Géologie

Réf : 507 059

Français – p 1 Version : 3101

Modèle de l’isostasie

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1 Sommaire

2 Présentation de la maquette. ..................................................................... 1

3 Montage de la maquette ............................................................................ 2

4 Exemples de Modélisation ......................................................................... 6

5 Le concept d’isostasie et ses représentations ........................................... 7

6 Exploitations pédagogiques de la maquette .............................................. 9

7 Maquette isostasie sur fluide.................................................................... 12

8 Entretien et stockage ............................................................................... 13

9 Service après vente ................................................................................. 13

2 Présentation de la maquette.

Cette maquette a pour objectif d’appréhender par analogie la notion d’isostasie. La lithosphère est simulée par des étuis coulissants lestés. Ce dispositif permet de faire varier :

- La masse et/ou le volume, afin de prendre en compte la notion de densité différentielle des roches.

- L’épaisseur de la lithosphère et la hauteur du relief, en superposant plusieurs étuis de même densité.

Les mouvements verticaux simulant la poussée d’Archimède sont rendus possibles par la mousse élastomère support.

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3 Montage de la maquette

3.1 Composition

2 façades translucides 11 intercalaires 2 pieds supports 1 intercalaire central à clips 15 étuis rouges 15 étuis jaunes 5 étuis transparents 25 blocs de mousses 15 pastilles velcros bouclettes 15 pastilles velcros crochets 1 200 gr (environ) de plombs 1 entonnoir

3.2 Assemblage du réseau

1- Dépelliculer seulement une face (devient la face intérieure). L’autre face

restera protégée le temps du montage, cela permettra de prendre appui dessus sans l’abimer.

2- Montage de l’intercalaire à clips en position centrale. Cette pièce a vocation à rigidifier la structure, les clips sont dimensionnés afin de créer un maintien fort. Cependant, en cas de difficulté, un ébavurage des pointes de têtes, à l’aide d’un papier de verre ou d’une paire de ciseaux, peut être parfois nécessaire.

On repère le bas de la façade à l’aide des 3 ouvertures qui recevront la fond de la maquette

haut

bas

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3- Positionner ensuite les intercalaires (a), le fond de la maquette (b) et fixer les pieds supports à chaque extrémités (c).

On peut se servir du bloc de mousse comme support pour surélever la maquette. Cette position facilite la mise en place des pieds et la fixation de la seconde façade (étape suivante).

4- Installation de la seconde façade.

• Dépelliculer les 2 faces de la seconde plaque

• Ajuster les intercalaires dans les encoches.

(a)

(b)

(c)

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Clipser.

5- Enlever la dernière protection : le montage du réseau est terminé

6- Mise en place de la mousse sur 1 ou 2 couches par tube à ajuster en fonction de l’activité : hauteur du relief et poids de la colonne.

3.3 Montage et lestage des étuis

Mise en place des pastilles velcros qui ont pour fonction de récupérer les blocs lestés 2 possibilités 1 pastille positionnée sur la cape supérieure (d) permet de retirer les étuis un à un sans déplacer celui situé en dessous (ex : simulation de phénomènes d’érosion). A l’inverse, en fixant 1 velcro de chaque coté (e), on peut simuler des colonnes de matériaux solidaires de la lithosphère.

Cape supérieure Embase

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Lestage des blocs. Les activités de modélisation sont réalisées avec des charges de 20g mini à 60 g maxi par étuis. Il est recommandé de peser avec une précision de +/- 0,2 g On peut différencier les densités à l’aide des 2 couleurs de blocs. Equiper un des étuis transparents avec les pastilles velcro, il servira ensuite d’outil de récupération des blocs.

