Une modélisation simple des mouvements isostatiques publié le 22/09/2017

Mise en œuvre du modèle : la séance

Déroulé de la séance

Cette séance est donc le premier TP du thème traitant des caractéristiques de la lithosphère continentale.
Elle a pour objectif de mettre en évidence et expliquer les variations d’altitude et d’épaisseur de la croute terrestre : réflexion sur les altitudes moyennes de la croûte océanique versus la croûte continentale, et mise en évidence et explication de la présence d’une racine crustale.
On cherche à à faire en sorte que les élèves réfléchissent par eux-mêmes sur la dynamique lithosphérique et son rééquilibrage permanent sur l’asthénosphère.

• Le TP peut débuter par un bref rappel des notions de 1S : l’étude des ondes sismiques a montré que la limite inférieure des croûtes terrestres est marquée par une surface de discontinuité, (responsable de la réflexion des ondes sismiques) : le Moho.
  

• Ensuite, pour mettre en évidence les variations d’altitude de la croûte terrestre, les élèves réalisent un profil topographique via Google Earth, (traçage des profils d’élévation).

• On peut alors leur demander de tracer approximativement le Moho sous leur profil topographique. Quand on débute par cette activité manipulatoire sans avoir déjà montré "les solutions" en cours par des documents illustrant les épaisseurs des croûtes, on constate, tout à fait logiquement, que l’existence d’une racine crustale est loin de s’imposer à tous les élèves.
  La confrontation des différentes propositions des élèves (problèmatisation) justifie l’utilisation d’un modèle analogique pour tester la plausibilité de leur hypothèse (tracé du Moho)...

Objectif de la modélisation : avec des tubes à essai remplis soit de craie, soit de farine, avec 3 niveaux de remplissage correspondant à la hauteur des colonnes de roche, reproduire un relief qui ressemble aux Alpes, ou bien représenter les différences d’altitudes entre le plancher océanique et le continent...

• Pour exploiter judicieusement les résultats de la modélisation, ils ont les densités de la craie, de la farine, de la pâte Slime® et ils doivent mesurer (avec échantillons, balances et éprouvettes) la densité de la péridotite, du basaltes, du gabbros et des granites. Ces roches sont associées à leur enveloppe respective (manteau, plancher océanique, continent).

• Chaque binôme ne mesure qu’un ou deux échantillons, la mise en commun des résultats donne les valeurs de densité moyennes des 4 roches.

• Une schématisation du résultat de la modélisation est attendue avec une légende appropriée faisant la correspondance avec les enveloppes terrestres.

• Les résultats du modèle sont confrontés à la réalité grâce au fichier KMZ de Google Earth qui donne les profondeurs du Moho. (Ce fichier est disponible avec bien d’autres sur le site eduterre de Lyon).

• Les élèves critiquent leurs résultats, expliquent leurs choix, leur logique expérimentale (très instructif pour évaluer la démarche d’investigation ou la cohérence scientifique) et proposent éventuellement des limites au modèle.

• Les deux modèles, Airy et Pratt, sont par la suite étudiés en cours.

• Il convient de rappeler que les observations réalisées ne reposent "que" sur un modèle, qui peut s’éloigner par certains aspects des conditions réelles et qui est avant tout utile pour s’imprégner du concept du réajustement isostatique permanent de la lithosphère sur l’asthénosphère.

De très nombreuses combinaisons sont effectivement proposées par les élèves durant la séance, certains parviennent à obtenir des reliefs en mélangeant les hauteurs de colonnes et les densités différentes...

Voici quelques photos illustrant le fonctionnement du modèle (démonstration du professeur lors de la correction du TP).

Deux colonnes de roches de même hauteur mais de densités différentes

Illustration de la différence d’altitude entre le plancher océanique (plus dense) et une croûte continentale avec des reliefs

Quelques astuces

• La pâte Slime® est conservée plusieurs jours au frigo dans sa boîte avec son couvercle fermé pour éviter son dessèchement et permettre la remontée des bulles d’air. Au bout de 3 jour, la pâte devient translucide.
• Le portoir doit permettre la descente des tubes mais aussi les guider pour ne pas qu’ils basculent lors de leur enfoncement.
• En faisant pivoter le montage de 180°, les élèves peuvent rapidement faire plusieurs tests d’affilée, car quand on travaille sur un bord, l’autre se rééquilibre.
• Les tubes en verre sont à proscrire, car même vides, ils sont plus dense que la pâte Slime® .
• Il y a un peu de temps à passer pour caler les différentes épaisseurs de craies et de farine par rapport à la densité de la pâte Slime® préparée.
• Attention ! Si le montage est laissé trop longtemps en fonctionnement, les tubes les plus lourds finissent par toucher le fond de la boîte. Les élèves doivent donc repérer dans un délai raisonnable les résultats pertinents. Éventuellement, augmenter légèrement la densité de la pâte Slime® ou alléger de quelques grammes les tubes les plus lourds.