Première S (programme 2011)

Thème 1 – B
La tectonique des plaques : l’histoire d’un modèle

La naissance de l’idée

Connaissances
Au début du XXème siècle, les premières idées évoquant la mobilité horizontale s’appuient sur quelques constatations :
– la distribution bimodale des altitudes (continents/océans) ;
– les tracés des côtes ;
– la distribution géographique des paléoclimats et de certains fossiles.
Ces idées se heurtent au constat d’un état solide de la quasi-totalité du globe terrestre établi, à la même époque, par les études sismiques. L’idée de mobilité horizontale est rejetée par l’ensemble de la communauté scientifique.

Exemples d’activités
Comprendre les difficultés d’acceptation des premières idées de mobilité.
Réaliser et exploiter des modélisations analogique et numérique pour établir un lien entre propagation des ondes sismiques et structure du globe.

Types d’objets géologiques recherchés
Etude des ondes sismiques

Ressources locales
Musée de sismologie
Site du Rénass

L’interprétation actuelle des différences d’altitude moyennes entre les continents et les océans

Connaissances
La différence d’altitude observée entre continents et océans reflète un contraste géologique.
Les études sismiques et pétrographiques permettent de caractériser et de limiter deux grands types de croûtes terrestres : une croûte océanique essentiellement formée de basalte et de gabbro et une croûte continentale constituée entre autres de granite.
La croûte repose sur le manteau, constitué de péridotite.

Exemples d’activités
Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs d’expérimentation assistée par ordinateur de propagation d’ondes à travers des matériaux de nature pétrographique différente.
Observer à différentes échelles, de l’échantillon macroscopique à la lame mince, les roches des croûtes océanique et continentale et du manteau.
Comprendre comment des observations fondées sur des techniques nouvelles ont permis de dépasser les obstacles du bon sens apparent.

Types d’objets géologiques recherchés
Roches des croûtes océanique et continentale et du manteau

Ressources locales
Gabbro et péridotite du Tahlhorn,
Péridotite du col des Bagenelles
Granulites et péridotite du chemin du Haycot au dessus de Sainte-Marie
Granites :  D’Andlau, des crêtes, des ballons
Florimont (contact socle-couverture)

L’hypothèse d’une expansion océanique et sa confrontation à des constats nouveaux

Connaissances
Au début des années 1960, les découvertes de la topographie océanique et des variations du flux thermique permettent d’imaginer une expansion océanique par accrétion de matériau remontant à l’axe des dorsales, conséquence d’une convection profonde.
La mise en évidence de bandes d’anomalies magnétiques symétriques par rapport à l’axe des dorsales océaniques, corrélables avec les phénomènes d’inversion des pôles magnétiques (connus depuis le début du siècle), permet d’éprouver cette hypothèse et de calculer des vitesses d’expansion.

Exemples d’activités
Comprendre comment la convergence des observations océanographiques avec les mesures de flux thermique a permis d’avancer l’hypothèse d’une expansion océanique réactualisant l’idée d’une dérive des continents.
Comprendre comment la corrélation entre les anomalies magnétiques découvertes sur le plancher océanique et la connaissance plus ancienne de l’existence d’inversion des pôles magnétiques confirma l’hypothèse de l’expansion océanique.
Calculer des taux d’expansion.

Types d’objets géologiques recherchés
Etude des ondes sismiques et du magnétisme
Anomalie thermique

Ressources locales
Musée de sismologie et de magnétisme terrestre de Strasbourg
Géothermie profonde de Soultz-sous-forêt

Le concept de lithosphère et d’asthénosphère

Connaissances
Au voisinage des fosses océaniques, la distribution spatiale des foyers des séismes en fonction de leur profondeur s’établit selon un plan incliné.
Les différences de vitesse des ondes sismiques qui se propagent le long de ce plan, par rapport à celles qui s’en écartent, permettent de distinguer : la lithosphère de l’asthénosphère.
L’interprétation de ces données sismiques permet ainsi de montrer que la lithosphère s’enfonce dans le manteau au niveau des fosses dites de subduction.
La limite inférieure de la lithosphère correspond généralement à l’isotherme 1300° C.

Exemples d’activités
Saisir et exploiter des données sur des logiciels pour mettre en évidence la répartition des foyers des séismes au voisinage des fosses océaniques.
Comprendre comment l’interprétation de la distribution particulière des foyers des séismes permet :
– de définir la lithosphère par rapport à l’asthénosphère;
– de confirmer, dans le cadre du modèle en construction, que la lithosphère océanique retourne dans le manteau.
Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs d’expérimentation assistée par ordinateur de propagation d’ondes à travers un même matériau mais à des températures différentes pour comprendre la différence entre lithosphère et asthénosphère.

Types d’objets géologiques recherchés

Ressources locales

Un premier modèle global : une lithosphère découpée en plaques rigides

Connaissances

À la fin des années soixante, la géométrie des failles transformantes océaniques permet de proposer un modèle en plaques rigides. Des travaux complémentaires parachèvent l’établissement de la théorie de la tectonique des plaques en montrant que les mouvements divergents (dorsales), décrochants (failles transformantes) et convergents (zones de subduction) sont cohérents avec ce modèle géométrique.
Des alignements volcaniques, situés en domaine océanique ou continental, dont la position ne correspond pas à des frontières de plaques, sont la trace du déplacement de plaques lithosphériques au dessus d’un point chaud fixe, en première approximation, dans le manteau.

Exemples d’activités
Réaliser une manipulation analogique simple, ou utiliser un logiciel de simulation, pour comprendre que les mouvements des plaques sont des rotations de pièces rigides se déplaçant sur une sphère.
Comprendre comment désormais des faits ne s’intégrant pas a priori avec le modèle initial (volcanisme intraplaque) permettent un enrichissement du modèle (théorie des points chauds) et non son rejet.
Corréler les directions et les vitesses de déplacements des plaques tirées des données paléomagnétiques avec celles déduites de l’orientation et des âges des alignements volcaniques intraplaques.

