1ère S

Formation et divergence des plaques

La machinerie thermique
Samuel Remerand

 

Place dans la progression et objectifs

Ce TP boucle les chapitres consacrés à la géologie.
La tectonique des plaques est connue tout comme le gradient géothermique.

Cette activité a pour buts de montrer aux élèves :
- le moteur de la tectonique des plaques
- l'origine de cette chaleur interne
- et en fait que le globe terrestre en tant qu'entité physique, cherche l'équilibre thermique avec son environemement "froid". En effet, la température moyenne dans le système solaire est de - 180°C. Pour atteindre cet équilibre thermique la Terre se refroidit, évacue de la chaleur. La tectonique des plaques n'est qu'une conséquence des processus physiques mis en oeuvre pour se refroidir, dissiper son énergie interne d'origine accrétionnelle et thermonucléaire et atteindre l'équilibre thermique.

Objectifs de savoir-faire : prélever des informations, les mettre en relation; réaliser une synthèse.

Objectifs de savoir : définir gradient thermique, flux géothermique; expliquer l'origine de cette chaleur interne et sa dissipation.

Supports et informations scientifiques

Par Groupe
- 1 bain-marie
- 1thermoplongeur placé en surface pour un groupe, un autre thermoplongeur placé au fond du bain-marie pour un second groupe
- 2 thermomètres, l'un placé en surface, l'autre au fond du bain-marie
- 1 bécher de 250 mL
- 2 g de poudre de craie rouge mélangée dans 50 mL d'huile de tournesol
- 150 mL d'huile tournesol déposée lentement le long du bécher afin de ne pas remuer l'huile colorée en rouge
- 2 cales de bois de 4 cm de hauteur
- 1 chauffe plat

Déroulement de l'activité

L'activité nécessite 2 heures.

1. Les données du problème

Les mineurs le savent très bien, plus on s'enfonce dans la croûte terrestre plus il fait chaud ! Il existe au sein du globe terrestre un gradient thermique. En moyenne de 30°C/km dans la croûte continentale, ce gradient thermique peut atteindre 90°C/km dans certaines régions et à peine dépasser 10°C/km dans d'autres. L'observation d'émissions de lave, des geysers, des sources hydrothermales ou encore l'utilisation par l'Homme de la géothermie sont autant de preuves évidentes de l'existence d'une source d'énergie interne.
Quelle est la source de cette énergie interne ?
Comment cette énergie se dissipe-t-elle ?


2. L'origine de l'énergie interne

2.1 Le flux géothermique

Par des mesures effectuées grâce à des thermomètres électroniques descendus dans des puits de forage, on évalue la température des roches à différentes profondeurs. On constate donc ainsi que la température augmente avec la profondeur : c'est le gradient géothermique. D'autre part, la conductivité thermique des roches, c'est-à-dire la facilité avec laquelle une roche transmet la chaleur, est déterminée en laboratoire. On définit alors le flux géothermique d'un endroit géographique en réalisant le produit suivant :

le flux géothermique d'une région
=
gradient géothermique local x conductivité de la roche

La valeur moyenne du flux géothermique est de 0.06 W.m-² ou J. m-².s-1, ce qui représente un débit d'énergie, c'est-à-dire une puissance. Ce flux géothermique est variable selon les régions du globe.
En utilisant la carte page 337 de votre livre Bordas, préciser les régions dans le monde où le flux géothermique est le plus faible et celui où il est le plus fort.
Le flux géothermique est plus important au niveau des dorsales et des points chauds, et plus faible au niveau des zones de subduction.
Comment peut-on l'expliquer ?
Au niveau des dorsales et des points chauds, le flux géothermique est plus grand à cause de la remontée de magmas chauds, enfoncement de matériel froid (vieille plaque lourde et refroidie) au niveau des zones de subduction explique le flux géothermique plus faible.

2.2 L'origine du flux géothermique

Depuis son accrétion initiale, la Terre se refroidit mais la terre contient également dans ses matériaux des éléments radioactifs qui, en se désagrégeant, libèrent de la chaleur. On donne :

 
Volume en km3
Puissance dissipée en W . km -3
Puissance dissipée en W.
Croûte continentale
Croûte océanique
Manteau supérieur
Noyau
4,5.10 9
4,0.10 9
920.10 9
180.10 9
1700
300
30
0
7,65 . 10 12

1,2 . 10 12

27,6 . 10 12

0
Puissance totale produite par radioactivité et dissipée en W. 10.12
36,45 . 10 12

Calculer en W la puissance, associée à la radioactivité naturelle, produite et dissipée par le globe terrestre. (1 watt = 1 J.s-1).
Comparer cette valeur avec l'énergie apportée par le Soleil et responsable de la dynamique des enveloppes externes et des climats : 7 . 10 17 W.

Cette valeur reste très faible par rapport à l'énergie externe, solaire.

