Corrigé DC7 Les mouvements verticaux de la lithosphère continentale
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SVT - TS DC7 Activité Les mouvements verticaux de la lithosphère continentale Objectifs de connaissance Objectifs de méthode Travail préparatoire Corrigé Notions d’isostasie et réajustement isostatique Réaliser et exploiter une modélisation analogique ou numérique pour comprendre la notion d’isostasie. Code barème • Dans les chaînes de montagne anciennes, l’érosion met à jour des roches plutoniques formées à plus de 20 Km de profondeur. La présence de ces roches en surface implique un mouvement vertical de la croûte continentale. Afin de comprendre le mécanisme de ce mouvement vertical, on étudie un exemple régional relativement simple, le cas de la Scandinavie. • Sur les côtes de Scandinavie, une ligne de rivage ancienne se trouve 10 mètres audessus de la ligne de rivage actuelle. Cela peut être due à une baisse du niveau de la mer ou à une élévation verticale de la croûte continentale. Or les données globales montrent que le niveau de la mer a connu, non une diminution de 10 mètres, mais une augmentation de 4 mètres au cours des 7000 dernières années. Il faut donc admettre que c’est la croûte continentale scandinave qui s’est élevée de 14 mètres ou davantage durant cette période. • • Durant la dernière période glaciaire, le Würm (de -70 000 à -10 000 ans) l’ensemble de la Scandinavie était recouvert par un vaste glacier continental, un inlandsis. Aujourd’hui, à l’issue de la déglaciation survenue après le Würm la Scandinavie n’est plus recouverte par les glaces. Or, la déglaciation a déchargé la croûte continentale d’un poids de glace considérable. On peut donc penser qu’en allégeant la lithosphère continentale, la déglaciation a provoqué un mouvement ascendant de la croûte continentale. Nous avons utilisé un modèle analogique et un modèle numérique pour tester cette hypothèse. • La stratégie expérimentale est la suivante : o Dans le modèle considéré, on simule une glaciation en ajoutant sur la croûte continentale un poids correspondant à une épaisseur de glace déterminée, puis on simule une déglaciation en retirant ce poids. On note alors la variation de hauteur (mouvement vertical) de la base de la croûte par rapport à un niveau repère. o Si cette variation est positive, alors le modèle confirme notre hypothèse. o On peut alors faire varier l’épaisseur de glace (le poids ajouté) afin de déterminer le lien entre l’épaisseur de glace et l’ampleur de la remontée de la croûte (ou mouvement vertical). Cela permet de déterminer quelle devait être l’épaisseur de glace minimale pour observer la remontrée de +14 mètres au moins calculée précédemment. Modèleanalogique Présentationdumodèle • Le modèle que nous avons utilisé est une colonne verticale calibrée pour que 1 cm représente 2 Km sur l’axe vertical. • Le liquide (eau salée à 64g/L) représente le manteau. Le rapport de densité entre l’eau salée et les éléments en plastique est de 0,81, comparable à celui entre le manteau (densité 3,3) et la croûte continentale (densité 2,7). • La pile de modules en plastique coloré représente la croûte continentale scandinave. 6 modules forment une pile de 12 cm soit 24 Km. SVT - TS DC7 Activité • Les mouvements verticaux de la lithosphère continentale Corrigé Les 2 modules en plastique blanc représentent la calotte glaciaire (soit 8 Km de glace). Résultatsobtenus • Nous avons retiré les modules en plastique blanc l’un après l’autre pour simuler la déglaciation. Glaciation Altitude du sol (sommet de la colonne) Altitude du Moho (base de la colonne) Pourcentage de la croûte qui dépasse du liquide Déglaciation Étape 1 (1 élément enlevé) Déglaciation Étape 2 (2 éléments enlevés) 6 5 4,25 -25 -22 -19,75 19 18,5 17,8 Résultats obtenus avec le modèle analogique Conclusions • À mesure que nous avons enlevé les éléments du dessus, l’ensemble de la colonne est remonté. Ce résultat confirme notre hypothèse : la déglaciation pourrait être à l’origine d’un mouvement vertical de la croûte continentale. • On remarque que le pourcentage de la croûte qui dépasse du liquide (c’est à dire, du niveau moyen du manteau ou du Moho moyen) reste proche de 18 % au cours de la remontée. • Critique du modèle : Dans ce modèle le manteau à une faible viscosité et la remontée de la croûte est instantanée, ce qui est très différent de la réalité. De plus, les éléments représentant la glace ont une densité comparable aux éléments représentant la croûte continentale. Ce modèle permet donc une approche qualitative du