En pratique
Activité SVT (Sciences de la vie et de la Terre), terminale S (partie obligatoire) 
Introduction à l’étude de la convergence lithosphérique

Cette activité permet de réactualiser les connaissances de première S à propos de la structure interne du globe et d’utiliser les résultats de la technique de tomographie sismique pour mettre en évidence l’existence de la subduction.

Type d’activité
Utiliser le manuel, les graphiques fournis et internet pour répondre aux problèmes posés.

Niveau
Terminale S, partie obligatoire.

Type d’organisation du travail
Travail en groupes de deux élèves pendant une séance en groupe, avec compte rendu commun à la fin de chaque partie.

Durée
Une heure et trente minute.

Matériels et documents nécessaires
Manuel Sciences de la vie et de la Terre, terminale S, Enseignement obligatoire
Collection Raymond Tavernier et Claude Lizeaux, programme 2002. Éditions Bordas.
Partie obligatoire.
Fiche activité.
Salle multimedia avec internet.

Compétences-capacités visées
S’informer en utilisant les moyens informatiques.
Raisonner.
Communiquer les résultats par le compte rendu.

Déroulement
Explicitation des consignes.
Travail en binôme.
Compte rendu après chaque partie.
Rédaction des éléments à retenir (par les élèves).

Rappels des connaissances de première S.
La structure sismique de la Terre.
L’étude de la propagation des ondes sismiques a permis de mettre en évidence la structure en couches concentriques du globe. Le graphique en donne les principales caractéristiques.
Le modèle PREM.

1. Expliquer comment les discontinuités ont pu être mises en évidence.
Réponse : Les discontinuités ont été déduites des différents temps d’arrivées des ondes P et S dans les stations sismiques, donc de la variation de célérité des ondes et des réflexions et réfractions subies par les rais sismiques. Ce qui entraîne que les zones traversées par les ondes ont des caractéristiques différentes.

2. Pourquoi Vs = 0 dans le noyau externe ?
Réponse : Expérimentalement, on a montré que les ondes S ne se propagent pas dans les fluides. Le noyau externe aurait un comportement de fluide.

3. On considère le manteau inférieur ; en fonction de quels facteurs varient Vp et Vs ? Placer les résultats dans un tableau pour les profondeurs de 800 kilomètres, 1 500 kilomètres et 2 500 kilomètres.
Réponse :

Profondeur
Vp
Vs
Densité
Pression
800 kilomètres
11,2 km/s
6,2 km/s
4,5
30 GPa
1 500 kilomètres
12 km/s
6,7 km/s
5
60 GPa
2 500 kilomètres
13,5 km/s
7,2 km/s
5,5
1 150 GPa


Les différents paramètres augmentent avec la profondeur. L’augmentation de Vp et de Vs pourrait être liée à l’augmentation de densité et (ou) de pression.
D’après ce modèle, chaque zone concentrique semble homogène.

Limites de plaques
La partie superficielle de la lithosphère est formée de plaques « flottant » sur l’asthénosphère.

1. On étudie le planisphère représentant les plaques lithosphériques (carte 1 du manuel Sciences de la vie et de la Terre, terminale S, Enseignement obligatoire, Collection Raymond Tavernier et Claude Lizeaux, programme 2002. Éditions Bordas)
On considère l’océan Pacifique : quelles sont les plaques qui le forment et quelles sont leurs limites ?
Réponse 
Limite par des dorsales : plaque Pacifique et plaques de Nazca et Cocos.
Limite par des zones de subduction : plaque de Nazca avec plaque sud-américaine ; plaque Pacifique avec plaques nord-américaine, eurasiatique et indienne.

2. Les ondes P et S d’un séisme sont enregistrées dans de nombreuses stations sismiques. D’après le modèle à symétrie sphérique, on peut calculer le temps d’arrivée des ondes P et S à partir de l’épicentre, donc Vp et Vs.
La célérité calculée des ondes P et S est comparée à la célérité réelle. Dans certaines zones, la célérité réelle est, soit plus grande, soit plus faible que la célérité calculée (principe de la tomographie sismique).
On en déduit que ces zones ne sont pas homogènes et présentent des hétérogénéités latérales. Ces variations sont cartographiées pour différentes profondeurs.

Voir
Tomographie planétaire.
http://geoscope.ipgp.jussieu.fr/travaux/tomoaniso/vs100.gif
Rubrique Travaux scientifiques. Tomographie anisotropique, Jean-Paul Montagner

C’est l’image des contrastes de Vs dans le manteau à 100 kilomètres de profondeur.

a) En fonction de l’échelle donnant Vs observée plus ou moins grande par rapport à Vs calculée, donner la signification des couleurs bleue et rouge.
Réponse 
– Bleu : zone où Vs observée est supérieure d’un facteur 7 par rapport à Vs calculée.
– Rouge : zone où Vs observée est inférieure d’un facteur 7 par rapport à Vs calculée.

b) Un des facteurs faisant varier Vs est l’état thermique, froid ou chaud, du matériau traversé. Identifier les zones de couleur rouge puis bleue et indiquer si ces zones sont froides ou chaudes.
Réponse 
À 100 kilomètres de profondeur :
– rouge ( sous les dorsales ( zone chaude du magma (Vs lente) ;
– bleu ( sous les continents ( zone froide (Vs rapide).

Mouvements des plaques
On étudie la carte des âges des basaltes de la croûte océanique (carte 3 du manuel Sciences de la vie et de la Terre, terminale S, Enseignement obligatoire. Collection Raymond Tavernier et Claude Lizeaux, programme 2002. Éditions Bordas).
1. Décrire la croûte océanique de l’océan Pacifique.
Réponse 
La croûte se forme au niveau de la dorsale. Plus on s’éloigne de cette dorsale, plus l’âge de la croûte est important. On observe une dissymétrie de part et d’autre de l’axe de la dorsale : le basalte le plus ancien ne se trouve qu’à l’ouest de la dorsale.

2. Donner et justifier l’âge du début de l’ouverture de l’océan Pacifique.
Réponse
Âge du basalte le plus ancien, soit 150 millions d’années.

Synthèse
1. En comparant les trois cartes, compléter le tableau suivant.
Caractéristiques de la croûte océanique de l’océan Pacifique d’après la répartition des plaques, l’image de tomographie sismique et la carte de l’âge des basaltes.


Plaque Pacifique
Vers l’ouest
dorsale
Plaque de Nazca
Vers l’est

Âge





État thermique d’après variation de Vs




Réponse


Plaque Pacifique
Vers l’Ouest
dorsale
Plaque de Nazca
Vers l’est

Âge

180 millions d’années
Actuel
Actuel
– 40 millions d’années
État thermique d’après variation de Vs
Froid
Très
chaud
Très
chaud
Chaud


2. Émettre des hypothèses permettant d’expliquer la dissymétrie observable de part et d’autre de la dorsale. (cartes 2 et 3).
Réponse
Variation des caractéristiques physiques et chimiques quand la croûte est âgée (augmentation de densité), (carte 2).
« Disparition » de la croûte âgée à l’est, par subduction. (carte 3).
Différences de vitesse de subduction entre l’est et à l’ouest.