Etudier le devenir des produits d’érosion d’une chaîne de montagnes (l’Himalaya) grâce à des données de forage océanique Utilisation en classe de données issues de la littérature scientifique

Cet article présente une manière originale d’aborder la notion d’érosion en classe de TS à travers l’analyse de carottes sédimentaires récoltées lors de l’expédition 362 d’IODP (International Ocean Discovery Program) dans l’océan Indien, au large de l’île de Sumatra, en août-septembre 2016.
Cette activité a pour but de faire découvrir aux élèves la plupart des notions nécessaires à la compréhension du chapitre, tout en utilisant des données récentes de recherche :
-  Découvrir la notion de sédiment et de sédimentation
-  Comprendre et visualiser le transport des sédiments le long des fleuves puis en milieu océanique profond
-  Travailler sur des données scientifiques réelles et actuelles (2017)


- Liaison avec le programme et place dans la progression
- Problème à résoudre
- Notions, savoir-faire, compétences
- Outils numériques et ressources

- Déroulement de la séquence

Professeur

Agnès POINTU, au lycée Louis de Broglie (78), Education Officer lors de la campagne « Sumatra Seismogenic Zone ») à bord du JOIDES Resolution

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné Terminale S obligatoire
Partie du programme : Thème 1B4 : Le domaine continental et sa dynamique
LIAISON AVEC LE NOUVEAU PROGRAMME
Niveau concerné Seconde
Partie du programme : Les enjeux contemporains de la planète : Géosciences et dynamique des paysages
PLACE DANS LA PROGRESSION
La séquence proposée peut illustrer le chapitre concernant la disparition des reliefs. Elle peut constituer une séance complète de TP ou être proposée en séance d’AP.
La séquence présentée ici a été construite pour les Terminales S. Elle nécessite des adaptations en Seconde, nouveau programme.
MOTIVATION
On peut illustrer la notion de disparition des reliefs en considérant l’érosion de la plus grande chaîne de montagnes actuelle, l’Himalaya, à travers l’étude de carottes sédimentaires récupérées au large de l’île de Sumatra en 2016 au cours d’une mission de forage océanique. L’érosion himalayenne alimente le plus gros éventail sédimentaire sous-marin du monde situé dans le golfe de Bengale.

Cette séance permet d’aborder les notions d’érosion, de transport des sédiments le long des fleuves puis en milieu océanique profond. Elle permet également d’utiliser en classe des données issues de la littérature scientifique récente (2017).

PROBLEME A RESOUDRE
La mission 362 « Sumatra Seismogenic Zone » (août-septembre 2016) avait pour objectif de forer dans les sédiments alimentant le prisme d’accrétion de la zone de subduction de la fosse de la Sonde et de Sumatra.
La mission ainsi que ses objectifs est présentée sur la page internet suivante :
https://joidesresolution.org/expedition/362/
Certaines données issues de cette mission sont ici utilisées pour illustrer la notion d’érosion des chaînes de montagnes en classe de TS.
Diapositive1



De nombreux dépôts turbiditiques sont identifiables dans les carottes récoltées. Au sein des niveaux sableux de ces dépôts, on peut retrouver des minéraux caractéristiques de roches magmatiques et métamorphiques.
Pour les élèves, le but est de s’interroger sur les sources possibles de ces dépôts turbiditiques en utilisant différents types d’arguments : la morphologie du plancher océanique et la datation de l’âge des zircons contenus dans ces sédiments.

NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, COMPETENCES
Notions Extrait du Bulletin officiel spécial n° 8 du 13 octobre 2011, pour les Terminales S :
« Il s’agit de montrer que les chaînes de montagnes sont des systèmes dynamiques et disparaissent »
[Limites. Aucun exemple précis n’est imposé par le programme ] »

Extrait du Bulletin officiel spécial n°1 du 22 janvier 2019, pour le nouveau programme de Seconde :
« Dans ce thème, l’étude des paysages actuels permet de comprendre les mécanismes de leur évolution, le caractère inexorable de l’érosion et l’importance des mécanismes sédimentaires. »

Notions abordées dans l’activité :

  • Sédimentation en milieu marin profond
  • Transport des sédiments (le long des fleuves mais surtout en milieu marin profond)
  • Erosion des chaînes de montagnes
Savoir-faire
  • Exploiter des résultats
  • Saisir des informations
Compétences
  • Travailler de manière autonome
  • Argumenter
  • Exploiter et synthétiser des informations
ACTIVITE
Durée : 1h30 Coût : 0 Sécurité : RAS

Outils numériques et ressources
  • Logiciel Google Earth

Déroulement détaillé de la séquence

Activité introductive :

Découvrir le mode d’obtention de carottes sédimentaires lors d’un forage océanique

On commence par présenter aux élèves une courte vidéo introductive présentant les activités de forage du JOIDES Resolution afin de les familiariser avec la notion de carotte sédimentaire (« core » en anglais) et leur mode d’extraction. On peut utiliser par exemple de courtes vidéos en ligne (et en anglais) :

On étudie ensuite, sur photos, une sélection de carottes réalisées au cours de l’expédition 362. Ces carottes ont été sélectionnées car elles montrent des séquences turbiditiques assez facilement reconnaissables.

Carottes-362

Découvrir la notion de sédiment et la mise en place des turbidites

En observant ces carottes, les élèves peuvent identifier la répétition de motifs caractéristiques et séquentiels (identifiés par les doubles flèches sur l’image ci-dessous). Ces dépôts présentent un granoclassement : des sables en base de dépôt allant vers des dépôts de plus en plus fins de type argile.

