SESSION 2007 BANQUE D'EPREUVES G2E GEOLOGIE Durée : 3 heures

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1 SESSION 2007 BANQUE D'EPREUVES G2E GEOLOGIE Durée : 3 heures Les calculatrices programmables et alphanumériques sont autorisées. L'usage de tout ouvrage de référence et de tout document est strictement interdit. Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il en fait mention dans sa copie et poursuit sa composition. Dans ce cas, il indique clairement la raison des initiatives qu'il est amené à prendre. Les candidats doivent respecter les notations de l'énoncé et préciser, dans chaque cas, la numérotation de la question posée. Une grande attention sera apportée à la clarté de la rédaction et à la présentation des différents schémas. Si nécessaire, découper les figures ou schémas requis et les coller dans la copie.

2 1. INTRODUCTION (3 pts / 20) Définissez précisément les termes suivants, en vous aidant de schémas au besoin : discordance, socle et couverture orogène et orogenèse cycle orogénique Surface de discordance = contact entre les couches supérieures et les couches inférieures. Les deux groupes n'ont pas la même géométrie. Les strates supérieures ont sédimenté alors que les strates inférieures avaient déjà pris une structure par la tectonique. Couverture = roches sédimentaires récentes (mésozoïque et cénozoïque en Europe de l'Ouest). La couverture est parfois tectonisée, mais pas ou peu métamorphisée. Les roches n'ont jamais été enfouies à très forte profondeur. Socle : roches anciennes (plutoniques, métamorphiques ou sédimentaires anciennes). Souvent métamorphisées et tectonisées.

3 Orogène : chaîne de montagne (relief important, tectonique, plissement, failles...). Les roches anciennes sont métamorphisées orogenèse : formation de cette chaîne de montagne (collision, subduction...) cycle orogénique : intervalle de temps correspondant à : - la préparation de l'orogenèse (extension, avec formation de bassins sédimentaires, et sédimentation) - orogenèse (compression, rapprochement de plaques, jusqu'à la subduction et/ou la collision) - érosion de la chaîne de montagnes

4 2. LES PYRÉNÉES ORIENTALES, UN DOMAINE OROGÉNIQUE POLYCYCLIQUE (10 pts / 20)
L'Est des Pyrénées est une région géologiquement très complexe. On se propose de mettre en évidence les grandes lignes de son histoire depuis 600 Ma. La Fig. 1 est une coupe à travers la chaîne pyrénéenne. Elle concerne Ia partie centrale de la chaîne (zone axiale) et son versant sud (zone sud-pyrénéenne). Attention: ce n'est pas une coupe réelle, mais une coupe schématique et synthétique destinée à présenter les grands ensembles Hthologiques et leurs relations mutuelles. Les échelles verticale et horizontale sont approximatives, La Fig. 2 indique l'âge des terrains visibles sur la coupe, à l'exception des granités et des métagranites, (Les colonnes A, B et C reprennent le découpage de l'échelle géochronologique,) Le Tableau l fournit quelques informations complémentaires sur ces terrains.

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8 2-1. Décrivez la structure de l'Est de la chaîne pyrénéenne telle qu'elle apparaît sur la Fig, 1 (discordances, grands ensembles structuraux, etc.). zone axiale des Pyrénées : terrains anciens métamorphiques et magmatiques (et quelques terrains plus récents). Tectonique importante (chevauchements de Silurien-Dévonien-Carbonifère sur des terrains du même âge ou antérieurs) zone sud-pyrénéenne : terrains récents. Il y existe un charriage de Trias-Jurassique-Crétacé-Paléocène sur Eocène, et une discordance de Oligocène sur les terrains plus anciens (y compris Eocène)

9 discordance de 3 sur 2 (ordovicien sup sur cambrien : lacune d'ordovicien inf)
==> tectonique à l'ordovicien inf granite recoupant 1-2 (mis en place après 1-2) discordance de 8 (stéphanien) sur terrains plus anciens (2 et granite) ==> tectonique avant le Stéphanien discordance de 10 (Trias inf) sur 8-9 (Stéphanien sup et Permien inf) ==> tectonique au Permien sup Lacune de Jurassique et Crétacé. discordances multiples : 14 sur 13 (Crétacé sup sur Crétacé inf),17 sur (Oligocène sur Crétacé-Paléocène) ==> tectonique au Crétacé sup et Eocène

