SVT thème 1

Partie 1 : La tectonique des plaques, histoire d'un modèle : Introduction : La répartition des zones sismiques et volcaniques à la surface de la terre permet de délimiter 12 plaques lithosphériques principales. Celles-ci sont mobiles et se déplacent les unes par rapport aux autres de quelque centimètre par an, générant des contraintes importantes à leurs frontières. Ces contraintes sont à l'origine des séismes et des volcans situés à la frontières des plaques. Il existe trois types de frontières : - Des frontières convergentes (zone de subduction) ; - Des frontières divergentes (dorsales) ; - Des frontières coulissantes ; Problématique : Comment le modèle actuel de la tectonique des plaques a-t-il été construit et s'est il imposé au cours du XX siècle ? Chapitre 1 : Début du XXè siècle : la naissance de la théorie de la dérive des continents : Introduction : Présentation des modèles acceptés au début du XX siècle : (document 1 : la conception de la terre avant Wegener) Au début du XX siècle la conception généralement admise est une terre formée de continents fixes. En 1912 Alfred Wegener propose la théorie de la dérive des continents. I. les arguments de Wegener le conduisant à proposer un modèle mobiliste : (Activité 1) Quels ont été les arguments proposés par Wegener pour convaincre la communauté scientifique de la mobilité des continents ? Bilan : Présentation des arguments : Wegener présente des arguments précis de nature différentes : - Argument morphologique : complémentarité de forme de forme de l'Afrique et de l'Amérique du sud ; - Argument géologique : on retrouve les même structure géologique en Afrique et en Amérique du sud ; - Argument paléontologique : présence des même fossiles datés de l'aire primaire en Afrique et Amérique du sud ; - Argument climatique : l'existence de traces de glaciation du même âge en Amérique du sud, Afrique, Inde et Australie. Par ailleurs, l'étude de la fréquence des altitudes terrestres met en évidence deux altitudes principales qui correspondent aux continents et aux fond océaniques (répartition bimodale des altitudes). Wegener propose deux ensembles différents pour la croûte terrestre, la croûte continental légère et la croûte océanique plus dense. À Partir de tous ces indices, Wegener propose la théorie de la dérive des des continents : un super continents (La Pangée) se serait fragmenté au début de l'ère secondaire et les masses continentales dériveraient depuis cette époque à la surface de la Terre. Cette théorie implique la mobilité horizontale des continents. II. Les premières études sismique et l'abandon de la théorie de la dérive des continents : A l'époque, l'idée de mobilité horizontale est rejetée par l'ensemble de la communauté scientifique. Les critiques portent notamment sur la nature solide de la Terre (établie par les études sismiques). A. Propriétés des ondes sismiques : (voir TP1 et 2) Lors d'un séisme une importante quantité d'énergie se propage dans toutes les direction de l'espace sous forme d'ondes sismiques. On distingue les ondes de volume (se propagent à l'intérieur du globe) et les ondes de surface de forte amplitude et arrivent après les ondes de volume. Parmi les ondes de volume, il existe les ondes P (=premières). Ce sont les plus rapides. Elles se propagent sous forme de compression dilatation de la matière. Elles traversent les milieux solides et liquides. Les ondes arrivant juste après sur le sismogramme sont les ondes S (=secondes). On les appelles aussi ondes de cisaillement. Elles se propagent uniquement dans les milieux solides. Les ondes P et S se propagent à l'intérieur du globe et peuvent donc apporter des informations sur les caractéristiques du milieu traversé. Leur vitesse dépend notamment de la nature des roches traversées et de la densité des milieux traversés. La sismologie montre donc que la Terre n'est pas un milieu homogène. (document 1, 2 et 3 1:la loi de Snell-descartes) Lorsque des ondes sismiques rencontres une discontinuité (changement de milieu physique et/ou chimique), certaines ondes sont réfléchies et d'autres réfractées (loi de Snell-descartes). B. Utilisation des ondes sismiques pour déterminer la structure du globe : -La découverte du Moho : TP 3 : (Voir TP3 et doc 2) En 1909 Mohorovicic décrit le premier la discontinuité situé entre le croûte et le manteau : le Moho. Elle est situé à environ 7km sous les océans et 30km sous les continents. -La discontinuité de Gutenberg : (Voir doc 3) En 1912 Gutenberg met en évidence une zone d'ombre s'étendant entre 105° et 143° de distance angulaire à l'épicentre. Elle révèle l'existence d'une discontinuité importante située à 2900km de profondeur : la discontinuité de Gutenberg qui marque le limite entre le manteau et le noyau. Les ondes S ne traversent pas cette discontinuité ainsi la croûte et le manteau sont solide jusqu'à 