1Spé Activités Structure du globe

Activités"La structure interne du globe terrestre"

Activité 3 : Les modes de transfert de chaleur dans le globe terrestre

Activité 1 : La croûte terrestre

Activité 2 : Connaître l'intérieur du globe

Activité 4 : Lithosphère et asthénosphère

Activité 1 : La croûte terrestre

1/ A l'aide de l'application "Profil crustal" montrez qu'il existe deux types de croûtes à la surface de la Terre. Vous préciserez leurs caractéristiques (épaisseur, altitude).

Activité 1 : La croûte terrestre

Les altitudes terrestres varient de +8 848m à -11 022m. La répartition de leur fréquence permet de distinguer 2 types de reliefs d’altitudes moyennes différentes : les continents (+ 840m) et les océans ( -4 800m). Cette répartition bimodale reflète un contraste géologique entre océans et continents.
 ➔ Quelles sont les différences géologiques entre les domaines océaniques et continentaux ?

2/ A l'aide de l'ensemble des ressources à disposition sur la paillasse, comparez les roches roches de la croûte océanique et de la croûte continentale. Vous présenterez votre travail sous la forme d'un tableau.

Besoin d'aide ?

Document : La répartition bimodale des altitudes

Les différents types de roches

Densité des roches Déterminez la densité de différentes roches. 
Indiquez vos calculs et vos résultats dans le tableau. Matériel : balance, échantillon de roches, récipient, eau

La structure (ou texture) des roches magmatiques

Rappels de physique

Le vocabulaire pour décrire les minéraux

Le microscope polarisant

Activité 2 : Connaître l'intérieur du globe

PARTIE 1 : Etude de la roche caractéristique du manteau terrestre : la péridotite

L'exploration sous-marine permet une observation directe du manteau. Il est également assez fréquent de trouver dans les roches volcaniques issues de magma d'origine profonde des morceaux de roches du manteau. Cette roche s'appelle : la péridotite.

Etudiez la péridotite à disposition (à l'échelle macroscopique et microscopique). Vous réaliserez un croquis d'observation.

Etude macroscopique et microscopique des roches

Le vocabulaire pour décrire les minéraux

Le microscope polarisant

Activité 2 : Connaître l'intérieur du globe

PARTIE 2 : Etude sismique du globe terrestre

Le forage russe de Kola est le plus profond réalisé. Il a atteint 12 262m de profondeur, soit seulement 0.2% du rayon de la Terre. La structure interne de la Terre a donc été établie par des méthodes indirectes.

➔ Comment les études sismologiques ont-elles permis de construire un modèle de la structure interne de la Terre ?

► Mise en évidence de la relation entre densité et vitesse des ondes sismiques

Nous avons vu que la croûte continentale est composée majoritairement de granites. La croûte océanique de basaltes et de gabbros et le manteau de péridotites.

1/ Montrez qu'il existe une relation entre densité et vitesse de propagation des ondes.

Résultat d'une expérience de mesure de la vitesse des ondes P dans différentes roches

► 1909 – La découverte de Mohorovicic : le « moho » (limite croûte / manteau)

En 1909, suite au séisme de Zagreb, Mohorovicic remarque que les stations proches de l'épicentre (quelques centaines de kilomètres) reçoivent des ondes directes mais aussi de nombreux échos rapprochés de ces ondes (ondes P récléchies notées PMP). Il remarque également que les stations plus éloignés recoivent les ondes P avant les stations plus proches. Il interprète ces observations comme le résultat de réflexions des ondes sur une surface de discontinuité peu profonde (appelée aujourd'hui le Moho) située à une cinquantaine de kilomètres de profondeur, marquée par une brusque augmentation de la vitesse des ondes sismiques : au-dessus de cette limite, ces ondes se propagent à des vitesses faibles alors qu'au-dessous les vitesses sont plus élevées (ondes P réfractées et accélérees).

1/ Expliquez qu’on puisse observer plusieurs fois des trains d'ondes P sur un même enregistrement lors du séisme. Recopiez le schéma ci-dessous et schématisez ce phénomène en représentant en bleu les ondes P directes et en rouge les ondes réfléchies et en vert les ondes P réfractées ( et donc accélérées). Localisez le Moho sur votre schéma.