(d)

(e)

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4 Exemples de Modélisation

4.1 Modèle de Pratt

Exemple avec un lest de 35 gr par étuis, on fait varier le volume en faisant coulisser l’étui. (Explications complémentaires §4Le concept d’isostasie et ses représentations)

4.2 Modèle de Airy

4.2.1 Représentation simplifiée

On simule l’érosion en enlevant les blocs

4.2.2 Représentation avec mise en évidence de la su rface de compensation

Dans ce montage, chaque couleur correspond à une densité spécifique (Explications complémentaires §4Le concept d’isostasie et ses représentations) Blocs jaune : 30 g Blocs rouge : 60 g ½ blocs rouge : 30 g Ce montage nécessite la constitution de ½ bloc rouge. Cet aménagement est facilement réalisable à l’aide de ciseaux et de ruban adhésif. (Explications complémentaires §4Le concept d’isostasie et ses représentations)

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5 Le concept d’isostasie et ses représentations

La formulation du concept d'isostasie a permis d'expliquer l’attraction que les chaînes de montagnes exercent sur un fil à plomb : cette attraction est en effet moindre que celle à laquelle on s'attendrait compte tenu de la masse des montagnes. L’hypothèse est qu’il existe alors en profondeur une surface de compensation sur laquelle les tensions se réduisent à une simple pression s'exerçant normalement partout sur la surface de compensation. L’isostasie (du grec isos, égal, et stasis, arrêt), ou équilibre isostatique, traduit l'état d'équilibre des roches de la croûte terrestre par rapport au manteau sous-jacent. Les éléments de la croûte (ou, plus généralement, de la lithosphère) enfouis à une certaine profondeur sont soumis à la même pression indépendamment des irrégularités topographiques en surface. La profondeur à laquelle l'équilibre isostatique est atteint est appelée surface de compensation. Les manuels de SVT en Terminale Scientifique illustrent l’isostasie à travers les modèles de deux britanniques : Pratt et Airy. Un modèle plus récent existe : celui de VENING MEINESZ. Ces modèles ont des implications et des domaines d’application différents. Quelles sont les conceptions rattachées à l’isostasie ?

5.1 Le modèle de John Henry PRATT (1809-1871)

Son auteur suppose en 1855 qu’au-dessus de la surface de compensation d’égale profondeur en tout point, la couche externe du globe solide est constituée de colonnes qui ont toutes la même masse (voir figure 1). Les plots utilisés ont la même masse mais ont été plus ou moins « étirés » : ils représentent donc des colonnes qui n’ont pas la même « épaisseur » (E). L’épaisseur de la première colonne à gauche (E1) est inférieure à celle de la deuxième colonne à droite (E2), elle-même inférieure à celle de la troisième colonne (E3). La quatrième colonne (celle du milieu) a l’épaisseur la plus importante (E4). Ces plots ont donc une masse volumique ρ différente. D’après ce montage, cela se traduit par la mise en équation suivante :

ρ1.E1 = ρ2.E2 = ρ3.E3 = ρ4.E4

Fig 1 : Montage correspondant au modèle de Pratt

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Selon ce modèle, la compensation est réalisée par des montagnes constituées de matériaux de plus faible densité.

5.2 Le modèle de George Biddell AIRY (1801-1892)

Les variations d’altitude sont compensées par des changements latéraux de l’épaisseur de la couche externe du globe terrestre qui est de densité constante et plus faible que le substratum qu’elle surmonte. La couche « flotte », à la façon d’un iceberg, selon le principe d’Archimède. Cette couche s’enfonce en racines dans le substratum sous les chaînes de montagnes élevées. Pour AIRY, l’enfoncement de la surface de compensation est localisé sous le relief de la chaîne de montagne. Nota : le modèle d’AIRY est mis en défaut au niveau de la chaîne himalayenne – tibétaine dont la croûte n’a qu’une épaisseur de 55 km. C’est certes plus important que l’épaisseur de la croûte sous l’Inde (35 à 40 km), mais reste très inférieur à l’épaisseur que pourrait prévoir un calcul (80 km).

5.2.1 Le modèle de Felix Andries VENING MEINESZ (18 87-1966)

Ce modèle plus récent stipule que le poids d’une chaîne de montagnes est compensé non pas à l’échelle locale, mais à une échelle régionale bien plus étendue. Ici, la lithosphère rigide surmonte l’asthénosphère moins résistante et déformable qui se comporte comme un fluide. La lithosphère fléchit sous le poids des montagnes en répartissant la charge sur une plus vaste étendue. Nota : ce modèle s’applique par exemple dans le cas de l’ensemble Himalaya – Tibet évoqué précédemment.

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6 Exploitations pédagogiques de la maquette

6.1 Les attentes du programme de terminale S

La notion d’isostasie apparaît explicitement dans le programme de SVT de l’enseignement obligatoire de la classe de Terminale scientifique.

