|
Thème 1 - B La tectonique des plaques : l’histoire d’un modèle
|
|
Les grandes lignes de la tectonique des plaques ont été présentées au collège. Il s’agit, en s’appuyant sur une démarche historique, de comprendre comment ce modèle a peu à peu été construit au cours de l’histoire des sciences et de le compléter. On se limite à quelques étapes significatives de l’histoire de ce modèle.
L’exemple de la tectonique des plaques donne l’occasion de comprendre la notion de modèle scientifique et son mode d’élaboration. Il s’agit d’une construction intellectuelle hypothétique et modifiable. Au cours du temps, la communauté scientifique l’affine et le précise en le confrontant en permanence au réel. Il a une valeur prédictive et c’est souvent l’une de ces prédictions qui conduit à la recherche d’un fait nouveau qui, suivant qu’il est ou non découvert, conduit à étayer ou modifier le modèle. La solidité du modèle est peu à peu acquise par l’accumulation d’observations en accord avec lui. Les progrès techniques accompagnent le perfectionnement du modèle tout autant que les débats et controverses.
NB - À partir de l’exemple de la tectonique des plaques, les élèves seront conduits à comprendre quelques caractéristiques du mode de construction des théories scientifiques.
|
|
La naissance de l'idée
|
Au début du XXème siècle, les premières idées évoquant la mobilité horizontale s’appuient sur quelques constatations :
- la distribution bimodale des altitudes (continents/océans) ;
- les tracés des côtes ;
- la distribution géographique des paléoclimats et de certains fossiles.
Ces idées se heurtent au constat d’un état solide de la quasi-totalité du globe terrestre établi, à la même époque, par les études sismiques. L’idée de mobilité horizontale est rejetée par l’ensemble de la communauté scientifique.
[Limites. Il ne s’agit pas d’une étude exhaustive des précurseurs de la tectonique des plaques, mais simplement de l’occasion de montrer la difficile naissance d’une idée prometteuse.] Convergences. Mathématiques : distributions, fréquences. |
Comprendre les difficultés d’acceptation des premières idées de mobilité.
Réaliser et exploiter des modélisations analogique et numérique pour établir un lien entre propagation des ondes sismiques et structure du globe. |
L’interprétation actuelle des différences d’altitude moyennes entre les continents et les océans |
La différence d’altitude observée entre continents et océans reflète un contraste géologique.
Les études sismiques et pétrographiques permettent de caractériser et de limiter deux grands types de croûtes terrestres : une croûte océanique essentiellement formée de basalte et de gabbro et une croûte continentale constituée entre autres de granite.
La croûte repose sur le manteau, constitué de péridotite.
Objectifs et mots clés. La découverte des deux lithosphères est l’occasion de fournir aux élèves les données fondamentales sur les principales roches rencontrées (basalte, gabbro, granite, péridotite).
(Collège et seconde. Première approche de la croûte et de la lithosphère.)
[Limites. L’étude pétrographique se limite à la présentation des principales caractéristiques des quatre roches citées. Bien que l’observation de lames minces soit recommandée, il n’est pas attendu de faire mémoriser par les élèves les critères d’identification microscopique des minéraux].
Convergences. Physique : ondes mécaniques. |
Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs d’expérimentation assistée par ordinateur de propagation d’ondes à travers des matériaux de nature pétrographique différente.
Observer à différentes échelles, de l’échantillon macroscopique à la lame mince, les roches des croûtes océanique et continentale et du manteau.
Comprendre comment des observations fondées sur des techniques nouvelles ont permis de dépasser les obstacles du bon sens apparent. |
L’hypothèse d’une expansion océanique et sa confrontation à des constats nouveaux |
Au début des années 1960, les découvertes de la topographie océanique et des variations du flux thermique permettent d’imaginer une expansion océanique par accrétion de matériau remontant à l’axe des dorsales, conséquence d’une convection profonde.
La mise en évidence de bandes d’anomalies magnétiques symétriques par rapport à l’axe des dorsales océaniques, corrélables avec les phénomènes d’inversion des pôles magnétiques (connus depuis le début du siècle), permet d’éprouver cette hypothèse et de calculer des vitesses d’expansion.
Objectifs et mots clés. Cette étude est l’occasion de fournir aux élèves les données fondamentales sur le magnétisme des roches (magnétite, point de Curie).
[Limites. Un élève doit situer cet épisode de l’histoire des sciences dans les années 1960. La mémorisation des dates précises et des auteurs n’est pas attendue.]
Convergences. Physique : magnétisme.
Pistes. Les variations du champ magnétique terrestre ; les inversions magnétiques. |
Comprendre comment la convergence des observations océanographiques avec les mesures de flux thermique a permis d’avancer l’hypothèse d’une expansion océanique réactualisant l’idée d’une dérive des continents.
Comprendre comment la corrélation entre les anomalies magnétiques découvertes sur le plancher océanique et la connaissance plus ancienne de l’existence d’inversion des pôles magnétiques confirma l’hypothèse de l’expansion océanique.