► 1909 – La découverte de Mohorovicic : le « moho » (limite croûte / manteau)

En 1909, suite au séisme de Zagreb, Mohorovicic remarque que les stations proches de l'épicentre (quelques centaines de kilomètres) reçoivent des ondes directes mais aussi de nombreux échos rapprochés de ces ondes (ondes P récléchies notées PMP). Il remarque également que les stations plus éloignés recoivent les ondes P avant les stations plus proches. Il interprète ces observations comme le résultat de réflexions des ondes sur une surface de discontinuité peu profonde (appelée aujourd'hui le Moho) située à une cinquantaine de kilomètres de profondeur, marquée par une brusque augmentation de la vitesse des ondes sismiques : au-dessus de cette limite, ces ondes se propagent à des vitesses faibles alors qu'au-dessous les vitesses sont plus élevées (ondes P réfractées et accélérees).

2/ Indiquez l'heure d’arrivée des premières ondes P (1er train d’onde), des premières ondes S (3ème train d’onde) et des ondes P indirPMP (2ème train d’onde).

► 1909 – La découverte de Mohorovicic : le « moho » (limite croûte / manteau)

En 1909, suite au séisme de Zagreb, Mohorovicic remarque que les stations proches de l'épicentre (quelques centaines de kilomètres) reçoivent des ondes directes mais aussi de nombreux échos rapprochés de ces ondes (ondes P récléchies et ralenties notées PMP). Il remarque également que les stations plus éloignés recoivent les ondes P avant les stations plus proches. Il interprète ces observations comme le résultat de réflexions des ondes sur une surface de discontinuité peu profonde (appelée aujourd'hui le Moho) située à une cinquantaine de kilomètres de profondeur, marquée par une brusque augmentation de la vitesse des ondes sismiques : au-dessus de cette limite, ces ondes se propagent à des vitesses faibles alors qu'au-dessous les vitesses sont plus élevées (ondes P réfractéer et accélérees).

3/ D'après ces valeurs et connaissant la distance entre l'épicentre et la station, calculez les vitesses des ondes P (en Km/s) puis déterminez la distance réellement parcourue par les ondes PMP.

' = minute '' = seconde

3/ D'après ces valeurs et connaissant la distance entre l'épicentre et la station, calculez les vitesses des ondes P (en Km/s) puis déterminez la distance réellement parcourue par les ondes PMP.

v=d/t
 d : distance parcourue par les ondes P directes soit 63.3km 
t : temps mis par les premières ondes P pour arriver à la station = heure du séisme à l’épicentre – heure d’arrivée des premières ondes P à la station soit 11s 
AN : v = 5.8km/s d=v.t
 t : Temps mis par les ondes PMP soit 14s
 AN : 81.2km

► 1909 – La découverte de Mohorovicic : le « moho » (limite croûte / manteau)

4/ Déterminez la profondeur du Moho en faisant les approximations suivantes : 
 - on néglige la profondeur du foyer : foyer = épicentre
 - on considère que les ondes PMP suivent le trajet le plus court soit un point de réflexion à équidistance du foyer et de la station.
 On attend l'expression littéral ! On note : 
H la profondeur du Mohod 
 la distance parcourue par les ondes PMP pour atteindre la station S ES la distance parcourue par les ondes P pour atteindre la station S

► 1909 – La découverte de Mohorovicic : le « moho » (limite croûte / manteau)

Le Moho a une épaisseur comprise entre 20 et 90 km (épaisseur plus grande sous les chaînes de montagnes), et de la croûte océanique, ayant une épaisseur comprise entre 5 et 10 km . Le Moho est en moyenne situé à 35 km de profondeur.

5/ Recopiez et complétez le schéma bilan. Notions : Croûte terrestre, croûte continentale, croûte océanique, moho, manteau Indiquer les densités et les roches des différentes couches. Penser à utiliser un code couleur !

► 1912 – La discontinuité de Gutenberg (limite manteau/noyau)

En 1912, le sismologue allemand Gutenberg met en évidence une zone d’ombre sismique à la surface de la Terre. Sur les stations sismiques situées entre 104° et 144° de distance angulaire à l'épicentre d'un séisme (soit de l'ordre de 11 500 à 14 500 km environ), on observe une zone d'ombre sismique, c'est-à-dire une zone dans laquelle aucune station n'enregistre d'ondes sismiques directes provenant d'un séisme. Au-delà de 142°, les ondes P réapparaissent.

A l'aide du protocole à disposition sur la paillasse, expliquez l'origine de cette zone d'ombre et les déductions qu'en a tirées Gutenberg. Complétez votre schéma bilan avec ses nouvelles données.

► 1926 – La discontinuité de Lehmann (limite noyau externe /noyau interne = graine)

Complétez votre schéma bilan avec ses nouvelles données.

