BCPST-Véto 1 – Mercredi 30 janvier 2008 - Devoir n°5 – Durée 3h30Épreuve de géologie – Le sujet comporte 5 exercices indépendants, notés chacun sur 20 points

Exercice n°1 : Cartographie géologiqueL'étude porte sur la région de SAILLANS (Drôme), dans la fraction la plus septentrionale des chaînes subalpines méridionales. La photo aérienne, dont l'orientation est repérée sur la carte par une flèche (←), présente le secteur du SAOU (sud-ouest de la carte) avec au premier plan le site très touristique des Trois Becs.

1°) A partir des affleurements et des nombreux signes de pendage, décrire les structures géologiques de la moitié ouest de la carte. Confronter reliefs et structures.

2°) En utilisant le profil topographique fourni, réaliser une coupe à main levée selon une direction Nord-Sud, dans la position repérée par les deux tirets sur la carte.Pour simplifier, on réunira l'ensemble des terrains j (de j5 à jn1) en une seule couche et on fera de même pour les terrains n et c. On adoptera les figurés proposés.

Exercice n°2 : Reliefs des fonds de l'Océan Indien (d'après ENS 2007) L'altimètrie satellitale permet la mesure de la hauteur du géoïde. Des calculs menés à partir des mesures conduisent à l'établissement d'une carte des anomalies gravimètriques rendant compte de façon très précise des reliefs sous marins. (une carte en couleur sera fournie)

1°) Sur un schéma accompagné d'un commentaire, présenter les principaux reliefs repérés dans l'océan indien. (On exclura la zone nord-ouest de la mer d'Oman). (Attention les reliefs positifs sont soulignés par des ombrages gris sombre vers l'est qui ne doivent pas être confondus avec des anomalies)

2°) Les plateaux basaltiques sous-marins de l’Océan Indien ont été étudiés par les forages scientifiques du programme Ocean Drilling Project (sites ODP 706, ODP 713, ODP 715) et par des forages d’exploration industrielle (site Elf NMA-1). La position et les résultats des forages sont reportés respectivement sur la figure D1 et le tableau 2.

Le forage NMA-1 a perforé 115,5 m de basalte à grain fin et à olivines. Ce basalte a été radiométriquement daté à 55 Ma. Ce basalte est altéré et disposé en couches de 10 m d’épaisseur (effusion aérienne). De manière similaire, les basaltes forés par les sites ODP montrent des indices de mises en place à l’air libre ou en conditions subaériennes (eaux très peu profondes).a. Construire un diagramme montrant la relation entre l'altitude actuelle du toit des basaltes et l'âge des édifices et plateaux basaltiques (utiliser du papier millimétré)b. Décrire (par une forme mathématique). A quoi peut-on attribuer ces différences d'altitude et comment interpréter cette courbe d'évolution générale d'altitude des édifices et plateaux basaltiques au travers de l'océan

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indien ? c. Quelle hypothèse peut-on formuler sur l'origine de cette ligne volcanique qui s'étend depuis l'île de la Réunion jusqu'au plateau du Deccan sur le continent indien.Quels seraient alors la nature et l'âge de l'évènement géodynamique ayant pu conduire à la rupture, dans sa partie médiane, de la continuité de cette ligne d'édifices et de plateaux basaltiques ?

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Exercice n°3 : Devenir des plaques en subduction dans le manteau terrestre (d'après ENS 2003)Le devenir des plaques lithosphériques en subduction peut être précisé grâce aux apports des études de tomographie sismique.1°) Expliquer sommairement la technique de la tomographie sismique.2°) Proposez une interprétation raisonnée des images de tomographie sismique de la figure 1.3°) La figure 2 présente une coupe tomographique détaillée du manteau au niveau de l’arc insulaire de Tonga ; commentez l’évolution de l’épaisseur E de la plaque Pacifique en fonction de la profondeur.4°) Déterminez l’angle de plongement θ de la plaque Pacifique sur cette section tomographique (Figure 2).5°) Estimez la vitesse des ondes P au coeur de la plaque Pacifique à 500 km de profondeur à partir de la figure 2.A cette profondeur, la vitesse de référence Vp donnée par le modèle global PREM est Vp = 9,65 km/s.6°) En utilisant la loi empirique de Birch qui relie la vitesse de propagation des ondes P et la masse volumique des roches mantelliques, calculez l’anomalie de masse volumique associée à l’anomalie de vitesse.Vp = -1,87 + 3,05 ρ avec Vp en km/s et ρ en g/cm3.

Figure 1 : Coupes tomographiques du manteau terrestre à l’aplomb de quelques zones de subduction : (AA’) Egée, (BB’) sud Kouriles, (CC’) Izu Bonin, (DD’) Java, (EE’) Nord Tonga, (FF’) Amérique centrale. Les profondeurs sont indiquées en kilomètres. Les vitesses lentes et rapides sont représentéesen rouge et en bleu respectivement.