2900km et le noyau externe se comporte comme un liquide. -La discontinuité de Lehman : Lehman met en évidence une dernière discontinuité située à 5100km séparant le noyau externe liquide du noyau interne solide (la graine). (voir fiche structure) Enfin il existe dans le manteau une zone située entre 100 et 200km dans laquelle on observe un ralentissement des ondes sismique : c'est la LVZ (low velocity zone). L'ensemble situé au dessus de la LVZ est constitué de croûte et de manteau s'appelle la lithosphère. C. Le rejet de la théorie de la dérive des continents : A l'époque l'idée de la mobilité horizontale est rejeté par l'ensemble de la communauté scientifique. Les critiques portent sur : - La nature solide de la Terre établie par les études sismiques ; - L'absence de force capable de déplacer les continents ; - L'explication de la plupart des arguments de Wegener par la théorie des ponts continentaux. III. L'étude pétrographique des enveloppes terrestres : A. Utilisation des ondes sismiques pour mettre en évidence le contraste géologique entre océans et continents : Au début des années 50 de nouvelle méthodes d'exploration des océans voient le jour : sismique réfraction et sismique réflexion. Les données sismiques obtenues montre l'existence d'un contraste océans/continents : -Croûte océanique : V ondes P entre 6,5 et 7km/s -Croûte continental : V ondes P 6km/s Remarques : ces données confirment l'hypothèse faite pas Wegener pour expliquer la distribution bimodale des altitudes terrestre. B. Les roches de le croûte océanique : La croûte océanique est constitué de basalte recouvrent des gabbros. Ces deux roches sont des roches magmatiques.Elles ont une composition chimique identique mais une structure différente : grenue pour le gabbro (entièrement cristallisé) et microlitique pour le basalte (phénocristaux+pâte constituée de microlites et de verre). Le gabbro est une roche magmatique plutonique (refroidissement du magma en profondeur) le basalte est une roche magmatique volcanique (refroidissement du magma en surface). Minéralogie : -Proxène ; -Olivine -Feldspath plagioclase Élément chimique majoritaire : O ; Si ; Fe ; Al. Densité : Gabbro : 3 Basalte : 2,9 C. Les roches de la croûte continental : La croûte continental est très hétérogène. On y observe des roches sédimentaires (ex : calcaire), des roches métamorphiques (ex : schiste) et des roches magmatiques. Le granite est le roche représentative de cette croûte : c'est une roche magmatique plutonique (structure grenue). Les principaux minéraux sont le quartz, le mica noir (biotite) et les feldspath. Les éléments majoritaire sont : O ; Si ; Al ; K. C'est une roche riche en silice, elle a une densité de 2,7. D. Les roches du manteau : On dispose d'échantillon du manteau remontés par des magmas (ex : enclave de péridotite dans un basalte), le manteau est composé de péridotite qui est une roche grenue. Les minéraux rencontrés sont l'olivine et le pyroxène (ce sont des minéraux ferromagnésiens), les éléments chimiques majoritaire sont : O ; Mg ; Si ; Fe. Et elle a une densité de 3,2. La vitesse des ondes P est de 8Km/s dans cette roche. Chapitre 2 : 1960-1970 : L'élaboration d'un premier modèle global de le tectonique des plaques : Introduction : Dans les années 5O, 60 de nouvelles données (océanographiques, sismique et paléomagnétiques) sont désormais disponible. Problématique : Comment les nouvelles technologies et donc les nouvelles connaissances ont remis au goût du jour la théorie de Wegener et ont permis d'élaborer le modèle de la tectonique des plaques ? I. L'hypothèse de l'expansion océanique : 1. La topographie des fonds océaniques : Des campagnes révèlent la topographie des fonds océaniques. On distingue : -Les marges continentales formée soit d'un plateau peu profond (0 à 200m) prolongé par un talus qui descend jusqu'aux plaines abyssales soit d'une fosse très profonde (de 7 000 à 11 000m) ; -Les plaines abyssales vers 4 000-5 000m de profondeur ; -Les dorsales océaniques, chaînes de montagne sous-marines de plus de 60 000km de long. 2. Les mesures du flux géothermique : Le flux géothermique est la quantité d'énergie thermique dissipée par unité de surface. C'est un témoin de la dissipation en surface de la chaleur interne du globe. Les mesures du flux montrent sont inégale répartition à la surface de la Terre et notamment, sa valeur élevée au niveau des dorsales. Il doit donc exister à ces endroits des matériaux à hautes températures et à faibles profondeurs. 