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SCIENCES DE LA TERRE

Thème général : structure, composition et dynamique de la Terre

Horaire : 10 semaines à raison de 2 heures de cours par semaine et 2 heures de travaux pratiques.

Ce programme s'appuie sur les acquis du collège et de la classe de seconde. La tectonique des plaques et les modèles de la structure et de la dynamique interne de la Terre fournissent un cadre de réflexion qui s'enrichit et évolue au fur et à mesure de l'accumulation des données. La démarche des scientifiques vise en permanence à enrichir les modèles de Terre, à les critiquer et donc à les faire évoluer pour parfaire la description du fonctionnement et de l'évolution de la planète qui est un système complexe. L'ordre de présentation des objectifs de connaissance n'impose aucune progression pédagogique particulière. Liberté dans la progression est donc laissée au professeur. Ainsi, il est possible de présenter d'abord les données pour aboutir à une présentation synthétique de la structure et du fonctionnement de la terre. L'enseignant peut aussi tenir compte davantage des acquis des classes antérieures et partir d'une présentation simplifiée des modèles de Terre qui constitueront une référence que l'élève s'approprie, utilise, questionne et enrichit dans sa progression au cours de l'année scolaire. La classe sur le terrain est un moyen privilégié d'aborder la géologie à une échelle aisément accessible aux élèves. Sur un affleurement ou face à un paysage offrant une grande diversité d'informations, l'élève est conduit à sélectionner un objet d'étude pertinent. Il apprend à observer et décrire les objets d'intérêt géologique, puis il en dégage des informations importantes. Il sollicite son imagination pour les interpréter et les intégrer à une représentation plus globale de la planète. La confrontation entre les données acquises sur le terrain et d'autres données choisies et présentées par le professeur permet d'orienter la réflexion des élèves vers l'un des thèmes du programme. Le professeur intègre la sortie sur le terrain dans sa progression pédagogique et la place au moment jugé le plus opportun en fonction notamment du site retenu. Les roches sédimentaires représentent un faible volume de la planète et, de ce fait, peuvent être négligées quand on établit une composition chimique globale de la Terre. Néanmoins, elles sont des enregistreurs privilégiés de l'histoire de la Terre, de la tectonique des plaques et des changements de l'environnement terrestre. Ces aspects sont abordés en première à l'occasion de l'étude des marges passives et seront développés en terminale.

ACTIVITÉS ENVISAGEABLES

NOTIONS ET CONTENUS








Expérience analogique de réflexion
et de réfraction des ondes sismologiques sur une interface à l'aide d'ondes lumineuses. Mise en évidence de la zone d'ombre sismologique due au noyau de la Terre.
Structure et composition chimique de la Terre interne
(durée indicative : 3 semaines)


Origine, différenciation et structure interne de la Terre

L'étude de la propagation des ondes sismiques montre que la Terre est structurée en enveloppes concentriques de tailles, masses et masses volumiques différentes  : la croûte (continentale ou océanique), le manteau et le noyau. Les enveloppes sont séparées par des discontinuités physiques et/ou chimiques. La lithosphère se distingue de l'asthénosphère sous-jacente par un comportement rigide.

La température, la pression et la masse volumique varient avec la profondeur.

Cette structure de la Terre résulte, d'une part de sa formation par accrétion de petits corps dont les météorites de type chondrite sont les vestiges, d'autre part de sa différenciation.

Limites : l'étude détaillée des météorites n'est pas au programme.




À partir de l'étude d'affleurements, mise en
évidence des textures et compositions chimiques d'échantillons représentatifs des enveloppes accessibles de la Terre : péridotites, granitoïdes, basaltes.

La taille relative de l'échantillon et des
minéraux ou verre qui le constituent impose le choix de la quantité de roches à prélever pour obtenir une composition chimique représentative de l'objet étudié.


Calcul de la composition chimique du noyau,
connaissant celle des météorites de type chondrite et celle des péridotites du manteau.

Composition chimique de la Terre : des échantillons naturels aux matériaux inaccessibles


Seuls les matériaux de la croûte et du manteau supérieur sont observables à la surface de la Terre. Les enveloppes de la Terre, accessibles par échantillonnage, ont des compositions chimiques différentes que l'on détermine à partir de l'étude de roches représentatives. Ces roches sont formées de minéraux et/ou de verre.

La composition chimique des enveloppes de la Terre est dominée par un nombre limité d'éléments dits "majeurs" (Si, O, Mg, Fe, Ca, Na, K, Al)

Les principaux minéraux qui hébergent ces éléments sont : olivines, pyroxènes, feldspaths, quartz, amphiboles et micas.
La composition chimique des roches est présentée en % massique d'éléments chimiques.

Les matériaux du manteau profond et du noyau sont inaccessibles.

On peut néanmoins, par des modèles et des raisonnements qui tiennent compte de la formation de la Terre à partir des chondrites, préciser leurs compositions.

Limites : la structure détaillée des minéraux et la minéralogie exhaustive ne sont pas au programme.




