitesse de déplacement de chaque plaque en expliquant votre démarche.
4
Document 5. Carte de la région étudiée présentant la localisation des stations GPS BAKO et COCO et
données GPS correspondantes.
Relevé des positions absolues (latitude, longitude et altitude) des stations GPS BAKO et COCO au
cours du temps (de 2000 à 2006 pour la station BAKO et de 1998 à 2006 pour la station COCO)
16. A l’aide des données de datation des îles volcaniques, d’anomalies magnétiques et de GPS, proposez
une hypothèse sur l’origine de la chaîne Himalayenne. Est-ce cohérent avec l’hypothèse proposée
à la question 8 ?
5
La mousson humide indienne
La présence de ce relief a des effets sur la dynamique atmosphérique. Son édification a entraîné la mise en
place du régime de mousson (vents violents associés à des pluies intenses).
17. Tracez le plus précisément possible, dans les rectangles rouges des cartes du document n°6 (en
annexe, A COLLER DANS VOTRE COPIE), le trajet des vents de surface au niveau de l’Inde.
Vous justifierez votre tracé. Déduisez-en la période de l’année à laquelle doit avoir lieu la mousson
humide en Inde.
EXERCICE N°3 : COMPOSITION ET STRUCTURE DE LA TERRE INTERNE
Durée conseillée : 50 minutes
Les sismologues utilisent la propagation des ondes sismiques pour « imager » l’intérieur de la Terre. Les
mesures de variations de vitesse des ondes avec la profondeur permettent notamment de définir des
interfaces majeures à l’intérieur du globe.
1. Quels sont les deux types d’onde de volume se propageant dans la Terre suite à un séisme ? De
quels paramètres du milieu dépend la vitesse de ces ondes ? Laquelle de ces deux ondes ne se
propage pas dans les liquides, et pourquoi ?
Le noyau terrestre
2. Expliquez à l’aide d’un schéma comment les lois de la réfraction optique permettent de mettre en
évidence la présence d’une zone liquide à l’intérieur de la Terre.
3. Comment peut-on mettre en évidence la présence d’un noyau solide au centre de la Terre ?
4. Quels arguments majeurs conduisent à considérer que le noyau est essentiellement constitué de fer ?
On cherche à déterminer le géotherme du noyau terrestre.
Dans un milieu en convection, on a la relation : (Tz1/Tz2) = (dz1/dz2)K
z1 et z2 sont des profondeurs. Tz est la température à la profondeur z, dz la densité à la profondeur z.
K est une constante spécifique du matériau ; K = 1,5 pour le fer.
Si on connaît la température T et la densité d à une profondeur donnée z1 et la densité à une profondeur z2
on peut en déduire la température en z2.
5. En utilisant les données du tableau ci-dessous et de la figure associée, estimez la température au
sommet du noyau et à l'interface noyau externe / graine.
Profondeur (km)
Densité
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6. Que vaut le gradient de température dans le noyau externe ?
7. En utilisant cette valeur, donnez une température au centre de la Terre. Ce raisonnement est-il
correct ?
Le manteau terrestre
Le modèle de Terre radial dit « PREM » (Preliminary Reference Earth Model) donne les variations de
vitesses sismiques moyennes à l’intérieur de la Terre.
Document 1 : Evolution des vitesses des ondes sismiques S avec la profondeur.
8. A l’aide du document 1, présentez la structure du manteau terrestre (DOC 1 A COLLER DANS
VOTRE COPIE).
9. Quelle est la roche qui constitue le manteau ? Quelle est sa composition minéralogique ?
7
On cherche ensuite à expliquer les autres discontinuités détectées dans le manteau. Dans la partie suivante,
on fera l'hypothèse de travail grossière que la composition chimique de l'ensemble du manteau est celle de
l'olivine.
Les études sismologiques permettent d'estimer la densité des matériaux traversés par les ondes sismiques
en fonction de la profondeur.
Les résultats de ces études sont présentés dans le tableau suivant :
Profondeur
(km)
100
200
300
410
Densité
3,37
3,4
3,48
3,54
Profondeur
(km)
411
500
600
670
Densité
3,72
3,85
3,95
3,99
Profondeur
(km)
671
770
1070
1570
Densité
4,38
4,44
4,62
4,9
Profondeur
(km)
2070
2570
2890
2891
Densité
5,16
5,41
5,57
9,9
10. Tracez l'évolution de la densité en fonction de la profondeur.
Des expériences de laboratoires montrent que l'olivine subit une série de transformations de phases en
fonction de la pression et de la température:
α-Mg2SiO4
β-Mg2SiO4
β-Mg2SiO4 γ- Mg2SiO4
γ-Mg2SiO4
MgSiO3-pv + MgO.
α-Mg2SiO4: olivine en phase α ; β-Mg2SiO4: olivine en phase β ; γ-Mg2SiO4: olivine en phase γ ; MgSiO3pv: pérovskite
Le document suivant (document 2) montre les domaines de stabilité de ces différents minéraux en fonction
de la profondeur (et donc de la pression) et de la température.
Document 2 : Diagramme simplifié représentant les domaines de stabilité des différentes phases de
l’olivine et de l’assemblage MgSiO3-pv + MgO en fonction de la profondeur et de la température.
Document 3 : Volumes molaires des différentes phases minérales
11. A l’aide des documents 2 et 3, expliquez l'origine des brusques variations de densités observées à
l'aide des études sismologiques (question 10).
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