Figure 2 : coupe tomographique du manteau à l’échelle. A l’aplomb de l’arc de Tonga, entre 0 et 700km de profondeur. Les anomalies de vitesse reportées sont celles des ondes P. Les vitesses lentes et rapides sont représentées en rouge et en bleu respectivement.7°) Calculez également la différence de température correspondante, entre le coeur de la plaque Pacifique et le manteau environnant. On donne le coefficient de dilatation thermique de la péridotite à cette profondeur :α = (1/V) (∂V/∂T)P = 2,6 10-5 K-1 avec V le volume molaire et T la température en K.8°) Quelle hypothèse formule-t-on implicitement en effectuant les calculs précédents ?

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Exercice n°4 : Étude d'une roche

Le document proposé présente une roche magmatique observée à l'oeil nu puis au microscope polarisant.1°) Décrire la structure de cette roche, la classer sommairement et en déduire son mode de formation. (Le contexte géodynamique précis n'est pas attendu).

2°) Représenter par un schéma la lame microscopique en légendant un exemplaire de chacun des minéraux constitutifs de la roche. Chaque légende sera justifiée en annexe à l'aide de critères de détermination.Préciser également la coloration de ces minéraux sur la roche à l'oeil nu

Exercice n°5 : Topographie d'une faille transformanteOn appelle failles transformantes des failles qui décalent des portions de dorsales océaniques.

On se propose d'étudier l'une d'elles : la faille de Mendocino.1°) Que montre le profil de hauteur du géoïde réalisé au niveau de cette faille ?

L'étude des nombreux séismes qui se déroulent dans la zone montre que le mouvement relatif le long de la faille correspond à un coulissage.

On sait qu'au niveau de la dorsale se met en place une nouvelle croûte océanique. La baisse de température qui accompagne l'éloignement de la dorsale s'accompagne de l'épaississement de la lithosphère.L'épaisseur de la lithosphère s'exprime en fonction de son âge t par la formule : e = 9,5√t (e : km, t : ans)La lithosphère s'épaissit et s'enfonce progressivement. On observe alors des fonds de plus en plus profonds lorsqu'on s'éloigne de l'axe de la dorsale.

2°) Montrer, en exploitant la carte, que la lithosphère océanique n'a pas le même âge de part et d'autre de la faille.

3°) A partir de ces données, et en respectant le modèle d'équilibre isostatique d'Airy, représenter la lithosphère océanique de part et d'autre de la faille. Justifier la représentation choisie.

4° Exprimer le dénivelé constaté h en fonction de la différence d'épaisseur puis d'âge des deux compartiments lithosphériques séparés par la faille.

On adoptera deau de mer = 1,03dlithosphère = 3,29 (on négligera la différence de densité des 2 compartiments lithosphériques)dasthénosphère = 3,23

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CORRIGEExercice n°1 : Cartographie géologique1°) Quart Nord-ouest : affleurements en bandes parallèles, symétriques par rapport à un axe ouest-est, terrains d'autant plus jeunes qu'on s'éloigne de l'axe, pendage vers le nord au nord de l'axe et vers le sud au sud de l'axe=> identification d'un anticlinalQuart sud-ouest = affleurement plus récent (C3b) entouré au nord, sud et est de (C3a) terrains plus anciens, pendage vers le sud au nord de cette structure et vers le nord au sud.=> identification de la terminaison périclinale d'un synclinalLe synclinal est à une altitude plus élevée que l'anticlinal (relief inversé).

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tracés des limites : ***orientation : * légendes : *figurés : ** repérage des axes : ** soin : **

Exercice n°2 : Reliefs du fond de l'Océan Indien

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Les anomalies positives correspondent à des reliefs. Certains sont sous marins d'autres dépassent la surface donnant des îles. Ces édifices basaltiques forment un alignement qui va du Deccan à l'île de la réunion.Le volcanisme est actuel au niveau de l'île de la Réunion et d'autant plus ancien qu'on va vers le nord **Des anomalies successivement négatives et positives sont repérables de part et d'autre de la ride de Carlsberg. Elles forment des bandes parallèles et perpendiculaires à la ride. L'ensemble peut donc être interprété comme une dorsale avec les failles transformantes associées.**

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N

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b. L'altitude des toits des basaltes diminue avec l'âge des édifices et plateaux basaltiques.**

La baisse d'altitude est d'autant plus lente que l'âge est avancé. Les variations suivent une évolution de type hyperbolique.**

L'analyse des basaltes ayant montré qu'ils se sont tous mis en place à l'air libre ou dans des conditions subaériennes, leur position actuelle est le résultat d'une subsidence de la lithosphère océanique résultant d'un réajustement isostatique.**Cette subsidence s'est effectuée, de la masse des épanchements de basalte, des sédiments qui les ont recouverts et du vieillissement de la lithosphère. *D'après ce graphique, on peut supposer que la subsidence s'effectue surtout dans les millions d'années qui suivent la formation de l'édifice puis parait plus lente et plus inégale selon les édifices par la suite.*

c. Cet alignement peut être attribuable à l'activité d'un point chaud ayant débuté il y a 65 millions d'années sous l'Inde située plus au sud qu'actuellement. *La plaque lithosphérique se déplaçant ensuite vers le nord, le point chaud a engendré un chapelet d'édifices et plateaux basaltiques sensiblement orienté Nord-sud. Il se trouve actuellement sous l'île de la Réunion**