3. L'hypothèse de Hess : En 1962 Harry Hess fait la synthèse des données scientifiques disponibles et formule l'hypothèse du double tapis roulant. Le manteau est affecté de larges mouvements de convections (définition : mode de transfère de la chaleur s'accompagnant de mouvements de matières). Les dorsales correspondent à des courants ascendants et les fosses océaniques à des courants descendants. La croûte océanique est continuellement créée au niveau des dorsales : il existe donc un expansion océanique par accrétion de matériaux à l'axe des dorsales. La croûte océanique s'éloigne ensuite de l'axe des dorsales et disparaît au niveau des fosses océaniques. Ainsi de part et d'autre de la dorsale la croûte océanique serait en permanence recyclée et se comporterait comme une sorte de double tapis roulant. II. L'apport du paléomagnétisme : 1. Le champ magnétique terrestre actuel et fossile : (Voir document) Certaines roches comme les basaltes peuvent conserver les caractéristiques du champ magnétique qui règne à l'époque de leur formation. À l'aide de magnétomètres très sensible on peut donc détecter dans la roche la trace de ce champ magnétique ancien : champ paléomagnétique. 2. L'inversion du champ magnétique terrestre : La polarité du champ magnétique terrestre à subi des inversions au cours des temps géologiques : à certaines périodes dites inverses les pôles nord et sud étaient inversés par rapport à la période actuel dite normal (p99). 3. La découverte des anomalies magnétiques : Dans une zones océanique ou des basaltes ont été émis pendant une période normal, le champ magnétique fossiles fixé par les basaltes s'ajoute au champ magnétique actuel. Un magnétomètre détecte alors une anomalie positive. Quand les basaltes ont été émis lors d'une période inverse les champ magnétique fossile fixé par les basaltes se retranche au champ magnétique actuel. On enregistre alors une anomalie négative. Les anomalies magnétiques sont réparties en bandes parallèles et sont symétriques de part et d'autres de la dorsale. Elle sont d'autant plus anciennes qu'elles en sont éloignées. Vine et Matthews proposent alors en 1963 un modèle de formation de plancher océanique : il y a une montée permanente de lave basaltique dans l'axe de la dorsale, les basaltes les plus anciens étant repoussés de part et d'autres de la dorsale. Il existe donc des mouvements de divergence entre deux plaques au niveau de l'axe de la dorsale et on peut retrouver la vitesse d'écartement des plaques dans le passé. Les anomalies magnétiques sont donc les marqueurs d'une expansion océanique. III. La construction du modèle de la tectonique des plaques : 1. L'étude des séismes au niveau des fosses océaniques:(voir TP6) Wadati et Benioff remarquent qu'au niveau des fosses les foyers des séismes se répartissent selon un plan incliné d'une épaisseur d'environ 100km et qui plonge plus ou moins brutalement sous la fosse puis sous l'arc volcanique. Les foyers des séismes sont de plus en plus profond quand on s'éloigne de la fosse et peuvent atteindre une profondeur maximale de 700km environ. La répartition des séismes au niveau des fosses suggère qu'un matériel rigide au comportement cassant s'enfonce dans le manteau suivant une trajectoire correspondent au plan de Wadati-Benioff. 2. La distinction lithosphère-asthénosphère : Au milieu des années 60, 3 géologues américains montrent que les ondes sismiques se propagent plus rapidement le long du plan de Wadati-Benioff que dans le manteau environnent. Or la vitesse des ondes sismiques augmente quand la température du matériaux traversé diminue. La température est donc plus froide le long du plan de Wadati-Benioff : cela prouve qu'à se niveau une structure froide plonge dans une structure plus chaude. Le matériaux qui plonge est la lithosphère océanique épaisse d'environ 100km. Elle comprend la croûte océanique et la partie supérieur du manteau. La lithosphère océanique plonge dans un manteau plus chaud, peu rigide, et ductile : l'asthénosphère. Les roches de l'asthénosphère se déforment sans casser. L'isotherme 1300°C marque la limite entre la lithosphère et l'asthénosphère. La plongé de la lithosphère océanique dans l'asthénosphère au niveau des fosses océaniques est les phénomène de subduction. 3. Les failles transformantes et l'énoncé de la théorie de la tectonique des plaques : Les dorsales océaniques sont découpées en segments par de nombreuses failles parallèles entre elles et perpendiculaires à la dorsale : les failles transformantes. À la fin des années 60 l'étude de la géométrie des failles transformante permet de comprendre que chaque dorsale est une frontière séparant 2 plaques en rotation l'une par rapport à l'autre. Bilan du chapitre 2 : En 1968, Xavier Le Pichon propose un modèle ou la lithosphère est divisée en 6 plaques rigides en rotation et décrit leur déplacement relatif : c'est la modèle de la tectonique des plaques. La théorie de la tectonique des plaques s'est construite progressivement au cours des années 60 grâce : - Aux campagnes océanographiques et aux mesures des flux géothermiques, - À l'apport du paléomagnétisme, - À l'étude des ondes sismiques au niveau des fosses, - À la découverte des failles transformantes.