Les fondements de la tectonique des plaques
(Wegener et la dérive des continents, Vine et Matthews) : lecture critique de documents historiques.
La lithosphère et la tectonique des plaques
(durée indicative : 2 semaines)


Découpage de la lithosphère en plaques d'épaisseur variable, peu déformables à l'exception de leurs limites

Le relief de la Terre, la distribution géographique des volcans et des séismes, les contours des bordures continentales sont des signatures de la tectonique des plaques.




Calcul des vitesses et sens de déplacement
des plaques lithosphériques à partir de données géologiques. Exploitation de la carte des âges du fond des océans : symétrie des âges dans l'océan Atlantique -dissymétrie des âges dans l'océan Pacifique ; largeur variable d'un océan à l'autre des sédiments d'âge donné, alignements de volcans de points chauds. Mise en évidence des variations des vitesses dans l'espace et dans le temps.


Calcul de vitesse et sens de déplacement des plaques à partir de données GPS.

Réalisation d'un document de travail récapitulatif qui constitue une référence que l'élève va utiliser et approfondir dans sa progression, au cours des années de première et de terminale.
Mouvements relatifs des plaques : divergence au niveau des dorsales océaniques où elles se forment, convergence dans les zones de subduction et de collision où elles disparaissent, coulissage le long des failles transformantes


Différentes données géologiques (âges des sédiments des fonds océaniques, alignement des volcans de points chauds, anomalies magnétiques) permettent de reconstruire les directions et les vitesses des mouvements des plaques ainsi que leurs variations pour les 180 derniers millions d'années de l'histoire de la Terre.

Ces directions et vitesses sont mesurables sur des échelles de temps de quelques années par
les techniques de positionnement par satellites (GPS : Global Positioning System).

Le modèle de la cinématique globale des plaques, fondé et construit sur des observations
géologiques et géophysiques, est validé et affiné par ces mesures pratiquement instantanées.

L'étude de la divergence se fait en classe de première. La convergence est présentée en classe de première et sera développée en classe terminale.

Limites : les détails des techniques de positionnement GPS ne sont pas au programme.








Expériences analogiques de tectonique
en extension et comparaison avec les observations géologiques.


Des péridotites aux basaltes. Formation des basaltes par fusion partielle des péridotites.

Nature et chimie de la lithosphère océanique : roches initiales, roches hydratées et/ou déformées.

Nature des roches sédimentaires des marges passives et des fonds océaniques : enregistrement de l'histoire d'un océan.
Divergence et phénomènes liés
(durée indicative : 3 semaines)


Formation et divergence des plaques lithosphériques au niveau des dorsales océaniques. Activités tectoniques et magmatiques associées

  • Tectonique : la morphologie, la présence de séismes et les failles normales qui structurent les dorsales océaniques attestent de mouvements en extension.


  • Magmatisme : les dorsales océaniques sont le siège d'une production importante de magma : de l'ordre de 20 km3 par an. Ces magmas sont issus de la fusion partielle des péridotites du manteau induite par décompression. Ils sont de nature basaltique. La fusion partielle leur donne une composition chimique différente de celle de la roche source. Le refroidissement plus ou moins rapide des magmas conduit à des roches de textures différentes (basaltes/gabbros).
    En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit, s'hydrate et s'épaissit.

  • Marges passives des continents : elles sont structurées par des failles normales et sont le siège d'une sédimentation importante. Elles ont enregistré l'histoire précoce de la rupture continentale et de l'océanisation. L'activité des failles normales, héritage de rifts continentaux, témoigne de l'amincissement de la lithosphère et de sa subsidence.
  La machinerie thermique de la Terre
(durée indicative : une semaine)


Dissipation de l'énergie interne de la Terre

Le flux de chaleur en surface en est la manifestation principale. La chaleur interne a pour origine essentielle la désintégration de certains isotopes radioactifs.


Expérience analogique de convection.
Convection du manteau terrestre


La fabrication de la lithosphère océanique, la subduction et les mouvements des plaques lithosphériques sont les manifestations d'une convection thermique à l'état solide du manteau (transport de chaleur par mouvement de matière). Les dorsales océaniques traduisent des courants montants chauds de matériel du manteau. Les plaques en subduction traduisent des courants descendants froids.


Estimation de la quantité de laves émise par
un point chaud (ex : trapps du Deccan ou plateaux océaniques) à partir de cartes et de coupes géologiques. Comparaison avec la quantité de basaltes produite par le volcanisme des dorsales océaniques.
Points chauds


Le magmatisme lié aux points chauds marque la remontée ponctuelle de matériel du manteau profond. Il s'exprime par des éruptions massives de laves basaltiques (plateaux océaniques, trapps, alignements insulaires).

La classe sur le terrain, une démarche scientifique
(durée indicative  : une semaine)

La sortie de terrain a pour objectif d'observer des affleurements, de s'approprier logiquement l'information géologique et les questions qu'elle soulève, de sensibiliser l'élève à l'importance de la collecte des données de terrain. Le contexte et les problèmes géologiques choisis doivent se rattacher au contenu du programme.

Cette sortie géologique a également pour objectif une approche concrète de la diversité morphologique des végétaux en liaison avec leur environnement.

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