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La Terre dans l'Univers, la vie, l'évolution du vivant Partie 1-B : Le domaine continental et sa dynamique.

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1 La Terre dans l'Univers, la vie, l'évolution du vivant Partie 1-B : Le domaine continental et sa dynamique

2 Chap. 1 : Caractéristiques du domaine continental

3 Distribution bimodale des altitudes, en pourcentage de la surface terrestre solide occupé par des terrains d'altitudes données. Les altitudes sont regroupées par tranches de 1 kilomètre. Pour se limiter à des valeurs significatives, les tranches extrêmes intègrent les valeurs maximales peu représentées.

4 Courbe hypsométrique simplifiée de la surface de la Terre Limite océan/continent Limite CC / CO Terres émergées / terres immergées

5 Carte géologique du monde

6 Pb : en quoi les caractéristiques de la croûte continentale expliquent-elles sa situation / croûte océanique ? Les parties émergées sont pratiquement toutes de nature continentale. Les différences daltitude moyenne entre les continents et les océans sexpliquent par des différences crustales.

7 I - Lithosphère continentale, reliefs et épaisseur crustale 1S calcul de la profondeur du Moho grâce à la sismologie (voir aussi Bordas doc 1 p146) A. Rappels : épaisseur de la CC

8 Carte de la profondeur du Moho en France métropolitaine (image numérique) km -50 km

9 Coupe synthétique simplifiée de l'Himalaya (d'après Himalaya-Tibet, le choc des continents - collectif - Eds CNRS)

10 Sous les océans : Moho -10 km Sous les continents : Moho -30 km Sous les montagnes : Moho -70 km On cherche à comprendre pourquoi la croûte continentale est plus épaisse sous les montagnes.

11 B. Comportement de la CC au niveau des reliefs 1. Un peu dhistoire des sciences Le phénomène disostasie fut mis en évidence, pour la première fois, il y a plus de 250 ans, par lastronome français Pierre Bouguer. Lors de lexpédition au Pérou de Bouguer releva, à cette occasion, une différence (dite anomalie) significative entre pesanteur mesurée et celle calculée pour un même lieu des Andes

12 Mêmes observations dans lHimalaya 100 ans après (George Everest) : lattraction gravitationnelle des montagnes est toujours inférieure à celle calculée tenant compte de lexcès de masse de celles-ci. Il y a anomalie gravimétrique !

13 Comme si la montagne était creuse !!! Montagne creuse… puis quoi encore ! Lisez plutôt les hypothèses proposées pour expliquer ce phénomène… Montagne creuse… puis quoi encore ! Lisez plutôt les hypothèses proposées pour expliquer ce phénomène…

14 On doit aux Britanniques George Biddell Airy ( ) et John Henry Pratt ( ) les premières tentatives dexplication du phénomène observé (cf. Bordas p 145). Modèle de Pratt : la compensation est assurée par une variation latérale de la densité dans la lithosphère. Modèle dAiry : la compensation du relief topographique est assurée par la présence dune racine légère causée par lépaississement de la croute.

15 Le modèle dAiry correspond à ce qui est détecté par les études sismiques, cest à dire la présence de croûte continentale profonde sous les chaînes de montagnes, nommée « racine crustale ».

16 2. La compensation isostatique Le manteau asthénosphérique (MA, solide ductile) se comporte comme un fluide visqueux et se déforme sous le poids de la lithosphère celle-ci est soumise à une poussée équivalente à la poussée dArchimède. Quand poussée et force de gravitation sont égales, la lithosphère est en équilibre isostatique. Létat déquilibre est réalisé à une profondeur variable : la profondeur de compensation = surface de compensation. Surface de compensation : profondeur au niveau de laquelle la pression est identique quel que soit le relief au-dessus. La masse de toutes les colonnes de roches (de même section) de hauteur atteignant la prof de compensation est égale en tout point du globe. La lithosphère océanique (LO), plus dense que la lithosphère continentale (LC), senfonce plus profondément dans le MA, ce qui explique quelle soit située sous le niveau des mers.

17 Pour faire l'activité, cliquez ICIcliquez ICI ! Pour faire l'activité, cliquez ICIcliquez ICI !

18 La lithosphère est en équilibre isostatique sur lasthénosphère. Les différences daltitude moyenne entre les continents et les océans sexpliquent par des différences crustales : les variations d'altitude sont compensées par des variations verticales de l'épaisseur de la croûte. A un relief positif correspond donc une racine de croûte continentale importante permettant de supporter la charge pondérale en surplus.