Terminale S - Thème 1 : La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution du vivant

B : Le domaine continental et sa dynamique

1 - La caractérisation du domaine continental : lithosphère

continentale, reliefs et épaisseur crustale

Connaissances Capacités, attitudes

La lithosphère est en équilibre (isostasie) sur l'asthénosphère. (…) Au relief positif qu'est la chaîne de montagnes, répond, en profondeur, une importante racine crustale.

Réaliser et exploiter une modélisation

analogique ou numérique pour

comprendre la notion d'isostasie.

Extrait du programme de l'enseignement spécifique de SVT en

classe terminale de la série scientifique.

D’après le Bulletin officiel spécial n°8 du 13 octobre 2011.

Après un bref rappel sur les principaux modèles relatifs à l’isostasie, la présente notice propose un exemple de scénario pédagogique dans lequel la maquette est exploitée. Cette utilisation permet d’atteindre les objectifs du programme concernant l’isostasie.

6.2 Suggestions d’utilisation de la maquette pour illustrer les modèles de PRATT et d’AIRY

Il existe bien entendu plusieurs approches pour traiter la notion d’isostasie. Sans en préférer une plutôt qu’une autre, ni même proposer l’organisation d’une séance complète de travaux pratiques, la notice de la maquette propose ci-après un exemple de scénario pédagogique dans lequel l’exploitation de la maquette est possible. On se place dans le cas où l’enseignement de la géologie commence par le thème 1-B-1 (cf. introduction). On propose aux élèves deux schémas légendés correspondant respectivement aux modèles de PRATT et d’AIRY. Dans un premier temps, les élèves identifient les points communs et les différences entre ces modèles. Ensuite, on propose aux élèves de représenter chaque modèle à l’aide des éléments de la maquette. Cette approche devrait permettre aux élèves de mieux visualiser les implications de chaque modèle. Vous trouverez ci-après un exemple de progression permettant d’illustrer chaque modèle avec la maquette. Les « solutions » proposées donnent de très bons résultats en classe évidemment d’autres approches sont possibles.

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6.3 Illustration du modèle de PRATT :

Pour cette activité, on peut fournir le protocole suivant aux élèves afin qu’ils le mettent en œuvre en respectant ces consignes. a. Disposer deux cubes de mousse par rangée dans la maquette. b. Verser dans huit plots jaunes la grenaille de plomb. La masse totale de

chaque plot doit faire 30 g . Attention :il faut prendre en compte la masse des deux parties des étuis vides.

→Il s’agit ici de constituer cinq colonnes de deux plots jaunes chacun.

c. Refermer les plots. « Etirer » certains plots plus que d’autres. Conserver

deux plots non « étirés ».

→Les cinq colonnes qui auront la même masse (60 g au total) n’auront pas le même volume. On modélise ainsi des colonnes de matériaux de même masse mais de masse volumique différente.

d. Placer les colonnes constituées dans la maquette, côte à côte, de sorte

(par exemple) que la colonne la moins grande soit à gauche et la plus longue à droite, afin de représenter une variation topographique (relief).

e. Observer la base des colonnes et constater sans peine leur

« alignement ». Celui-ci matérialise la surface de compensation. Idée : on peut placer un transparent (ou un papier calque) sur une des faces de la maquette et y représenter les structures en place afin de communiquer les résultats sous la forme d’un schéma.

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Illustration du modèle de AIRY :

Pour cette activité, on peut fournir les données du problème aux élèves qui devront ensuite, par le calcul, prévoir l’utilisation des éléments de la maquette et rédiger un protocole à mettre en œuvre. Données du problème : Vous disposez de plots jaunes (masse totale d’un plot = 30 g) et rouges (masse totale d’un plot = 60 g) à partir des quels vous allez devoir constituer quatre colonnes de même masse (120 g). Parmi ces quatre colonnes, l’une ne sera constituée que de plots jaunes, les trois autres seront formées de plots jaunes et rouges.

� Indiquez, à l’aide de calculs, les combinaisons de plots à faire pour atteindre cet objectif.

� Valider le résultat de vos calculs en mettant en œu vre un protocole que vous aurez rédigé et dans lequel vous utiliserez la maquette « Isostasie ».