Calculer des taux d’expansion. |
|
Le concept de lithosphère et d’asthénosphère
|
Au voisinage des fosses océaniques, la distribution spatiale des foyers des séismes en fonction de leur profondeur s’établit selon un plan incliné.
Les différences de vitesse des ondes sismiques qui se propagent le long de ce plan, par rapport à celles qui s’en écartent, permettent de distinguer : la lithosphère de l’asthénosphère.
L’interprétation de ces données sismiques permet ainsi de montrer que la lithosphère s’enfonce dans le manteau au niveau des fosses dites de subduction.
La limite inférieure de la lithosphère correspond généralement à l’isotherme 1300° C.
Objectifs et mots clés. Distinction claire des notions de : lithosphère, asthénosphère, croûte, manteau, subduction.
(Collège : lithosphère-asthénosphère)
[Limites. On se contente de présenter la notion de subduction. Le mécanisme et les conséquences géologiques de ce phénomène seront abordés en terminale.] |
Saisir et exploiter des données sur des logiciels pour mettre en évidence la répartition des foyers des séismes au voisinage des fosses océaniques.
Comprendre comment l’interprétation de la distribution particulière des foyers des séismes permet :
- de définir la lithosphère par rapport à l’asthénosphère;
- de confirmer, dans le cadre du modèle en construction, que la lithosphère océanique retourne dans le manteau.
Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs d’expérimentation assistée par ordinateur de propagation d’ondes à travers un même matériau mais à des températures différentes pour comprendre la différence entre lithosphère et asthénosphère. Mettre en évidence la LVZ grâce aux données sismiques |
|
Un premier modèle global : une lithosphère découpée en plaques rigides
|
À la fin des années soixante, la géométrie des failles transformantes océaniques permet de proposer un modèle en plaques rigides.
Des travaux complémentaires parachèvent l’établissement de la théorie de la tectonique des plaques en montrant que les mouvements divergents (dorsales), décrochants (failles transformantes) et convergents (zones de subduction) sont cohérents avec ce modèle géométrique.
Des alignements volcaniques, situés en domaine océanique ou continental, dont la position ne correspond pas à des frontières de plaques, sont la trace du déplacement de plaques lithosphériques au dessus d’un point chaud fixe, en première approximation, dans le manteau.
(Collège : plaques lithosphériques)
[Limites. La formalisation mathématique de la cinématique des plaques n’est pas attendue.]
Pistes. Étude géométrique de la cinématique des plaques (mathématiques) ; modélisation des types de failles. |
Réaliser une manipulation analogique simple, ou utiliser un logiciel de simulation, pour comprendre que les mouvements des plaques sont des rotations de pièces rigides se déplaçant sur une sphère.
Comprendre comment désormais des faits ne s’intégrant pas a priori avec le modèle initial (volcanisme intraplaque) permettent un enrichissement du modèle (théorie des points chauds) et non son rejet.
Corréler les directions et les vitesses de déplacements des plaques tirées des données paléomagnétiques avec celles déduites de l’orientation et des âges des alignements volcaniques intraplaques. |
|
Le renforcement du modèle par son efficacité prédictive
|
Le modèle prévoit que la croûte océanique est d’autant plus vieille qu’on s’éloigne de la dorsale. Les âges des sédiments en contact avec le plancher océanique (programme de forage sous-marins JOIDES) confirment cette prédiction et les vitesses prévues par le modèle de la tectonique des plaques.
Le modèle prévoit des vitesses de déplacements des plaques (d’après le paléomagnétisme et les alignements de volcans intraplaques). Avec l’utilisation des techniques de positionnement par satellites (GPS), à la fin du XXème siècle, les mouvements des plaques deviennent directement observables et leurs vitesses sont confirmées.
[Limites. L’étude des forages marins se limite à l’interprétation du premier sédiment au contact de la croûte magmatique. L’interprétation des inversions magnétiques enregistrées dans les sédiments des carottes de forage n’est pas au programme.]
Pistes. Les systèmes de positionnement satellitaire (physique, mathématiques). |
Saisir et exploiter des informations sur cartes.
Concevoir, réaliser et exploiter un modèle analogique.
Réaliser des mesures sur le terrain pour comprendre le principe du GPS.
Saisir et exploiter des données sur des logiciels.
|
|
L’évolution du modèle : le renouvellement de la lithosphère océanique
|
En permanence, de la lithosphère océanique est détruite dans les zones de subduction et produite dans les dorsales.
La divergence des plaques de part et d’autre de la dorsale permet la mise en place d’une lithosphère nouvelle à partir de matériaux d’origine mantélique.
Dans les zones de subduction, les matériaux de la vieille lithosphère océanique s’incorporent au manteau.
Objectifs et mots clés. Il s’agit de construire une représentation graphique synthétique du modèle global et de fournir aux élèves les données essentielles sur le fonctionnement d’une dorsale type.
