première série scientifique Alain FARALLI IA-IPR SVT Programme SVT première série scientifique MARSEILLE Mercredi 25 mai 2011 Alain FARALLI IA-IPR SVT

THÈME1-B. La tectonique des plaques : histoire d’un modèle. Benoit Morazé

RÉALISER UNE FRISE HISTORIQUE

Les travaux de Gaston BACHELARD sur l’histoire des sciences soulignent que la marche des idées ne s’effectue pas de manière régulière et ininterrompue. Ce n’est pas une simple accumulation de découvertes et d’inventions qui s’additionnent progressivement, mais une aventure faite de perpétuelles ruptures.

Une triple préoccupation Comprendre la marche des idées. Enrichir le premier modèle de structure du globe établi au collège. Mettre en place des activités pratiques des élèves.

La naissance de l’idée

Les premières cartes géographiques mondiales 1507 Martin WALDSEEMÜLLER cartographe

Dès 1596 le cartographe hollandais Abraham ORTELIUS remarque le parallélisme frappant entre le tracé des côtes atlantiques africaines et sud-américaines et évoque l’idée d’une séparation via des tremblements de terre et des inondations.

Une inspiration religieuse De la Renaissance jusqu’au début du XXème siècle, plusieurs auteurs expliquent le rassemblement des continents, suggéré par le dessin particulier des côtes sur les deux rives de l'Atlantique, par le livre de la Genèse qui évoque, au moment de la création du monde, la formation à la surface de la Terre de deux unités distinctes : les eaux et le continent « que les eaux qui sont sous le ciel s’amassent en un seul et que le continent apparaisse »

1912 Les intuitions d’Alfred WEGENER concernant la dérive des continents: une première phase centripète dans la marche des idées

Si le météorologue allemand Alfred Wegener ne fut pas le premier à proposer un déplacement des continents au cours du temps, il fut le premier à chercher à regrouper tous les arguments en faveur de cette théorie de la dérive des continents .

la distribution bimodale des altitudes s'oppose à la théorie de contraction thermique de la Terre de Edouard Suess pour expliquer les reliefs.

1858 Antonio Snider-Pellegrini , géographe français ! Edouard Suess, géologue autrichien

Au même moment (1914) Harold Jeffreys Beno Gutenberg Inge Lehmann proposent un modèle de structure du globe dont on peut dire, dans l’ensemble , qu’il reste aujourd’hui pratiquement inaltéré.

L’étude de la propagation des ondes sismiques révèle, qu’en dehors d’un noyau externe liquide, la totalité du globe terrestre est solide. Concept SIAL-SIMA

Au nom d’une rigueur scientifique sans faille, envisager alors qu’un milieu solide puisse se comporter comme un liquide est un non-sens physique. La théorie de la dérive des continents est rejetée par l’ensemble de la communauté scientifique de l’époque. Dérive des continents

Aucune hypothèse alternative n’étant formulée, une phase centrifuge dans la marche des idées s’instaure. L’élaboration d’une cartographie géologique du monde absorbe alors 9/10e du potentiel intellectuel et financier des géologues du monde entier. L’esprit cartographique à des échelles de plus en plus régionales tourne le dos à toute vision globale: le détail appelle le détail ; le moyen est devenu une fin en soi... Un peu comme la réalisation du dessin d’observation dans notre enseignement !

Le rôle de la Seconde Guerre Mondiale dans la naissance de la tectonique des plaques a été primordial. Marie Tharp Bruce Heezen Maurice Ewing mettent en évidence la topographie des fonds océaniques (1956) par échosondage.

De la chaleur est libérée par la désintégration des éléments radioactifs découverte par Marie CURIE au début du XXe siècle. Les mesures de flux thermique océanique à l’aide d’un appareil inventé par Edward BULLARD et débutées en 1954 révèleront de fortes anomalies positives à l’axe des dorsales.

Une mise en relation explicative entre la bathymétrie des océans avec existence de dorsales et de fosses océaniques les anomalies dans les valeurs du flux océanique thermique à leur niveau. et des anomalies de pesanteur relevées lors de ses nombreuses plongées, est établie par Harry Hammond HESS en 1960.

H.H. Hess ne fait que réactiver l'idée de l’écossais Arthur HOLMES, émise dès 1929 que l'intérieur de la Terre soit un milieu convectif.