Diapositive2

On peut fournir aux élèves des échantillons de sables et d’argiles afin qu’ils constatent la différence de granulométrie entre ces particules.

On réfléchit ensuite avec les élèves aux conditions de mise en place de ces dépôts. Quel style de dépôt peut conduire à l’établissement d’un tel granoclassement ?

Ces dépôts sont en réalité des dépôts de mode « avalanche ». Une avalanche de sédiments se produit dans laquelle toutes les tailles de particules sont mélangées puis les particules se déposent en fonction de leur taille. Les sables se retrouvent donc en base de séquence et les particules les plus fines, les argiles, en sommet de séquence.
On peut aiguiller les élèves en leur proposant d’agiter, dans un tube à essai, un mélange de sables et d’argiles. On peut alors observer l’établissement d’un granoclassement dans le tube.
On trouve de nombreuses vidéos en ligne montrant la mise en place de ce type de dépôts notamment celle-ci :

S’interroger : quelles sont les roches qui ont été érodées ? Quel type d’argument utiliser ?

La question suivante se pose alors « où sont localisées les roches dont l’érosion a conduit au dépôt de ces sédiments ? ».

C’est également une question que se posent les chercheurs. Dans un premier temps, ils réalisent, à bord du bateau, des frottis de sédiments qui sont appelés en anglais des « smear-slides ». On prélève avec un cure-dent quelques particules du sédiment dont on veut identifier la provenance, on l’étale sur une lame et on observe au microscope polarisant. La nature des particules contenue dans le sédiment est une première indication concernant leur provenance. La technique de réalisation des smear-slides est présentée dans cette courte vidéo :

Diapositive3

L’analyse de quelques smear-slides présentées dans le diaporama fourni permettra rapidement aux élèves de reconnaître des minéraux caractéristiques de roches métamorphiques et plutoniques (quartz, amphibole, grenat…).

Diapositive4
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Remarque : La détermination des minéraux au microscope polarisant est ici différente de celle habituellement réalisée par les élèves sur des lames minces puisque les minéraux sont regardés « par le dessus », non « à travers ». J’ai donc choisi, pour ne pas embrouiller les élèves, de présenter les lames déjà interprétées.

On peut donc conclure de l’examen de ces lames que les roches érodées sont des roches magmatiques et/ou métamorphiques. Mais lesquelles ?

En se référant à Google Earth, plusieurs régions sources possibles peuvent émerger : l’Inde, le Sri Lanka, les îles Amadan, la Birmanie et bien sûr les montagnes himalayennes.

Diapositive6

En analysant la morphologie du plancher océanique, on peut restreindre le champ des possibles :
•L’Inde et le Sri Lanka sont des hypothèses à exclure en raison de la bathymétrie (les sédiments ne peuvent pas traverser la Ride de 90°E qui représente un haut topographique)
•Sumatra est aussi une zone à exclure aussi car la majorité des sédiments provenant de l’érosion de l’île sont piégés dans le bassin d’avant arc.
• Les 3 autres hypothèses restent possibles : îles Adaman, Birmanie et Himalaya.
L’hypothèse « Birmanie » et/ou « Himalaya » est par ailleurs renforcée par l’observation, avec Google Earth, de nombreux chenaux qui drainent ces zones (ne pas hésiter à beaucoup zoomer pour visualiser les chenaux).

Diapositive7

Des études complémentaires ont été menées à l’issu de la mission. Les zircons présents dans les niveaux sableux des turbidites ont été isolés et datés. La répartition statistique de leurs âges est alors comparée à celle des zircons provenant des différentes formations possibles identifiées précédemment.

Les résultats ont été publiés en 2017 et l’article original est disponible en ligne :
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X17303977

La figure utilisée avec les élèves est la figure 2 de l’article, que j’ai légèrement modifiée dans le diaporama afin de la rendre plus compréhensible.

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L’analyse de l’âge des zircons contenus dans les échantillons montre que :

• Le pic que l’on observe entre 0 et 100 Ma (pour les échantillons 1-2-4 et 9), se retrouve dans les échantillons du provenant du Brahmapoutre moderne, de l’Irradawy mais pas dans ceux du Gange. Ce pic semble par ailleurs caractéristique de certaines formations Birmanes (Dupi Tila, Tipam, et Bokabil) ce qui laisse penser que ces zircons viennent de Birmanie. Dans une moindre mesure, ils pourraient également venir des Iles Adaman.

• Le pic observable vers 500 Ma (échantillons 1-2-4-5-6-8-9) se retrouve dans les zircons du Brahmapoutre, de l’Irradawy et du Gange. Ce pic semble caractéristique de certaines formations de Birmanie (Dupi Tila, Tipam, et Bokabil), de la formation TH en Himalaya et dans une moindre mesure des îles Andaman.

• Les zircons dont l’âge de répartit sous forme de dôme aux alentours de 1000 Ma a clairement une signature himalayenne (séries TH et GHS). Il pourrait peut-être se rattacher aux Iles Adaman (mais de façon moins nette selon moi).

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Pour conclure :

On a des indices certains prouvant que, parmi les sédiments turbitiques, une partie au moins provient de l’érosion de l’Himalaya. L’intérêt de cet exercice est qu’il n’y a pas validation d’une seule hypothèse : certains des sédiments viennent également des îles Adaman et de Birmanie. On peut imaginer que les apports de ces différentes régions ont varié au cours du temps, (garder en mémoire que l’on date certains sédiments qui se sont déposés avant la surrection himalayenne). Cela permet aborder également l’idée que l’enregistrement sédimentaire est dynamique et qu’il reflète le contexte géodynamique global.

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