3. La dissipation de l'énergie interne

3.1 Les données du problème

L'énergie interne, d'origines accretionnelle et radioactive, se dissipe, est libérée dans l'espace.
Comment cette énergie interne est-elle dissipée, transférée de son lieu de production profond, le noyau et le manteau essentiellement, vers la surface terrestre ?

3.2 Deux modes de transfert de chaleur efficace au niveau du globe: la conduction et la convection

La conduction est un mécanisme où la chaleur se transmet de proche en proche au sein d'un milieu. La chaleur correspond, au niveau atomique, à une agitation des atomes. Cette agitation se transmet d'atomes en atomes, les atomes agités en " heurtant " les atomes voisins augmentent leur niveau de désordre donc leur niveau d'énergie. C'est l'agitation atomique qui provoque l'élévation de température. Ces atomes agiteront à leur tour leurs voisins, la chaleur se transmettra. Cette conduction s'observe lorsque l'on tient par un bout une tige de fer maintenue dans le feu, au bout de quelques minutes la barre de fer nous brûle. Lors de la conduction il y a transfert de chaleur sans déplacement de matière.

La convection est le déplacement de matière d'une zone chaude vers une zone froide qui sera alors réchauffée. C'est le déplacement de matière chaude qui provoque le transfert de chaleur, donc l'élévation de température. Cette conduction s'observe lorsque l'on chauffe un volume d'eau sur une plaque chauffante, l'eau chaude, moins dense remonte en surface, l'eau froide plus froide redescend. Lors de la convection il y a transfert de chaleur par déplacement de matière chaude.

Remplir d'eau deux bains-marie.

Placer dans le premier un thermoplongeur (résistance) en surface. Puis deux sondes thermométriques, une en surface et l'autre en profondeur. Enfin, relever les températures toutes les 30 secondes pendant 20 minutes.

Placer dans le second bain-marie une résistance chauffante mais cette fois dans le fond.Puis deux sondes thermométriques, une en surface et l'autre en profondeur. Enfin, relever les températures toutes les 30 secondes pendant 20 minutes.


Déterminer à quel système de transfert de chaleur, conductif ou convectif, correspond chacun des 2 montages.
Le montage conductif correspond au système de chauffage par au-dessus, le montage convection au système de chauffage par en-dessous.
Tracer l'évolution de la température dans l'un et l'autre des système et pour chacune des sondes thermométriques.
Indiquer lequel des deux systèmes de transfert de chaleur est le plus efficace pour transférer l'énergie thermique à l'ensemble du volume d'eau, autrement dit quel système permet d'évacuer le plus rapidemement la chaleur et atteindre au plus vite un équilibre thermique ?
Le système convectif échange plus rapidement la chaleur et donc la transfert plus vite, la dissipe plus vite.
D'un point de vue géodynamique, quel phénomène géologique est une conséquence directe de la dissipation de la chaleur interne par le système convectif ?
La tectonique des plaques

3.3 L'évacuation de la chaleur interne par les points chauds

Les points chauds sont des traceurs du déplacement des plaques lithosphériques (Iles Hawaï). Ce sont également des moyens pour évacuer la chaleur interne

Magmatisme de points chauds en km3/an
Autre magmatisme en km3/an
Intra océanique
Intra continental
Dorsale
Subduction
2.4
1.6
21
8.6

Comparer les volumes de roches produites annuellement à partir des magmas.
Les points chauds n'entrent que dans 1/8 de la production magmatique totale.

Afin de modéliser un point chaud vous devez :

Verser 50 mL d'huile tournesol dans un bécher puis ajouter et mélanger 2 g de craie rouge en poudre.
Verser délicatement, le long du bord du bécher 150 autre mL d'huile.
Placer une bougie " chauffe-plat " sous le bécher situé entre des cales de 4.5 cm de hauteur.
Observer la formation d'un point chaud.



A l'aide de votre livre Bordas doc. 3 page 341, expliquer pourquoi des volcans de type point chaud sont :
- très actifs pendant une période au point de former des trapps : Trapps du Deccan en Inde datés de 65 MA: 500.000 km3 de lave en 1 million d'années,
- puis beaucoup moins pendant une autre : Le Piton de la Fournaise à la Réunion, à l'origine des trapps du Deccan, est beaucoup moins productif aujourd'hui.

La tête du panache alimente le point chaud et déverse de gigantesques quantités de laves basaltiques en un temps géologique très court Le débit est moindre par la suite parce que le point chaud n'est plus alimenté que par le pied du panache.

En conclusion expliquer comment l'énergie produite à l'intérieur de la Terre peut gagner la surface du sol pour s'y dissiper.
L'énergie produite à l'intérieur de globe gagne la surface de la Terre par :
- conduction, transfert de proche en proche de la chaleur du noyau et surtout du manteau (plus radioactif) vers la surface et
- par convection en déplaçant du magma solide chaud des profondeurs vers la surface lors des accrétions au niveau des dorsales et en faisant replonger des plaques froides dans le manteau lors des subductions. C'est le moteur de la tectonique des plaques
Autrement dit, la conséquence directe de l'évacuation de la chaleur lors des remontées de points chauds est la tectonique des plaques.

