En Première S, au bout du bout du thème 1B ...

La dorsale océanique in silico Des banques de données, des modèles numériques et des simulations pour enquêter sur le fonctionnement de la dorsale

En Première S, à la toute fin du thème 1B : « La tectonique des plaques : l’histoire d’un modèle », il ne reste plus (!) qu’à aborder le fonctionnement de la dorsale océanique dans le cadre de l’item « L’évolution du modèle : le renouvellement de la lithosphère océanique » .
Face à la complexité et au caractère peu intuitif des notions scientifiques contenues dans ce sous-thème, il peut être très intéressant (et rentable) pour le professeur de recourir à une pédagogie inversée. Dans ce cas, le modèle de fonctionnement d’une dorsale type, tel qu’il est proposé par la communauté scientifique, est à étudier avant la classe. On réserve le temps de classe (il s’agit ici d’une séance de travaux pratiques) à la quête, la constitution et l’exploitation de ressources numériques apportant des arguments en faveur du modèle.

Place dans le programme

L’évolution du modèle : le renouvellement de la lithosphère océanique
(CONNAISSANCES) (CAPACITES ET ATTITUDES)
En permanence, de la lithosphère océanique est détruite dans les zones de subduction et produite dans les dorsales.
La divergence des plaques de part et d’autre de la dorsale permet la mise en place d’une lithosphère nouvelle à partir de matériaux d’origine mantellique.
Dans les zones de subduction, les matériaux de la vieille lithosphère océanique s’incorporent au manteau.
Objectifs et mots clés. Il s’agit de construire une représentation graphique synthétique du modèle global et de fournir aux élèves les données essentielles sur le fonctionnement d’une dorsale type.
Recenser, extraire et organiser des informations sur des images satellitales et de tomographie sismique.
Réaliser des modélisations analogiques et numériques pour établir les liens entre amincissement de la lithosphère, remontée, dépressurisation et fusion partielle de l’asthénosphère sous-jacente et formation d’une nouvelle lithosphère.

Pré-requis

Au fil du thème 1B, les élèves auront 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 à l’époque des travaux de Wegener)  : 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 distinction lithosphère/asthénosphère (découverte lors de lors de l’exploration des fosses océaniques) : « 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 (vue lors de l’exploration des fosses océaniques)  : 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 :

La dorsale 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 :

"Développée dans les années 1990, la tomographie sismique est une méthode géophysique qui utilise l’enregistrement de la vitesse des ondes sismiques émises lors de tremblements de terre. Cette technique consiste à comparer les vitesses des différentes ondes reçues aux vitesses théoriques attendues pour chaque profondeur. On met alors en évidence des zones où la vitesse des ondes est soit plus élevée que celle prévue à cet endroit (anomalie de vitesse positive), correspondant à des régions plus froides du manteau ; soit plus faible que celle prévue à cet endroit (anomalie de vitesse négative), correspondant à des régions plus chaudes du manteau."
Source : exercice 2-1 sujet bac S métropole septembre 2014

-  Des liens facultatifs 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
• Un dossier du CNRS sur les dorsales : http://www.insu.cnrs.fr/node/3747

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

On veut constituer des ressources permettant de justifier un point du modèle : « Par rapport aux autres secteurs de l’océan, les zones de dorsale se distinguent par la présence d’un diapir asthénosphérique sous leur axe ».
Ressources numériques à utiliserEnoncé
Logiciel en ligne JAMSTEC et sa fiche technique
Le logiciel JAMSTEC (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology) permet de réaliser des tomographies sismiques à n’importe quel endroit du globe. Les modèles tomographiques obtenus sont exportables sous la forme de fichiers kmz que l’on visualise ensuite avec Google Earth.
À l’aide de tomographies réalisées avec le logiciel en ligne JAMSTEC, argumenter l’idée de remontée de l’asthénosphère à l’état solide sous l’axe de la dorsale
Démarche à mener :
- Prévoir les résultats attendus en tomographie sismique sous l’axe d’une dorsale dans le cadre de l’hypothèse d’une remontée asthénosphérique.
- Mener des requêtes afin d’obtenir des modèles tomographiques à l’axe de dorsales (celles des océans Atlantique, Pacifique et Indien) ainsi qu’une tomographie témoin réalisée au niveau d’une plaine abyssale.
Consignes techniques : Créer des tomographies horizontales (= cartes tomographiques) d‘ondes S dans le manteau entre 0 et 100 km de profondeur et/ou des tomographies verticales (= coupes tomographiques) d‘ondes S dans le manteau entre 0 et 1000 km de profondeur, selon le modèle S4ORTS. Paramétrer les données de sortie entre -1% et 1%.