(Collège : volcanisme)
[Limites. La subduction est localisée et simplement présentée comme un lieu de destruction de lithosphère océanique, les phénomènes géologiques associés seront traités en terminale. On se limite à l’étude d’une dorsale siège de la production d’une lithosphère océanique complète : les différents types de dorsales ne sont pas au programme. Le moteur de la tectonique des plaques sera explicité en classe de terminale.]
Convergences. Physique : changements d’état.
Pistes. Construire un raisonnement sur des données géochimiques (mathématiques, physique) ; frontières de plaques et risques naturels (histoire-géographie, mathématiques). |
Recenser, extraire et organiser des informations sur des images satellitales et de tomographie sismique.
Réaliser des modélisations analogiques et numériques pour établir les liens entre amincissement de la lithosphère, remontée, dépressurisation et fusion partielle de l’asthénosphère sous-jacente et formation d’une nouvelle lithosphère. |
Thème 2 - A Tectonique des plaques et géologie appliquée |
| Tectonique des plaques et géologie appliquée L’objectif est de montrer que le modèle de la tectonique des plaques présente un intérêt appliqué. Sans chercher à donner une vision naïve selon laquelle toute application géologique pratique nécessite les concepts de la tectonique des plaques, on choisira un exemple permettant de montrer que, parfois, ce modèle permet de comprendre les conditions d’existence d’une ressource exploitable. L’exemple sera choisi de façon à introduire quelques idées concernant une histoire sédimentaire compréhensible dans le cadre du modèle de la tectonique des plaques. Deux possibilités sont proposées, l’une d’approche locale, l’autre plus globale. Le professeur choisira de traiter au moins l’une de ces deux approches. |
Première possibilité : tectonique des plaques et recherche d’hydrocarburesLe choix est fait de s’intéresser à un champ pétrolifère ou gazier situé dans un bassin de marge passive pour comprendre les principaux facteurs qui conditionnent la formation des gisements. En s’appuyant éventuellement sur ce qui aura été étudié en seconde, il s’agit d’expliciter le constat fait alors : les gisements d’hydrocarbures sont rares et précisément localisés. |
Le modèle de la tectonique des plaques constitue un cadre intellectuel utile pour rechercher des gisements pétroliers.
À partir de l’étude d’un exemple on montre que la tectonique globale peut rendre compte :
- d’un positionnement géographique du bassin favorable au dépôt d’une matière organique abondante et à sa conservation ;
- d’une tectonique en cours de dépôt (subsidence) et après le dépôt qui permettent l’enfouissement et la transformation de la matière organique puis la mise en place du gisement.
La rare coïncidence de toutes ces conditions nécessaires explique la rareté des gisements dans l’espace et le temps.
Objectifs et mots clés. L’exemple étudié permet de présenter ce qu’est un bassin sédimentaire et quelques exemples de roches sédimentaires. Il permet aussi de montrer l’intérêt de la tectonique des plaques dans la compréhension du phénomène sédimentaire.
[Limites. Une présentation exhaustive des types de bassins et de leur contexte géodynamique est hors programme. La typologie des pièges pétroliers l’est également.]
Pistes. Comprendre l’importance économique d’une histoire géologique (géographie) ; ressources énergétiques et géopolitique (histoire-géographie). Rechercher d’autres contextes de gisements d’hydrocarbures, sur Terre ou ailleurs. |
Recenser, extraire et organiser des informations permettant de reconstituer le contexte géographique et géologique à l’époque du dépôt à l’origine de l’hydrocarbure de l’exemple étudié.
Découvrir la morphologie et la structure des marges passives à partir des profils de sismique réflexion et/ou des cartes et/ou des coupes
Recenser, extraire et organiser des informations notamment lors d’une sortie sur le terrain.
Analyser les positions relatives des continents et des océans (Téthys ou Atlantique) lors des périodes d’absence ou de grande accumulation de roches-mères pétrolières pour comprendre les conditions favorables à leur dépôt.
Modéliser la circulation de fluides de densités différentes non miscibles dans des roches perméables.
Concevoir une modélisation et suivre un protocole pour comprendre comment une structure géologique associée à un recouvrement imperméable constitue un piège à liquide.
Repérer les grandes caractéristiques d’un bassin sédimentaire et de quelques roches sédimentaires. |
Deuxième possibilité : tectonique des plaques et ressource locale |
Un exemple de ressource géologique est choisi dans un contexte proche de l’établissement scolaire. Son étude (nature, gisement) permet de comprendre que ses conditions d’existence peuvent être décrites en utilisant le cadre général de la tectonique des plaques.
Objectif et mots clés. Il s’agit de montrer l’intérêt local et concret du modèle. Tout exemple de matériau géologique d’intérêt pratique peut être retenu.
[Limites. Aucune connaissance spécifique n’est attendue.] |
Recenser, extraire et organiser des informations notamment lors d’une sortie sur le terrain.
|
Activités pédagogiques
1ère - Ens Scientifique
Banque de sismogrammes