Le microsope polarisant

wow

1/ Mettre le filtre polariseur sur la lampe. 2/ Mettre le filtre analyseur en tirant sur la "tirette" au niveau de l'oculaire. 3/ Faire le "noir". 4/ Placer la lame mince de roche sur la platine. 5/ Observer en alternant entre LPA (Lumière Polarisée et Analysée) et LPNA (Lumière Polarisée Non Analysée). 6/ Faire tourner la platine.

PRINCIPE

Activité 3 : Les modes de transfert de chaleur dans le globe terrestre

Les observations directes effectuées dans les mines montrent que la température interne de la Terre croît avec la profondeur. Le tracé représentant l’évolution de la température en fonction de la profondeur est appelé géotherme. On appelle gradient géothermique le taux d'augmentation de la température au sein de la Terre en fonction de la profondeur.Dans les premiers km, le gradient géothermique est de 30°C par km. La chaleur de la Terre provient essentiellement (90 %) de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de certains éléments chimiques présents dans les roches du globe. L’énergie thermique produite est ensuite transférée au sein des enveloppes du globe. La tectonique des plaques est ainsi liée à la dissipation d’énergie thermique interne du globe.

1/ Notez la définion de gradient géothermique et de géotherme.

Activité 3 : Les modes de transfert de chaleur dans le globe terrestre

2/ Réalisez l'ECE à disposition sur la paillasse.

Besoin d'aide ?

3/ Sur le document 1, identifiez les différentes parties duglobe et estimez le gradient géothermique dans chacune d'elles. Complétez le document 2 puis notez vos observations et déductions. Infos complémentaire : épaisseur moyenne de la lithosphère = 120 kmLimite lithosphère/asthénosphère = 1300°C

Activité 3 : Les modes de transfert de chaleur dans le globe terrestre

BILAN : Déterminez laquelle des hypothèses proposées rend le mieux compte des données actuelles et permet d'expliquer de façon correcte les variations du gradient géothermique.

Activité 3 : Les modes de transfert de chaleur dans le globe terrestre

Activité 4 : LIthosphère et asthénosphère

En 1912, Wegener suppose un déplacement horizontal des continents. Dans les années 60, divers arguments prouve cette mobilité horizontale. Hess propose le modèle de l'expansion océanique : la croûte océanique mise en place au niveau des dorsales (mouvement ascendant chaud) retourne dans le manteau au niveau des fosses océaniques (mouvement descendant froid). La convection mantellique est le moteur des déplacements observés. Cependant, la croûte terrestre est solide et repose sur le manteau lui aussi solide... Cela semble incompatible avec le mobilisme. Les géologues ont donc cherché à savoir s'il existait, au sein du manteau, unediscontinuité physique permettant un déplacement horizontal de ce qui est au dessus par rapport à ce qui est en dessous. L'étude des fosses océaniques va permettre d’affiner le modèle de la tectonique des plaques et de découvrir que les enveloppes superficielles (croûte et manteau) s’associent pour former un ensemble fonctionnel : la lithosphère située au dessus d'une partie du manteau appelée l'asthénosphère. Comment l'étude sismique des fosses océaniques permet-elle de distinguer la lithosphère de l’asthénosphère ?

Activité 4 : LIthosphère et asthénosphère

A l'aide de l'étude sismique de la fosse des Tonga et de l'ensemble des documents, caractérisez la lithosphère et l'asthénosphère. Votre réponse comportera un schéma légendé de la fosse des Tonga ainsi qu'un tableau comparatif de la lithosphère et de l'asthénosphère.

Document 2 : Le comportement des matériaux

Protocole "Etude de la fosse des Tonga" (dispo sur la paillasse)

Document 1 : Influence de la température (et donc de la ductilité) du matériau sur la vitesse de propagation des ondes

Document 3 : Isothermes au niveau d'une fosse océanique

Méthode d’étude d’une roche : 

 Macroscopique : couleur, structure/texture, identification à l’œil nu des minéraux Appelez Mme Bouillet pour vérification Notez vos observations et conclusions. Microscopique : structure/texture, identification des minéraux Appelez Mme Bouillet pour vérification Réalisez un croquis d'observation en couleur en utilisation le modèle ci-contre.

Document 2 : Comportement des matériaux La rhéologie décrit la déformation des matériaux quand ils sont soumis à une contrainte. Pour les solides, on distingue des comportements : ductile si la déformation est irréversible sans casser et rigide si la déformation est irréversible en cassant. D'une manière générale, lorsque la température augmente le comportement de la roche initialement rigide tend à être plus ductile.

Elaboration de la stratégie en 3 étapes : 1/ Ce que je fais 2/ Comment je le fais 3/ Conséquences vérifiables (« Résultats attendus »)

Document 3 : Isothermes au niveau d’une fosse océanique

Isotherme : ligne imaginaire passant par les points du globe où la température moyenne est la même.