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
Secteur de la dorsale Pacifique : carte tomographique (ondes S) dans les 100 premiers kilomètres de profondeur
Secteur de la dorsale Atlantique : carte tomographique (ondes S) dans les 100 premiers kilomètres de profondeur
Secteur de la dorsale Indienne : carte tomographique (ondes S) dans les 100 premiers kilomètres de profondeur
Une plaine abyssale (témoin) : carte tomographique (ondes S) dans les 100 premiers kilomètres de profondeur
Tomographies verticales du manteau
Secteur de la dorsale Pacifique : coupe tomographique (ondes S) dans les 1000 premiers kilomètres de profondeur
Secteur de la dorsale Atlantique : coupe tomographique (ondes S) dans les 1000 premiers kilomètres de profondeur
Secteur de la dorsale Indienne : coupe tomographique (ondes S) dans les 1000 premiers kilomètres de profondeur
Une plaine abyssale (témoin) : coupe tomographique (ondes S) dans les 1000 premiers kilomètres de profondeur

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

Synopsis des tomographies horizontales entre 0 et 100 km de profondeur sous les trois dorsales
Les requêtes aboutissent à des relevés tomographiques qui montrent bien, pour chaque dorsale, une anomalie de vitesse négative des ondes révélant la présence d’un matériau chaud entre 0 et 100 km de profondeur, c’est-dire à l’emplacement habituel d’une lithosphère. Il peut s’agir du diapir asthénosphérique. Ce matériau qui propage les ondes S n’est pas de nature liquide. Tout ceci conforte l’idée de remontée de l’asthénosphère à l’état solide sous l’axe de la dorsale.

2. Autour du contexte de la fusion partielle

On veut justifier un autre point du modèle : « Les magmas produits au niveau des dorsales sont issus de la fusion partielle des péridotites asthénosphériques. La fusion partielle est déclenchée par la décompression (équivalente à une dépressurisation) des péridotites asthénosphériques au cours de leur remontée sous l’axe de la dorsale ».
Ressource numérique à utiliser
Logiciel Pression, Température et formation des roches sa fiche technique
Fiche technique du logiciel P-T formation des roches


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.
Enoncé
—> À l’aide de la fonctionnalité « Les travaux expérimentaux de fusion d’une roche », simuler les expériences prouvant la possibilité de fusion partielle des péridotites par décompression.
—> À l’aide de la fonctionnalité « Genèse des magmas dans la lithosphère océanique » de ce même logiciel, afficher les données pertinentes démontrant la réalité de la production d’un magma à l’axe d’une dorsale et l’impossibilité de cette production sous une plaine abyssale.

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.

Travaux expérimentaux attestant du rôle de la décompression dans la fusion d’une roche (graphique généré avec le logiciel puis annoté)

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 :

Affichage du solidus des péridotites et du géotherme de dorsale sur un diagramme P-T (graphique généré avec le logiciel puis annoté)
Le géotherme d’une dorsale recoupe le solidus des péridotites : la fusion partielle des péridotites est donc possible sous la dorsale. Le liquide magmatique prend naissance entre 12 et 30 km de profondeur et à environ 1200°C de température.


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 :

Affichage du solidus des péridotites et du géotherme de plaine abyssale sur un diagramme P-T (graphique généré avec le logiciel puis annoté)
Le géotherme d’une plaine abyssale ne recoupe pas le solidus des péridotites. Les conditions de pression et de température qui règnent sous une plaine abyssale ne permettent donc pas la fusion partielle des péridotites.

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 :

Différents géothermes représentés sur un graphe Pression-Température

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 :
L’origine du magmatisme de la dorsale océanique

Quelques liens utiles

— > Un article sur ce site qui propose des solutions pour pratiquer la pédagogie inversée en SVT
—> Toujours sur ce site, dans le cadre du projet TraAM Classes inversées 2016-2017 :
- L’étude du climat en classe inversée - Terminale S spécialité
- L’expansion océanique en classe inversée - Première S
—> 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 de P.Cosentino permet d’obtenir des coupes tomographiques (ondes P) sans recourir à Jamstec. Voir aussi la nouvelle version (V2) de cette application.
— > 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.

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