Types d’objets géologiques recherchés

Ressources locales

Le renforcement du modèle par son efficacité prédictive

Connaissances
Le modèle prévoit que la croûte océanique est d’autant plus vieille qu’on s’éloigne de la dorsale. Les âges des sédiments en contact avec le plancher océanique (programme de forage sous-marins JOIDES) confirment cette prédiction et les vitesses prévues par le modèle de la tectonique des plaques.
Le modèle prévoit des vitesses de déplacements des plaques (d’après le paléomagnétisme et les alignements de volcans intraplaques). Avec l’utilisation des techniques de positionnement par satellites (GPS), à la fin du XXème siècle, les mouvements des plaques deviennent directement observables et leurs vitesses sont confirmées.

Exemples d’activités
Saisir et exploiter des informations sur cartes.
Concevoir, réaliser et exploiter un modèle analogique.
Réaliser des mesures sur le terrain pour comprendre le principe du GPS.
Saisir et exploiter des données sur des logiciels.

Types d’objets géologiques recherchés

Ressources locales

L’évolution du modèle : le renouvellement de la lithosphère océanique

Connaissances
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 mantélique.
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.

Exemples d’activités
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.

Types d’objets géologiques recherchés
Marqueur de la fusion partielle de l’asthénosphère

Ressources locales
Péridotite du Tahlhorn 

Thème 2 – A
Tectonique des plaques et géologie appliquée

L’objectif est de montrer que le modèle de la tectonique des plaques présente un intérêt appliqué. Sans chercher à donner une vision naïve selon laquelle toute application géologique pratique nécessite les concepts de la tectonique des plaques, on choisira un exemple permettant de montrer que, parfois, ce modèle permet de comprendre les conditions d’existence d’une ressource exploitable.
L’exemple sera choisi de façon à introduire quelques idées concernant une histoire sédimentaire compréhensible dans le cadre du modèle de la tectonique des plaques.
Deux possibilités sont proposées, l’une d’approche locale, l’autre plus globale. Le professeur choisira de traiter au moins l’une de ces deux approches.

Première possibilité : tectonique des plaques et recherche d’hydrocarbures

Le choix est fait de s’intéresser à un champ pétrolifère ou gazier situé dans un bassin de marge passive pour comprendre les principaux facteurs qui conditionnent la formation des gisements. En s’appuyant éventuellement sur ce qui aura été étudié en seconde, il s’agit d’expliciter le constat fait alors : les gisements d’hydrocarbures sont rares et précisément localisés.

Connaissances
Le modèle de la tectonique des plaques constitue un cadre intellectuel utile pour rechercher des gisements pétroliers.
À partir de l’étude d’un exemple on montre que la tectonique globale peut rendre compte :
– d’un positionnement géographique du bassin favorable au dépôt d’une matière organique abondante et à sa conservation ;
– d’une tectonique en cours de dépôt (subsidence) et après le dépôt qui permettent l’enfouissement et la transformation de la matière organique puis la mise en place du gisement.
La rare coïncidence de toutes ces conditions nécessaires explique la rareté des gisements dans l’espace et le temps.

Exemples d’activités
Recenser, extraire et organiser des informations permettant de reconstituer le contexte géographique et géologique à l’époque du dépôt à l’origine de l’hydrocarbure de l’exemple étudié.
Découvrir la morphologie et la structure des marges passives à partir des profils de sismique réflexion et/ou des cartes et/ou des coupes
Recenser, extraire et organiser des informations notamment lors d’une sortie sur le terrain.
Analyser les positions relatives des continents et des océans (Téthys ou Atlantique) lors des périodes d’absence ou de grande accumulation de roches-mères pétrolières pour comprendre les conditions favorables à leur dépôt.
Modéliser la circulation de fluides de densités différentes non miscibles dans des roches perméables.
Concevoir une modélisation et suivre un protocole pour comprendre comment une structure géologique associée à un recouvrement imperméable constitue un piège à liquide.
Repérer les grandes caractéristiques d’un bassin sédimentaire et de quelques roches sédimentaires.

Types d’objets géologiques recherchés
Gisement pétrolifère

Ressources locales
Musée du pétrole à Pechelbronn
Série sédimentaire de Pechelbronn 

Deuxième possibilité : tectonique des plaques et ressource locale

Connaissances
Un exemple de ressource géologique est choisi dans un contexte proche de l’établissement scolaire. Son étude (nature, gisement) permet de comprendre que ses conditions d’existence peuvent être décrites en utilisant le cadre général de la tectonique des plaques.
Exemples d’activités
Recenser, extraire et organiser des informations notamment lors d’une sortie sur le terrain.

Types d’objets géologiques recherchés
Possibilités d’objet d’étude multiple : Pétrole, potasse, carrière (construction, statuaire…), mines, gravières, bref toutes roches exploitées par l’Homme

Ressources locales
Association Kalivie et visite du carreau de mine Joseph Else avec son musée et la visite de la salle des pendus
Maison de la géologie de Sentheim (nombreux échantillons de roche)
Mines d’Alsace : Association ASEPAM et visite de mine de Sainte-Marie-aux-Mines
Carrières : de grès (carrière royale de Soultz-les-Bains, Buhl, klingenthal, Champenay, Graufthal ), de porphyre, de calcaire (oolithique à Bergheim, au Florimont, à Bouxwiller), de gypse (Bergheim), lignite (Bouxwiller), loess (Achenheim), voir section roches utiles
Gravières
: de Lingolsheim, de Lauterbourg…