mécanisme du mouvement vertical de la croûte mais ne permet pas une approche quantitative satisfaisante. Modèlenumérique Présentationdulogicielutilisé Le logiciel Simulairy est basé sur un modèle mathématique de la croûte développé par Georges Biddel Airy (1801 - 1892), mathématicien et géodésien Britannique. Dans ce modèle, les différentes colonnes rocheuses qui constituent la croûte reposent en équilibre au-dessus d’un matériel plus dense : le manteau supérieur (ce modèle a été ensuite modifié pour prendre en compte la dualité lithosphère asthénosphère). Elles restent au-dessus (« flottent ») parce qu’elles sont moins denses. Chaque colonne rocheuse est à l’équilibre lorsque le poids des roches qui la constitue est égal à la poussée d’Archimède du manteau. Cet équilibre est appelé équilibre isostatique. Ces forces peuvent être calculées si l’on connaît la densité des roches présentes. Dans le modèle de Airy, la densité des roches est la même dans toute la croûte. On sait aujourd’hui que ce n’est pas vrai à l’échelle de la planète puisque la croûte océanique et la croûte continentale n’ont pas la même densité, mais on peut considérer que c’est vrai à l’intérieur de la croûte continentale. Lorsqu’une colonne est plus haute que les colonnes voisines il y a en altitude un excédent de matière, donc de poids, qui est compensé en profondeur : la roche de la croûte moins dense que le manteau s’enfonce plus profond à l’intérieur de celui-ci. L’excédent de masse en altitude est compensé par des roches profondes en partie moins denses. Ainsi, à une certaine profondeur (que l’on situe aujourd’hui dans l’asthénosphère), toutes les colonnes SVT - TS DC7 Activité Les mouvements verticaux de la lithosphère continentale Corrigé rocheuses ont finalement le même poids et exercent la même pression sur une surface de compensation (d’où le mot isostasie de isos « égal » et stasis «arrêt ») . Le logiciel simulairy est un modèle numérique qui intègre le calcul du poids et de la poussée d’Archimède de chaque colonne de matériau rocheux de la croûte. Il permet d’ajouter des matériaux (sédiments ou glace) à la croûte ou d’en retirer (érosion), et de décrire dans chaque cas la position finale de la croûte à l’équilibre isostatique (altitude et profondeur du Moho). Résultatsobtenus • Nous avons simulé une glaciation sur une croûte continentale d’altitude 0, en faisant varier l’épaisseur de glace ; après réajustement isostatique, on constate que les portions de croûte sont d’autant plus enfoncées dans le manteau que l’épaisseur de glace est importante : • Puis nous avons simulé une fonte des glaces (la mer vient combler les portions de croûte continentale situées en-dessous du 0 marin) • Enfin nous avons simulé le réajustement isostatique après déglaciation. Les portions de lithosphère continentales sont revenues à leur altitude 0 initiale. SVT - TS DC7 Activité • • Les mouvements verticaux de la lithosphère continentale Corrigé Lorsque l’épaisseur de glace était de 320 m, la portion de lithosphère s’est enfoncée de 100 mètres au-dessous du niveau de la mer ; elle est donc ensuite remontée de 100 mètres pour revenir à l’altitude 0 initiale. Or, si l’on admet que la remontée de la Scandinavie s’est poursuivie pendant 10 000 ans au rythme de 1cm/an, alors la Scandinavie a connu un mouvement vertical de +100 mètres sur cette période (c’est beaucoup plus que les 14 mètres que nous avions noté en introduction, mais la croûte émergée a subi l’érosion). Le modèle numérique (basé sur le calcul du poids et de la poussée d’Archimède qui s’exercent sur la croûte et sont égaux à l’équilibre) nous permet d’estimer qu’il fallait une épaisseur de glace de 320 mètres environ pour obtenir un tel mouvement vertical. Conclusions • Le modèle numérique confirme notre hypothèse et permet une estimation quantitative. • Critique du modèle : Il ne permet pas de confirmer le rythme de la remontée et plusieurs inconnues subsistent comme l’altitude réelle de la croûte avant la glaciation. Ce modèle considère que seule la croûte subit le mouvement vertical et ne prend donc pas en compte la dualité lithosphère/asthénosphère. Bilan Le modèle analogique confirme notre hypothèse mais avec de nombreuses réserves dues à son caractère approximatif. Le modèle numérique (mathématique) montre qu’un déséquilibre entre le poids de la croûte et la poussé d’Archimède peuvent en effet produire un mouvement vertical de la croûte que le modèle permet de quantifier ; toutefois, ce dernier modèle reste lui aussi une simplification considérable de la réalité.