10 2-2. (6 pts / 20) En vous basant exclusivement sur les Figs
2-2. (6 pts / 20) En vous basant exclusivement sur les Figs. 1 et 2 et sur le Tableau I, reconstituer, en termes de chronologie relative et avec un maximum de détails, l'histoire géologique de ce domaine orogénique, depuis 600 Ma jusqu'à aujourd'hui. Présentez cette histoire sous la forme d'une liste d'événements, numérotés de 1 à n, du plus ancien au plus récent. Discutez soigneusement chaque partie de votre réponse. Illustrez au mieux, quand cela est possible et pertinent, les étapes majeures de cette histoire. (ev1) : mise en place du socle ancien 1 et 2 sur du granite préexistant à la fin du Précambrien et au début du Cambrien (datation des volcanites de 581 Ma) (ev2) tectonisation de ce socle ancien ==> plissement et failles (probablement Cambrien sup ou Ordovicien inf, puisque l'Ordovicien est discordant sur le Cambrien) Métamorphisme (en particulier du granite et de la série 1) volcanites métagranite (gneiss oeillé)

11 (ev3) érosion de l'orogène précédent (ordovicien) et dépôt en discordance de sédiments 3 de l'Ordovicien sup, puis 4, 5, 6, 7 (Silurien, Dévonien, Carbonifère). Au début les sédiments étaient détritiques (érosion de l'orogène précédent), puis les sédiments sont devenus de plus en plus fins (érosion de plus en plus faible) et non détritiques (calcaires, calcschistes, dolomies). (ev4) subsidence, puisque les sédiments 7 ont un faciès flysch (sédiments détritiques marins, provenant de l'érosion du continent). Si un continent voisin était en érosion, c'est qu'il y avait eu une orogenèse au voisinage (Carbonifère : orogenèse hercynienne ?°

12 (ev5) tectonisation des terrains du Silurien-Dévonien-Carbonifère inférieur avec formation de failles (chevauchements, charriages...) et granitisation. Le granite recoupe les terrains en question, mais aussi la faille. Il est donc postérieur à ce charriage. discordance de 8 (Stéphanien sup) sur le granite ==> (ev6) il y a eu tectonique entre le Carbonifère inf et le Carbonifère sup (Stéphanien), puis (ev7) failles normales dans le Stéphanien 8 et Permien inférieur 9. Cette faille ne coupe pas 10 (Trias inf) : elle date donc de Permien sup. (ev8) dépôts de Trias – Jurassique- Crétacé inf (au moins dans le compartiment sud) (év9) les sédiments du Crétacé sup sont des flyschs, témoignant d'une orogenèse au voisinage.

13 Le compartiment sud a Trias sup, Jurassique, Crétacé inf, alors que le compartiment central a Trias inf puis directement Crétacé sup. (ev9) On peut imaginer dépôt de Trias, Jurassique et Crétacé inf, mais un chevauchement a décollé le Trias sup (argiles + évaporites) et les terrains sus-jacents (Jurassique et Crétacé inf). Age du chevauchement ? Crétacé (13 et 15 irréguliers : tectonique) (ev10) émersion, car les sédiments 15 (Crétacé sup – Paléocène) sont continentaux

14 (ev 11) de nouveau immersion à l'Eocène (flysch)
puis émersion (sédiments continentaux) Cette émersion montre une tectonique importante au voisinage (17 et 18 : oligocène miocène, avec des conglomérats importants) (ev13) la tectonique s'est poursuivie longtemps (peut-être encore actuellement) puisque les sédiments du Miocène (18) sont faillés.