Holmes 1945 Ceci est le schéma original de Holmes. (A) Holmes propose que l'existence de courants de convection dans le manteau, sous un grand bloc continental (comme la Pangée, par exemple), crée dans la croûte continentale des forces de tension. Ces forces de tension vont contribuer à fracturer la croûte continentale, avec, dans les fractures ouvertes, des venues de magma provenant du manteau. (B) La cristallisation de ce magma va créer de la croûte océanique composée de basalte. Toujours sous l'influence de la convection, la nouvelle croûte océanique va elle aussi se fracturer et être infiltrée par le magma

1961 Robert DIETZ introduit le concept d’expansion des fonds océaniques. H.H. HESS et R. DIETZ remobilisent l’idée d’une dérive des continents de Wegener sans obtenir comme lui l’adhésion de la communauté scientifique.

Le paléomagnétisme des roches 1952 Patrick BLACKETT met au point un instrument pour mesurer le champ magnétique.

1959 Avec son assistant Keith RUNCORN et Ted IRVING, ils déterminent la direction des paléopôles de roches d’âges différents et sur différents continents. Ils remobilisent l’idée d’une dérive des continents de Wegener sans obtenir eux aussi l’adhésion de la communauté scientifique.

Deuxième phase centripète dans la marche des idées. Le fait décisif : les mesures du magnétisme au niveau des océans aboutissent à la découverte sur le plancher océanique de bandes d’anomalies magnétiques symétriques par rapport à l’axe des dorsales.

1963 Une mise en relation explicative irréfutable l’idée d’expansion des fonds océaniques. Lawrence MORLEY Drummond MATTHEWS – Fred VINE 1963 Bernard BRUHNES découvre en 1901 l’existence d’inversions du pôle magnétique.

Désormais l’ensemble des recherches est axé à renforcer cette idée mobiliste et s’inscrit dans une étape de conséquences vérifiables; Si cela est vrai, alors…

Il doit exister une zone de découplage . L’analyse des enregistrements avec des ordinateurs de plus en plus performants de la propagation des ondes de surface (Rayleigh et Love) par Don Lynn ANDERSON, élève de Béno GUTENBERG qui en avait lui-même déjà subodoré l’existence dès 1926. Inge LEHMANN place cette zone la LVZ entre 135 et 200 km de profondeur.

L’interprétation de la répartition des foyers sismiques au niveau des fosses océaniques. Kiyoo WADATI 1930 Hugo BENIOFF 1955

Ils définissent les notions de lithosphère et d’asthénosphère et montrent qu’au niveau des fosses océaniques la lithosphère s’enfonce dans le manteau.

L’interprétation de la répartition des foyers sismiques au niveau des dorsales océaniques et des failles transformantes. Tuzo WILSON Lynn SYKES Fred VINE Tuzo WILSON

La surface du globe est constituée de calottes sphériques rigides appelées plaques dont les mouvements latéraux peuvent être décrits par les règles mathématiques, définies par L.EULER. William Jason MORGAN tectoglob Xavier LE PICHON Dan Mc KENZIE Les failles transformantes sont situées sur des petits cercles concentriques dont le centre n'est pas le centre du globe mais celui de l'axe de rotation de la plaque (pôle eulérien). (1967)

1968, le terme de tectonique des plaques est défini dans une synthèse contribuant à établir une logique entre les faits géophysiques (magnétisme et sismologie) sur des bases mathématiques (géométrie eulérienne) par: Bryan ISACKS Jack OLIVER Lynn SYKES

Le modèle devient un fait vérifiable par mesures directes Programmes de forages sous-marins J.O.I.D.E.S (274 forages de 1968 à1973)

Mesures à l’aide du Global Positioning System Le GPS fonctionne grâce au calcul de la distance qui sépare un récepteur GPS et plusieurs satellites (une constellation de 31 satellites Navstar)

Désormais le modèle s’enrichit des faits qui ne s’intègrent pas à priori avec le modèle initial. Volcanisme intraplaque et points chauds (MORGAN 1972 ) : localisation de quatre volcans actuellement actifs et de quatre alignements de guyots et d’îlots volcaniques éteints.