1-Réalisez plusieurs coupes qui traversent seulement un océan puis relevez la distribution des altitudes les plus fréquentes et l'épaisseur de la croûte océanique. 2-Réalisez plusieurs coupes qui traversent seulement un continent puis relevez la distribution des altitudes les plus fréquentes et l'épaisseur de la croûte continentale. 3-Comparez vos valeurs.

La masse volumique

La densité

1mL3 = 1 cm3 La densité n'a pas d'unité puisque l'on divise une masse volumique par une masse volumique.

Document 1 : Influence de la température (et donc de la ductilité) du matériau sur la vitesse de propagation des ondes

Le montage est le même que celui réalisé en classe sur les différentes barres de roche. Ici, on travaille sur un seul matériau (la pâte à modeler) et on fait varier la température (et donc aussi la ductilité du matériau), on détermine avec Audacity la vitesse des ondes pour différentes températures.

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Le microsope polarisant

1/ Mettre le filtre polariseur sur la lampe. 2/ Mettre le filtre analyseur en tirant sur la "tirette" au niveau de l'oculaire. 3/ Faire le "noir". 4/ Placer la lame mince de roche sur la platine. 5/ Observer en alternant entre LPA (Lumière Polarisée et Analysée) et LPNA (Lumière Polarisée Non Analysée). 6/ Faire tourner la platine.

PRINCIPE

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Minéral : composé solide naturel non organique de composition chimique bien définie (compose les roches).
 Cristal : minéral possédant une structure atomique parfaitement ordonnée (tous les minéraux sont des cristaux). 
Verre : substance minérale naturelle non cristallisée.
Phénocristaux : cristaux de grande taille et géométriques.
 Microlithes : cristaux de très petite taille, souvent en forme de bâtonnet, visible au microscope. 
Structure (ou texture): agencement des minéraux d’une roche.
 Structure grenue : roche entièrement formée de cristaux visibles à l’œil nu. Les roches à structure grenue sont d'origine plutonique, elles se forment par refroidissement lent du magma. 
 Structure microlitique : roche formée de microlithes noyés dans une pâte vitreuse (=verre). Les roches à structure microlitique sont d'origine volcanique, elles se forment par refroidissement assez rapide du magma. Présence éventuelle de phénocristaux.
 Polychroïsme : faculté que possède un cristal d'absorber, en LPNA, des longueurs d'onde (des couleurs) différentes selon l'angle d'éclairement. Ainsi, sa couleur change lorsqu'on le fait tourner. Ex : le quartz est polychroïque. 
Macle : Une macle est un cristal complexe formé de cristaux jumeaux, accolés selon des surfaces planes, mais orientés différemment dans l'espace. Ils présentent donc, en LPA, des éclairements différents selon les zones.
 Clivage : aptitude de certains minéraux à se fracturer selon des surfaces planes dans des directions privilégiées (=plan de débit « facile »). Ex : clivage pyroxène : 90°

Minéral : composé solide naturel non organique de composition chimique bien définie (compose les roches).
 Cristal : minéral possédant une structure atomique parfaitement ordonnée (tous les minéraux sont des cristaux). 
Verre : substance minérale naturelle non cristallisée.
Phénocristaux : cristaux de grande taille et géométriques.
 Microlithes : cristaux de très petite taille, souvent en forme de bâtonnet, visible au microscope. 
Structure (ou texture): agencement des minéraux d’une roche.
 Structure grenue : roche entièrement formée de cristaux visibles à l’œil nu. Les roches à structure grenue sont d'origine plutonique, elles se forment par refroidissement lent du magma. 
 Structure microlitique : roche formée de microlithes noyés dans une pâte vitreuse (=verre). Les roches à structure microlitique sont d'origine volcanique, elles se forment par refroidissement assez rapide du magma. Présence éventuelle de phénocristaux.
 Polychroïsme : faculté que possède un cristal d'absorber, en LPNA, des longueurs d'onde (des couleurs) différentes selon l'angle d'éclairement. Ainsi, sa couleur change lorsqu'on le fait tourner. Ex : le quartz est polychroïque. 
Macle : Une macle est un cristal complexe formé de cristaux jumeaux, accolés selon des surfaces planes, mais orientés différemment dans l'espace. Ils présentent donc, en LPA, des éclairements différents selon les zones.
 Clivage : aptitude de certains minéraux à se fracturer selon des surfaces planes dans des directions privilégiées (=plan de débit « facile »). Ex : clivage pyroxène : 90°

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