Place dans le programme

La dynamique des zones de divergence

 Pré-requis

Au fil du thème, les élèves auront préalablement eu l’occasion d’étudier :
– Le lien entre propagation des ondes sismiques et nature des matériaux (établi au moment de l’étude de la structure du globe)  : alors que les ondes P se propagent dans les milieux solides et dans les liquides, les ondes S ne se propagent que dans les milieux solides.
– La structure thermique du globe en relation avec le modèle PREM : la température interne de la Terre croît avec la profondeur (gradient géothermique). Le profil d’évolution de la température interne présente des différences suivant les enveloppes internes de la Terre.
– La distinction lithosphère/asthénosphère  : la limite inférieure de la lithosphère correspond généralement à l’isotherme 1300° C.
– La différence de propagation d’ondes à travers un même matériau à des températures différentes  : plus la température d’un matériau est basse, plus les ondes sismiques s’y propagent rapidement.

  Les ressources à étudier avant la classe

–  Un corps de ressources obligatoires
— > Fiche présentant la connaissance des scientifiques, à lire avant la classe :

^{Remarque : La partie transmissive est ici sous la forme d’un document à lire. On peut bien sûr envisager des formats plus audacieux (voir sur ce site).}

— > Le principe de la tomographie sismique :

–  Un lien facultatif vers des compléments d’informations en ligne
• Une découverte du plancher océanique, par le bais de son exhumation dans une chaîne de montagnes dite de collision : http://www.geol-alp.com/brianconnais/_lieux_Claree_E/Chenaillet.html

  Test de vérification

Un QCM est proposé pour repérer les éventuelles difficultés des élèves à la suite à ce qui est donné à étudier avant la classe.
Ce questionnaire a été généré à partir de l’outil « forms » de Google Docs. Il est nécessaire de disposer d’un compte google ou gmail pour créer ce document.
^{Remarque : de mutiples outils existent pour créer des QCM en ligne. On peut citer Netquizweb, Socrative}

  Les activités pendant la classe

  1. Autour de la remontée asthénosphérique

Un exemple de déroulement

–  La prévision des résultats attendus :
On sait que plus la température d’un matériau est basse, plus les ondes sismiques s’y propagent rapidement. On sait que l’asthénosphère est plus chaude que la lithosphère.
Si l’hypothèse d’une remontée asthénosphérique est exacte, on doit enregistrer une anomalie de vitesse négative des ondes sismiques sous l’axe de toute dorsale.
^{Remarques :
— > le fait de demander des tomographies des ondes S plutôt que des ondes P permettra après-coup d’affirmer que les matériaux dont on aura prouvé la remontée sont des matériaux solides.
— > pour favoriser la co-construction des ressources, on peut répartir le travail entre différents groupes d’élèves qui travaillent alors sur des dorsales géographiquement différentes, ou bien sur des représentations tomographiques différentes : horizontales (cartes) ou verticales (coupes).}

–  Les résultats des requêtes tomographiques :
Les différents fichiers kmz générés avec Jamstec en utilisant le modèle S4ORTS :

Tomographies horizontales du manteau
Tomographies verticales du manteau

Une vue d’ensemble des modèles obtenus en tomographie horizontale, pour chaque dorsale :

  2. Autour du contexte de la fusion partielle

Ressource numérique à utiliser

Logiciel Pression, Température et formation des roches sa fiche technique Ce logiciel est commercialisé par Jeulin. Se munir de la version 2.04 ou supérieure. Le logiciel Pression, Température et formation des roches permet de simuler des travaux expérimentaux sur des roches afin de comprendre les facteurs de production d’un magma. Le même logiciel renferme d’autre part une banque de données permettant d’accéder au géotherme en différents endroits du globe et au solidus des matériaux dont on veut étudier la possibilité de fusion.

Un exemple de déroulement
– Le logiciel en mode simulation
La lecture préalable de la fiche technique du logiciel doit permettre de comprendre qu’un clic sur le graphe P-T correspond à un couple de conditions pression-température choisies par l’utilisateur. Il s’agit donc, si on veut tester la possibilité de fusion partielle par décompression, de choisir une série de couples pour lesquels on fait varier la pression sans modifier la température et d’observer l’état du matériau soumis à ce protocole.

^{Remarque : les simulations réalisées montrent aussi que la fusion partielle peut être réalisée en augmentant la température du matériau. On pourra signaler aux élèves que cette condition est à l’origine du volcanisme de point chaud.}

– Le logiciel en mode banque de données
D’après la fiche technique du logiciel, les données à afficher sont d’une part le solidus de péridotites et d’autre part le géotherme qui règne à l’endroit du globe où l’on enquête sur les possibilités de fusion. Il s’agira ensuite d’observer sur le graphique pression-température si le géotherme de l’endroit étudié intersecte ou non le solidus des péridotites.

Cas d’un géotherme de dorsale :

^{Remarques :
– la profondeur donnée par le logiciel ne correspond pas aux publications scientifiques qui mentionnent de manière unanime une fusion du manteau sous les dorsales commençant vers 50-60 km de profondeur
– le logiciel renferme également une banque de données sur la composition chimique des roches, ce qui offre la possibilité de montrer la différence de composition chimique entre la roche source (péridotite) et le liquide magmatique obtenu (basaltique) et de préciser ainsi la notion de fusion partielle.}

Cas d’un géotherme de plaine abyssale :

Pour faire le lien entre les deux familles d’activités (requêtes tomographiques et requêtes sur les géothermes), il peut être intéressant d’afficher sur un même graphique les deux géothermes et de les comparer :

On observe que le géotherme de dorsale est plus horizontal que celui d’une plaine abyssale. Cela signifie qu’à une même profondeur, il fait plus chaud sous l’axe de la dorsale que sous une plaine abyssale. Cette différence s’explique facilement par le diapir asthénosphérique (l’isotherme 1300°C se retrouve plus près de la surface) dont on a cautionné l’existence avec les relevés tomographiques.

En somme, en associant les données récoltées lors de des deux activités, on arrive au schéma de causalité suivant :

  Quelques liens utiles

— > Un article sur ce site qui propose des solutions pour pratiquer la pédagogie inversée en SVT
— > sur le site Eduterre, une activité pédagogique avec Jamstec :
Mise en évidence de la zone de fusion partielle dans les zones d’accrétion océanique
— > sur le site svt de l’académie de Nice, le logiciel tomographie sismique V2 de P.Cosentino permet d’obtenir des coupes tomographiques (ondes P) sans recourir à Jamstec. Voir enfin la possibilité de réaliser des coupes tomographiques avec le logiciel Tectoglob3D, du même auteur.
— > pour les lycées n’ayant pas fait l’acquisition du logiciel P, T et formation des roches, le logiciel en ligne "Presse à enclumes de diamant" proposé par P. Cosentino permet de soumettre des échantillons de roche à diverses pressions et température, et d’observer le résultat sous forme graphique. Par contre, cette application ne remplace pas la partie banque de données du logiciel.

Auteur de cet article : Anne FLORIMOND, professeur de SVT au lycée Richelieu à Rueil-Malmaison, professeur formateur (stages PAF Versailles) et professeur associé aux travaux de l’Ifé.

Remerciements à Bruno BOUCHER et Laurent GUERRE pour leur relecture, aide et conseils.