Les Acquis de Quatrième

Un modèle en théorie déjà connu! Programme de Quatrième La partie externe de la Terre est formée de plaques lithosphériques rigides reposant sur l'asthénosphère qui l’est moins. La répartition des séismes et des manifestations volcaniques permet de délimiter une douzaine de plaques. Les plaques sont mobiles les unes par rapport aux autres et leurs mouvements transforment la surface du globe. À raison de quelques centimètres par an, les plaques s’écartent et se forment dans l'axe des dorsales. Elles se rapprochent et s'enfouissent au niveau des fosses océaniques. La collision des continents engendre des déformations et aboutit à la formation de chaînes de montagnes.

La partie externe de la Terre est formée de plaques lithosphériques rigides reposant sur l'asthénosphère qui l’est moins. Plaque 1 Plaque 2 Profondeur

La répartition des séismes et des manifestations volcaniques permet de délimiter une douzaine de plaques lithosphériques.

Réseau notionnel simplifié du Programme de 4ème Lithosphère Asthénosphère Délimitation Répartition des Séismes Lithosphère découpée en plaques Plaques Répartition des Volcans Mouvements et conséquences Réseau notionnel simplifié du Programme de 4ème Accrétion au niveau des dorsales Subduction au niveau des fosses océaniques Collision au niveau des chaînes de montagnes Tectonique globale

Des mises en activité pratique des élèves envisageables Des observations à différentes échelles, de l’échantillon macroscopique à la lame mince, des roches des croûtes océanique et continentale et du manteau.

Des mesures à l’aide de dispositifs ExAO Un PC avec une carte son possédant une entrée en ligne  (Line in). L'utilisation de la carte son permet d'obtenir des vitesses d'échantillonnage importantes et de réaliser des enregistrements Un logiciel de traitement du son. Des capteurs piézométriques placés dans des boîtiers munis de mousse pour les plaquer au substratum et obtenir des enregistrement de meilleure qualité. Des rallonges et adaptateurs pour connecter les capteurs piézométriques à l'entrée de la carte son.

Des modélisations analogiques 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 Notion de croûtes continentale et océanique Notion de manteau supérieur péridotitique 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. Notion de lithosphère et asthénosphère

Des modélisations analogiques Propagation de rais lumineux à travers des milieux d’indice de réfraction différent Structure interne du globe Changement de phase en relation avec une dépressurisation Notion de fusion partielle Mise en évidence du point de Curie Notion de magnétisme rémanent Âges des sédiments et expansion océanique Etc.

Des modélisations numériques Simuler la propagation des ondes sismiques à l'intérieur du globe sur la base des observations sismologiques : logiciels sismolog, onde P. Simuler la fusion partielle ou de la cristallisation des roches : logiciel MAGMA Comprendre comment les failles transformantes correspondent à des petits cercles centrés sur l’axe eulérien et permettent ainsi d’en déterminer la position : logiciel Tectoglob Utiliser des données GPS pour construire les vecteurs de déplacements des plaques lithosphériques : logiciel Educarte Etc.

Tectonique des plaques et ressource locale Nature de la ressource localisation Contexte structural de formation dans le cadre général de la tectonique des plaques Bauxites et ocres Altération tropicale et position de la Provence au Crétacé. Bombement durancien-doming dans le cadre du rifting pyrénéo-provençal en liaison avec l’ouverture océanique du Golfe de Gascogne et la rotation du bloc ibérique. « Pierre du Midi » Transgression miocène post-rifting oligocène et ouverture du bassin océanique nord-occidental de la Méditerranée en relation avec la rotation de la microplaque Corso-Sarde. « Pierre de Provence » Calcaire urgonien dépôt de marge passive de l’océan alpin Craie d’Orgon Plan d’Orgon

Tectonique des plaques et ressource locale Nature de la ressource localisation Contexte structural de formation dans le cadre général de la tectonique des plaques Argilites rouges de Saint Henri et Saint André Marseille Les Milles Apt Dépôt syn-rifting oligocène Argiles smectiques Mormoiron-Apt Dépôt lacustre éocène Marnes bleues La Malle Cassis Dépôts jurassiques ou aptiens de marge passive de l’océan alpin Gypse Roquevaire Dépôt syn-rifting triasique Mazan (Vaucluse) Lignite Gardanne- Fuveau-Gréasque Dépôt Crétacé supérieur (Fuvélien) Lien avec les conditions climatiques tropicales et le positionnement de la Provence au Crétacé.