4. La formation des atolls

4.1 Les barrières de corail

Les plus grandes barrières de corail se trouvent dans le Pacifique, en Australie notamment.

Les coraux sont des animaux qui vivent en symbiose avec des algues microscopiques. Les animaux protègent les organismes photosynthétiques qui en retour leur fournissent des molécules carbonées. L'édification d'un corail nécessite donc de la lumière. Les coraux se forment dans une tranche d'eau chaude (26°C), claire et peu profonde afin que la lumière puissent fournir l'énergie nécessaire à la photosynthèse, base des chaînes alimentaires coraliennes.

A partir d'une certaine profondeur, la lumière devient insuffisante et le corail meurt, formant un socle calcaire sur lequel de nouveaux organismes édifiront leur squelette. Ainsi, les coraux vivants restent toujours à la même profondeur.

Les premiers coraux colonisateurs apparaissent à la périphérie d'îles volcaniques formant une ceinture ou barrière coralienne.

4.2 L'archipel de la Société

L'archipel de la Société se situe dans le Pacifique, en Polynésie française. L'île la plus connue et la plus grande est Tahiti 149,45°W et 17,66°S.

A partir du prologiciel Sismolog 3D, se positionner sur le Tahiti.
Faire apparaître les volcans.

Cet ensemble d'îles volcaniques montre des volcans récents (Mehetia à droite de Tahiti) et d'autres dont l'activité volcanique est terminée depuis d'autant plus longtemps que l'on s'éloigne vers le nord-ouest de Mehetia et Tahiti.

13/ Quel constats peut-on faire quant à la disposition des îles volcaniques de l'archipel de la Société ?
Les îles sont alignées.
14/ Quel type de volcanisme semble donc être à leur origine ?
'Un volcanisme de point chaud semble être à l'origine de cet alignement (type hawaï)

Lors d'une éruption volcanique type point chaud, la lave sort à la température de 1200°C. Le dôme volcanique, tumescent, est dilaté.

Faire un zoom 64, puis réaliser une coupe (Outils) de Tahiti à Maupiti (16,5°S et 151,7°W), puis visionner cette région en 3D.
Faire apparaître les volcans (F2) et la mer (F3)

15/ Quel constat peut-on faire quant à l'altitude des îles ?
L'altitude décroît au fur et à mesure que l'on s'éloigne de Tahiti, les volcans sont de moins en moins élevés, de plus en plus enfoncés (et érodés).
16/ Qu'advient-il du cône volcanique avec le temps et son refroidissement ?
Les volcans au cours de leur viellissement s'érodent et surtout s'enfonce dans l'océan au fur et à mesure que la lave refroidit, se densifie (la lithosphère s'épaissit alors et s'enfonce donc !).
17/ A partir de vos connaissances sur la tectonique des plaques et le comportement de la lave au cours du temps, expliquer maintenant l'apparition des atolls.
Les volcans issus du fonctionnement du point chaud créent une île qui servira de support au développement des coraux, à partir d'une certaine profondeur. Le récif est tout d'abord frangeant. Puis l'île s'enfonce au fil de son histoire, le récif tout en restant sur place s'éloigne alors du rivage de l'île au cours de l'effondrement de celle-ci. Le récif forme une barrière de corail. Le volcan continue de s'enfoncer, s'éroder, les coraux qui ont toujoursles mêmes besoins en lumière s'édifient sur les coraux morts sous-jacents. Lorsque l'ensemble du volcan à disparu il ne reste plus que le corail formant un atoll qui délimite au centre un lagon. Le volcan continue sa plongée et devient un guyot.

18/ Dans quelle direction se déplace la plaque Pacifique comportant les îles de la Société? Justifier.
Le point chaud reste sur place, la plaque se déplace. L'alignement des îles indiquent donc le sens de déplacement de la plaque. Il suffit de remonter le temps en recherchant et suivant les volcans et autres atollsles plus vieux pour déterminer le parcours de la plaque, vers le nord-ouest.

A l'aide du prologiciel Sismolog 3D, se positionner sur l'atoll de latitude - 22°S et longitude -139°S. Après avoir zoomer (64), réaliser une coupe de cette région du globe. Ajouter la mer (F3), les séismes (F5) et les volcans (F2).
20/ Quel constat peut-on faire en plein milieu de cette plaque (par définition zone stable) ?
Il n'y a pas de volcan mais des séismes superficiels très nombreux

21/ Proposer une hypothèse pour expliquer ce volcanisme intraplaque superficiel ?
Nous sommes sur l'atoll de Mururora où de nombreux essais nucléaires sous-marins ont été effectués par la France jusqu'en 1996.



Académie de Poitiers
Courrier électronique : samuel.remerand@ac-poitiers.fr
Dernière mise à jour : 14/12/04