19 C. La densité de la Croute continentale Croute continentale : majorité de roches métamorphiques (type gneiss) et de roches plutoniques (granitoïdes) dâge variable qui constituent le socle des continents. Ce socle est souvent masqué par une pellicule de roches sédimentaires (1 à 3 km dépaisseur)

20 2,5 < d granite < 2,7 2,6 < d gneiss < 2,8 3,2 < d péridotite < 3,4 Ces mesures de densités permettent de valider le modèle dAiry : cest bien la différence de densité entre la croute et le manteau qui permet à une profondeur donnée léquilibre des pressions

21 La densité de la CC est liée à la composition minéralogique, donc chimique, des roches la constituant Ca AlSi3O8

22 21

23 Si ; Al ; O ; Na ; K ; Ca ; Fe ; Mg La croûte continentale (CC) a une composition granitique : silicatée riche en Si, Na et K pauvre en Fe, Mg et Ca

24 La croute continentale est constituée à 95 % de granite et de gneiss. Ces roches représentatives de la croute continentale, les granitoïdes, sont composées de quartz, de micas et de feldspath. Leur densité est de 2,7 en moyenne. Les différences de densité entre la croute continentale et le manteau permettent à la lithosphère dêtre en équilibre (isostasie) sur lasthénosphère. Ainsi, la croute continentale est dune épaisseur plus grande que la croute océanique. Sous les montagnes, qui sont des reliefs positifs, on trouve en profondeur une importante racine crustale.

25 II - Lâge de la croute continentale Il fallut attendre la découverte de la radioactivité par Marie et Pierre Curie, au début du 20 e siècle, pour avoir un outil permettant dobtenir des âges absolus, et de déterminer lâge de notre planète. Cet outil : la datation radiométrique = méthode de datation absolue.

26 A. Rappels Noyau = protons + neutrons toute la masse de latome Z = nb délectrons = nb de protons = n° atomique A = nb de masse = nb de nucléons (p + n) Isotopes : formes dun même élément, de même Z mais de masse atomique différente. Exemple : le C a 3 isotopes : 12 C, 13 C et 14 C ; seul le 14 C est un isotope radioactif.

27 B. Le principe de la datation radiométrique La datation absolue des roches magmatiques et métamorphiques repose sur la présence déléments radioactifs incorporés dans les minéraux lors de la formation de la roche. A partir de là, les éléments évoluent sans interaction avec lextérieur (système fermé). Date obtenue = date de la fermeture du système.

28 Réaction de désintégration : un élément père Po se transforme progressivement en un élément fils F. La valeur du rapport F sur P est donc fonction du temps de désintégration

29 Principe général : mesurer la quantité délément père restant (P) et de lélément fils (F) présent dans le minéral ou la roche. Quel que soit le couple utilisé, la désintégration suit une courbe exponentielle de la forme : P = P o.exp(- t) Or, P o est inconnu, mais P o = P + F ; donc : P = (P + F).exp(- t) exp( t) = 1 + F/P doù : t = 1 /. ln (1 + F/P)

30 = constante de désintégration : traduit la vitesse à laquelle se fait la désintégration. Dire que celle du 87 Rb est de 1, /an signifie que pour 1g de 87 Rb 1, grammes se désintègrent par an. Demi-vie = période = temps nécessaire pour que la moitié de l'élément parent soit désintégrée. Réalisation et qualité de la datation dépendent : – de la qualité et la pertinence de léchantillon utilisé (période de lisotope choisi) – La datation nest valide que si : (1/100).T < t < 10.T

31 C. La méthode Rubidium-Strontium 87 Rb* 87 Sr stable Période presque 50 Ga datation des roches les plus anciennes. Problème : présence de 87 Sr à t=0 ( 87 Sr o ) dans léquation : t = 1 /. ln ( Sr d / 87 Rb) 87 Sr d = 87 Sr issu de la désintégration du Rb 87 Sr d = 87 Sr mesuré - 87 Sr o Donc on a 2 inconnues : 87 Sr o et t

32 Résolution On utilise 86 Sr, stable au cours du temps. Pour chaque minéral deux rapports évoluent parallèlement : 87 Sr/ 86 Sr par suite de lenrichissement en 87 Sr 87 Rb/ 86 Sr du fait de la désintégration du 87 Rb

33 On mesure 87 Rb/ 86 Sr et 87 Sr/ 86 Sr dans plusieurs minéraux de la même roche à dater graphe 87 Sr/ 86 Sr = f( 87 Rb/ 86 Sr) droite isochrone, déquation : [ 87 Sr/ 86 Sr] = t.[ 87 Rb/ 86 Sr] + [ 87 Sr o / 86 Sr] 87 Sr o / 86 Sr, rapport initial des deux isotopes du Strontium, nous est donné par lordonnée à lorigine (à t=0, il ny avait pas de 87 Sr issu de la désintégration du 87 Rb). La pente de la droite a permet de calculer t : a = t t = a /

34 Exemple : a = et = 1, /an t = 281,7 Ma

35 La datation des roches par radiochronologie a permis de voir que lâge de la croûte océanique nexcède pas 200 Ma alors que la croûte continentale date, a certains endroits, de plus de 4 Ga.