Solution : les quatre colonnes ayant la même masse, et l’une d’elles n’étant formée que de plots jaunes, on peut réaliser les combinaisons suivantes. Les quatre colonnes reposeront chacune sur un cube de mousse.

4 plots jaunes = 4 x 30 g = 120 g 3 plots jaunes + ½ plot rouge = 3 x 30 g + 0,5 x 60 g = 120 g 2 plots jaunes + 1 plot rouge = 2 x 30 g + 1 x 60 g = 120 g 1 plot jaune + 1,5 plots rouges = 1 x 30 g + 1,5 x 60 g = 120 g

Il faudra donc couper certains plots rouges afin qu’ils aient une hauteur correspondant à la moitié d’un plot normal. Une fois le montage réalisé, les élèves constateront sans peine l’enfoncement de la surface de compensation sous l’élément topographique le plus grand. On pourra illustrer ainsi que sous une chaîne de montagne, le modèle d’AIRY prévoit l’existence d’une racine crustale.

Répartition des masses pour chaque étui

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Illustration du réajustement isostatique Dans le programme de Terminale S, l’isostasie est abordée à nouveau dans le cadre du réajustement isostatique qui s’opère lors de l’érosion des reliefs. Le phénomène d’érosion s’accompagne d’une remontée de la racine crustale et peut conduire à l’affleurement des granitoïdes, ce qui traduit en profondeur une fusion partielle des roches de la croûte. Ce réajustement isostatique peut être modélisé par « chargeant » un plot de grenaille de plomb que l’on place au niveau d’une colonne. Enlever ce plot revient à simuler une érosion (NB : cela pourrait tout aussi simuler la fonte d’un glacier continental). On observe alors une remontée de la surface de compensation. Les qualités de la mousse employée dans la maquette permettent de constater que le réajustement se fait avec un certain retard par rapport à l’érosion. Cela permet alors de discuter des effets actuels de la disparition de l’inlandsis qui recouvrait jadis une partie de l’Europe de Nord (Scandinavie) notamment. Observation de la remontée de la surface de compensation suite à un phénomène d’érosion (repérage ici à l’aide d’une feuille pliée, lestage identique au modèle d’Airy).

Illustration de la fonte de glacier avec remontée de la lithosphère. (Plot jaune lesté à 30g et plot translucide 70 g de grenaille).

7 Maquette isostasie sur fluide

Les différentes activités décrites précédemment peuvent être réaliséesen immergeant le support dans un bac. Matériel utilisé

- Le support isostasie est muni d’ouvertures à la base qui permettent la circulation du fluide.

- Les blocs lestés (6g < masse < 15g maxi) � Ne pas immerger les blocs de mousses ceux-ci ne sont pas utiles pour cette activité. La fonte des glaciers peut être simulée simplement en utilisant les étuis transparents avec de l’eau et une pipette pasteur pour le prélèvement progressif du liquide.

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Utilisation de la solution viscosante (réf.107244) En augmentant la viscosité du milieu on observe un ralentissement des mouvements de réajustement. Dilution de l’agent viscosant de l’ordre dex3 à x5 bien mélanger et laisser reposer 20 minutes minimum. Conservation de la solution une fois diluée 3 à 4 jours à température ambiante.

8 Entretien et stockage

Le matériel ne nécessite aucun entretien particulier. Lors du stockage les blocs mousses élastomères ne doivent pas être comprimés, laisser les soit libres dans la maquette ou utiliser le sachet zip fourni. Le dispositif n’est pas démontable, il faut le ranger avec précaution afin d’éviter les rayures. Avant d’utiliser un marqueur ou un feutre directement sur polycarbonate, faire un essai préalable sur une petite partie car certaines encresne sont pas compatibles avec le matériau (même celles destinées au tableau blanc). Nettoyage : utiliser de l’eau additionnée de détergent ou de alcool (pour éliminer les traces de feutres ou d’adhésif (par exemple).

9 Service après vente

La garantie est de 2 ans, le matériel doit être retourné dans nos ateliers. Pour toutes réparations, réglages ou pièces détachées, veuillez contacter :

JEULIN - SUPPORT TECHNIQUE 468, rue Jacques Monod

CS 21900 27 019 EVREUX CEDEX FRANCE

0 825 563 563 * * 0,15 € TTC/ min à partir d'un poste fixe