15 2-3. L'histoire géologique des Pyrénées orientales est-elle représentative de celle de la France en général, du moins dans ses grandes lignes Oui, puisqu'on y retrouve plusieurs cycles orogéniques : - orogenèse alpine à l'ère Tertiaire - orogenèse hercynienne (= varisque) à la fin de l'ère Primaire - (autres orogenèses plus anciennes)

16 3. APPORTS DE LA GÉOCHRONOLOGIE ISOTOPIQUE (7 pts / 20)
Les méthodes de datation radiochronologique sont basées sur la radioactivité naturelle des roches (ici, des roches magmatiques) et de certains de leurs minéraux. Il existe de nombreux systèmes isotopiques utilisables. Seuls deux d'entre eux sont envisagés ici : le système Rb-Sr et le système U-Pb. - La méthode Rb-Sr permet de déterminer l'âge d'une série de roches supposées cogénétiques (par exemple, une granodiorite, un granite et une aplite d'un même pluton granitique). - La méthode U-Pb concerne essentiellement la datation des zircons de ces roches ; le zircon (ZrO2) est un minéral accessoire très riche en U, mesurant typiquement µm. Il existe en réalité plusieurs techniques, permettant de dater : - simultanément plusieurs zircons (méthode dite sur lots de zircons) ; - les zircons un par un (datation sur monozircon) ; - une partie de zircon, grâce à une microsonde ionique qui permet d'analyser une petite zone d'un diamètre de l'ordre de 25 µm (on obtient ainsi plusieurs âges pour un seul zircon !). 3-1. Âges des granites. Depuis 40 ans, une trentaine de granites pyrénéens ont été datés, certains par plusieurs méthodes. La Fig. 3 présente, en fonction de l'année de détermination, les principaux résultats publiés dans la littérature et obtenus par les méthodes Rb-Sr sur roches totales (Fig. 3A) et U-Pb sur zircons (Fig. 3B). Tous ces âges ont été, au moment de leur publication, considérés comme datant la mise en place des plutons.

17 3-1. Âges des granites. Depuis 40 ans, une trentaine de granites pyrénéens ont été datés, certains par plusieurs méthodes. La Fig. 3 présente, en fonction de l'année de détermination, les principaux résultats publiés dans la littérature et obtenus par les méthodes Rb-Sr sur roches totales (Fig. 3A) et U-Pb sur zircons (Fig. 3B). Tous ces âges ont été, au moment de leur publication, considérés comme datant la mise en place des plutons. Comparez les résultats des deux méthodes. Comparez avec votre réponse à la question 2-1. Quelles raisons peut-on invoquer pour expliquer la grande dispersion des âges ? Concluez quant à l'âge des granites ; est-il envisageable qu'ils soient tous de même âge ? (Vous tiendrez compte du fait que l'âge absolu des limites stratigraphiques n'est connu qu'avec une certaine incertitude, par exemple ± 5 Ma pour le Carbonifère supérieur, dont chacun des trois étages a une durée proche de 10 Ma ; cf. Fig. 2, échelle géochronologique.)

18 La méthode A (Rb-Sr sur roche totale) donne beaucoup d'incertitudes, mais on peut voir un maximum vers 250 Ma. La méthode B (U-Pb sur zircons) donne beaucoup moins d'incertitudes. On voit un maximum vers Ma (Westphalien-Stéphanien). C'est l'orogenèse hercynienne, c'est donc cohérent avec la datation précédente. Il y a une grande dispersion, car il faut que le système se « ferme », c'est à dire arrête d'échanger des atomes ou ions avec le milieu extérieur, ce qui prend du temps pour la cristallisation du granite. De plus, s'il y a une nouvelle phase tectonique, avec métamorphisme en particulier, s'il y a migration d'atomes, la roche semble rajeunie.

19 est-il envisageable qu'ils soient tous de même âge
est-il envisageable qu'ils soient tous de même âge ? (Vous tiendrez compte du fait que l'âge absolu des limites stratigraphiques n'est connu qu'avec une certaine incertitude, par exemple ± 5 Ma pour le Carbonifère supérieur, dont chacun des trois étages a une durée proche de 10 Ma ; cf. Fig. 2, échelle géochronologique.) Par la méthode A, c'est difficilement envisageable : l'écartement entre les mesures semble supérieur à l'incertitude de la mesure. par la méthode B, c'est à exclure : l'incertitude est beaucoup plus petite que l'écartement entre les mesures. On peut donc conclure que les granites sont d'âge différent.