36 III - Un raccourcissement de la croute continentale à lorigine des reliefs Pelvoux, Massif des Ecrins

37 A. Des indices tectoniques Ama Dablam, massif de l'Himalaya Les chaines de montagnes sont caractérisées par des reliefs élevés…

38 Reliefs compensés en prof par une racine crustale Profil ECORS des Alpes et schéma d'interprétation (Bordas, SVT TS 2003)

39 Plis et failles inverses entraînent un raccourcissement horizontal des terrains et un épaississement de la CC. Le chapeau de Gendarme - Jura

40 Faille inverse, Roche Blanche, Jura

41 Des curiosités… Le champignon de La Cernaise, Jura…

42 Et sa faille…

43 Interprétation

44 Plis = déformations continues et souples réalisées à haute température c.à.d. en profondeur. Failles = déformations discontinues et cassantes réalisées à basse température, c.à.d. vers la surface. Elles sont responsables du déplacement relatif de deux compartiments. Les failles inverses témoignent dun raccourcissement de la croûte… Plis = déformations continues et souples réalisées à haute température c.à.d. en profondeur. Failles = déformations discontinues et cassantes réalisées à basse température, c.à.d. vers la surface. Elles sont responsables du déplacement relatif de deux compartiments. Les failles inverses témoignent dun raccourcissement de la croûte…

45 Faille de décrochement Pli faille Raccourcissement Faille de chevauchement Rejet horizontal Axe des plis Pli simple (déversés) Charnière Anticlinal Synclinal Faille inverse

46 Faille inverse de faible pendage lun des compartiments peut recouvrir lautre chevauchement des couches plus anciennes se superposent à des couches plus jeunes contact anormal. Charriage = chevauchement de grande ampleur : plusieurs dizaines de km. Le compartiment chevauchant est la nappe de charriage.

47 Panorama du Lautaret – Hautes Alpes

48 Plis, failles inverses et charriages se forment sous laction de forces convergentes entrainant une compression.

49 B. Des indices pétrographiques Roches métamorphiques proviennent de la transformation de R préexistantes sous leffet de changement des conditions du milieu(P et/ou T° avec/sans eau) formation de nouveaux minéraux à partir des anciens, qui ne sont plus stables dans les nouvelles conditions. Ces transformations se réalisent à létat solide, sans fusion.

50 Granite Quartz feldspaths mica noir (biotite) Laboratoire SVT NDG RAPPEL :

51 Dans les chaines de montagnes, les roches métamorphiques présentent des indices de compression : Litage : minéraux disposés en lits // Foliation : déformation (aplatissement) qui se manifeste par une orientation préférentielle de certains minéraux. Rq : lits eux-mêmes parfois plissés du fait de la compression Gneiss œillé Laboratoire SVT NDG

52 Echantillon de gneiss 1 lit quartzo-feldspathique 2 lit micacé

53 Blocs de roches métamorphiques près du barrage de la Verne (Var)

54 Certains minéraux peuvent être utilisés comme marqueurs pour déterminer les conditions de formation dune roche. Ex. la coésite, une forme de quartz, ne se forme quà THP et HT, conditions réunies seulement à grandes profondeurs. sa présence dans certaines roches métamorphiques témoigne de leur enfouissement important.

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56 Dans certaines chaines de montagnes, des roches comme les migmatites témoignent dune fusion partielle (anatexie) avec formation dun magma qui recristallise. Ceci se produit sous des conditions de P, T° correspondant à + de 15 km de prof. (+ de 600°C). Dans certaines chaines de montagnes, des roches comme les migmatites témoignent dune fusion partielle (anatexie) avec formation dun magma qui recristallise. Ceci se produit sous des conditions de P, T° correspondant à + de 15 km de prof. (+ de 600°C). Cest quoi une migmatite ?

57 Le mot migmatite fut créé en 1907 par Jakob Johannes Sederholm et signifie littéralement roche mélangée (du grec μιγμα migma, mélange) Migmatite = roche hétérogène, à la fois magmatique et métamorphique

58 Elle contient alternativement des niveaux clairs (leucosome) contenant des minéraux pâles (quartz, feldspaths, mica blanc) et des niveaux sombres (mélanosome) composés de minéraux foncés (biotite et amphiboles).