La rupture observé dans la continuité du chapelet peut être attribué à la mise en place d'une zone d'extension = dorsale de Carlsberg.**Cette dorsale s'est mise en place postérieurement aux édifices qu'elle écarte, donc il y a moins de 33 millions d'années.*

Exercice n°3 : Devenir des plaques en subduction dans le manteau terrestre 1°) L'enregistrement des séismes par tous les sismographes permet le repérage dans les trois dimensions du globe des zones où les ondes sismiques sont ralenties ou accélérées par rapport à la moyenne. La présentation de de ces anomalies sur des coupes tomographiques permet d'obtenir des informations sur l'organisation des enveloppes : véritable « scanner » de la Terre 2°) Les zones rapides, en bleu, révèlent la présence de roches plus denses que le manteau environnant, parce que plus denses intrinsèquement, et/ou plus froides que le manteau environnant. Elles permettent de localiser les plaques lithosphériques en subduction dans le manteau.Dans le manteau supérieur, toutes les anomalies rapides sont très peu épaisses ; leur pendageest variable.Certaines passent dans le manteau inférieur (Egée, Java, N Tonga, Amérique centrale), et l’épaisseur de l’anomalie rapide augmente tandis que son intensité diminue.Certaines présentent une forte déflexion dans la zone de transition (S Kouriles, Izu Bonin, et plus ou moins nord Tonga). S Kouriles et Izu Bonin ne semblent pas entrer dans le manteau inférieur.3°) E = 100 km dans le manteau supérieur s.s., E = 80km vers 200km, E = 160 km dans la zone de transition, E = 0 à la limite entre le manteau supérieur et le manteau inférieur.

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Après un étirement de la plaque plongeante (du à une traction par gravité), celle-ci s'épaissit dans la zone de transition ce qui peut être interprété comme le résultat d'une accumulation temporaire de matière dans la zone de transition.Le passage de la plaque Pacifique dans le manteau inférieur se fait manifestement de façon discontinue dans cette région.4°) θ = environ 40º5°) Le milieu de l’échelle de couleur est atteint, soit +3% d’augmentation.Ainsi Vp = (1+0,03)VpPREM = 9,94 km/s6°) ρ = 3,87 g/cm3ρPREM = 3,78 g/cm3Cela représente une anomalie positive de densité de 2,4 % par rapport au modèle PREM.7°) si on intègre l'expression α T = lnVCe qui donne T-TPREM = (1/α)ln(V/Vprem), or V/Vprem = ρPREM/ ρdonc T-TPREM = (1/α)ln(ρPREM/ρ)Soit une différence de température de 905 K.8°) On considère implicitement que le manteau et la plaque lithosphérique en subduction sontconstitués de la même roche : péridotite.

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Exercice n°4 : Étude d'une roche Observation à l'oeil nuSont visibles quelques phénocristaux dans une pâte homogène sombre.L'étude microscopique va permettre de préciser les constituants de la pâte. Observation au microscopephénocristaux - à relief important, craquelés, incolore en LPNA et très vivement colorés en LPA. Il s'agit d'olivineCes minéraux correspondent aux phénocristaux légèrement verdâtre observé à l'oeil nu.- légèrement bruns en LPNA, à forme géométrique où on reconnaît des angles droits (suivant probablement des plans de clivage), polarisant dans des couleurs plus ternes que l'olivine. Il s'agit de pyroxène. Il correspond aux phénocristaux gris noirs observés à l'oeil nu.Dans la pâte, on reconnaît des microlites : = des cristaux de plagioclases (en baguette avec macle polysynthétique), des cristaux d'olivine, de pyroxène et des minéraux opaques en LPNA.Ces cristaux sont entourés d'un verre (noir en LPA) et assez clair (en LPNA).La structure est microlithique. Il s'agit donc d'une roche magmatique volcanique. Elle résulte d'un refroidissement rapide d'un magma en surface. Sa composition minéralogique est celle d'un basalte.Qualité et fidélité du dessin

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Exercice n°5 : Topographie d'une faille transformante 1°) Le dénivelé du géoïde montre l'existence d'un dénivelé important entre le compartiment nord et le compartiment sud. Ce dernier étant beaucoup plus bas.2°) Le compartiment au nord de la faille est beaucoup plus près du tronçon de dorsale qui lui a donné naissance que le compartiment situé au sud. La lithosphère du côté nord est donc plus jeune et moins épaisse. 3°)

L'équilibre isostatique est tel que les masses des 2 colonnes sont égales au dessus de la surface de compensation. 4°) h*1,03 + e2*3,29 = e1*3,29 + (h + e2 -e1)3,23 ; h = (0,027)(e2-e1) = 0,027 *9,5 (√t2- √t1) = 0256 (√t2- √t1)

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