20 3-2. Grâce à différents radiochronomètres, l'évolution de la température (« thermochronologie ») d'un pluton granitique situé au centre de la zone axiale a pu être évaluée, depuis le moment de sa mise en place jusqu'à aujourd'hui (Fig. 4). Cette évolution s'inscrit-elle correctement dans l'histoire géologique que vous avez établie à la question 2-1 ? Le magma granitique s'est mis en place vers 800°C, puis s'est refroidi vers 300°C au Carbonifère, ce qui semble logique. Ensuite, il a subi une histoire incertaine vers 100 Ma (tectonique pyrénéenne récente, Crétacé sup – Eocène). Peut-être réchauffement possible lors de cette tectonique pyrénéenne. ==> oui, cette évolution s'inscrit correctement dans l'histoire géologique établie à la question 2-1.

21 3-3. Ages des métagranites (orthogneiss)
3-3. Ages des métagranites (orthogneiss). Tout comme les granites, les orthogneiss ont fait l'objet d'assez nombreuses tentatives pour dater la mise en place de leur protolithe (les roches initiales, c'est-à-dire des granites). La Fig. 5 présente les âges publiés dans la littérature, selon diverses méthodes et en fonction de l'année de leur détermination. Discutez ces résultats, d'abord entre eux, puis en les comparant à ceux obtenus sur les granites. Précisez la nature des relations entre les métagranites et les terrains encaissants. Précisez en conséquence l'histoire géologique établie à la question 2-1.

22 La méthode Rb-Sr sur roche totale est très imprécise
La méthode U-Pb sur zircons est plus précise, mais avec des résultats très espacés La méthode U-Pb sur monozircons est aussi très peu précise Par contre, la méthode U-Pb par microsonde ionique est très précise : peu d'intervalle d'incertitude, et toutes les mesures sont rassemblées vers Ma, c'est à dire le début de l'Ordovicien. Ces métagranites sont plus jeunes qu'indiqué dans la réponse à la question 2. Ils se sont mis en place après les sédiments de l'Ordovicien, probablement à l'occasion du plissement et du métamorphisme qui l'a accompagné. Amélioration de la réponse à 2-1 : Il y a eu dépôt de 1 et 2 sur le socle granitique, puis métamorphisme, qui a provoqué la cristallisation des zircons à 460 Ma

23 3-4. La Fig. 6 indique la morphologie caractéristique des zircons magmatiques, ainsi que celle des zircons détritiques (dans les processus sédimentaires, les zircons sont des minéraux particulièrement résistants à l'altération et au transport...). La Fig. 7 montre six zircons extraits de deux échantillons de métagranites pyrénéens, ainsi que les âges obtenus ponctuellement (les « spots » d'analyse ont un diamètre d'environ 25 µm) sur ces zircons. La Fig. 8 indique les âges de 25 cœurs de zircon déterminés dans divers métagranites de l'Est des Pyrénées. Qu'apportent ces données ?

24 La périphérie des zircons est toujours à 476 Ma ==> ils ont fini de s'accroître lors du dernier métamorphisme, soit à l'Ordovicien. Le coeur a un âge beaucoup plus variable, correspondant à l'âge du début de cristallisation, soit 476 Ma (grain 2), soit plus ancien. On peut reconstituer les différentes périodes de cristallisation de zircons, c'est à dire les périodes de métamorphisme-magmatisme (périodes tectoniques).

25 Beaucoup de coeurs de zircons datent de 600 Ma, un peu à 780, à 1000 et à 1760 Ma.
On met ainsi en évidence les divers cycles orogéniques successifs des Pyrénées.

26 3-5. Conclusion. Relativement à l'état des choses à la fin du Carbonifère, quelle partie de la croûte continentale de l'époque est-elle aujourd'hui visible (croûte supérieure et/ou moyenne et/ou inférieure) ? (question pas très claire... Au Carbonifère, 8 s'est déposé sur 2 et le granite. C'est donc qu'à l'époque, 2 et le granite constituaient la couverture, donc la croûte supérieure.