59 La nature hétérogène de cette roche peut se rencontrer à toutes les échelles dobservation : lame mince échantillon affleurement

60 Migmatites micro-plissées en Afrique du Sud Ces migmatites montrent clairement leucosomes et mélanosomes. La foliation est ici complètement plissée (plis centimétriques à métriques).

61 Comment se forment ces roches ? Leur genèse est liée à une fusion partielle (= anatexie) de roches type gneiss ou micaschistes. Pourquoi ça fond ? Et ça donne quoi ? Pourquoi ça fond ? Et ça donne quoi ?

62 Lépaississement de la croûte continentale est tel que les zones profondes sont à des T° élevées ; de plus la T° augmente aussi du fait de la désintégration de la grande qté de radioéléments. Cette augmentation de T° va induire la fusion partielle de la roche-mère

63 Lordre de fusion des minéraux étant linverse de leur ordre de cristallisation*, les parties fondues constituent un magma de composition granitique qui migre peu et en refroidissant zones claires riches en quartz + feldspaths. Les parties restant solides constituent le restat (mélanosome) appauvri en quartz et feldspaths et enrichi (par différence) en minéraux ferromagnésiens sombres (biotites et/ou amphiboles)… Lordre de fusion des minéraux étant linverse de leur ordre de cristallisation*, les parties fondues constituent un magma de composition granitique qui migre peu et en refroidissant zones claires riches en quartz + feldspaths. Les parties restant solides constituent le restat (mélanosome) appauvri en quartz et feldspaths et enrichi (par différence) en minéraux ferromagnésiens sombres (biotites et/ou amphiboles)… *Voir suite réactionnelle de Bowen, ci-après…

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65 Les migmatites sont donc des roches métamorphiques issues d'anatexie crustale partielle. On les appelle aussi anatexites. Les migmatites sont donc des roches métamorphiques issues d'anatexie crustale partielle. On les appelle aussi anatexites.

66 Remarques Le début de la fusion dépend de nombreux facteurs : – T° bien sûr – Composition chimique des roches en présence – Pression totale – Présence + quantité de vapeur d'eau (baisse du point de fusion) La destinée du liquide formé peut être diverse : – il reste avec les résidus solides formation de migmatites – il peut, dans certains cas, se séparer du résidu non fondu et migrer vers le haut, s'injecter en « diapirs » dans les roches encaissantes : formation de granites danatexie.

67 En résumé Epaississement crustal perturbations thermiques T° fusion partielle liquide magmatique 1 partie se solidifie dans la roche dorigine migmatites. 1 autre partie migre vers la surface granites plus superficiels (granites danatexie). En résumé Epaississement crustal perturbations thermiques T° fusion partielle liquide magmatique 1 partie se solidifie dans la roche dorigine migmatites. 1 autre partie migre vers la surface granites plus superficiels (granites danatexie).

68 Sous leffet de contraintes convergentes, la CC est déformée et cassée en écailles qui sempilent ; son raccourcissement et son épaississement sont à lorigine des reliefs et des racines crustales. Dans celle-ci les roches portées en profondeur à HP et HT subissent des transformations minéralogiques. Ces contraintes résultent de laffrontement de 2 Lithosphères continentales c.à.d. dune collision entre 2 plaques convergentes.

69 On peut donc se demander dans quel contexte se forment les chaînes de montagnes ?

70 Ce sera le sujet du prochain chapitre…

71 Sources asy.swf asy.swf C. Pomerol et al., Eléments de Géologie, Dunod, 12 e éd., 2000 P. Peycru et al., Géologie BCPST 1 ère et 2 ème année, Dunod, 2008 A. Foucault et JF Raoult, Dictionnaire de Géologie, Dunod, 2005 L. Emmanuel et al., Géologie Maxi-Fiches, Dunod, 2011 M. Mattauer, Ce que disent les pierres, Belin, 1998

72 Caractéristiques du domaine continental Réalisation Sylvie Magdelaine Avec (ordre alphabétique) Ama Dablam Briançonnais Gneiss Granite Himalaya Massif du Jura Massif du Mt Blanc Migmatite Parc des Ecrins Pelvoux Caractéristiques du domaine continental Réalisation Sylvie Magdelaine Avec (ordre alphabétique) Ama Dablam Briançonnais Gneiss Granite Himalaya Massif du Jura Massif du Mt Blanc Migmatite Parc des Ecrins Pelvoux

73 Photos de lauteur sauf diapos 37, 47, 52, 58 et 60 A bientôt !


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