Le vivant • Le passé géologique de notre planète
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Exercice 2 • Sujet zéro 2020
Reconstitution de l'histoire géologique d'une partie de l'île de Groix
Intérêt du sujet • C'est un entraînement à lire un diagramme « Pression-température » afin de reconstituer les conditions subies par une roche au cours de son histoire. Il implique la maîtrise de la notion de métamorphisme, qui est ainsi travaillée.
L'île de Groix est située au sud de la Bretagne, au large de Lorient. On y trouve des roches qui témoignent d'évènements géologiques que l'on souhaite reconstituer ici. Certaines d'entre elles, des glaucophanites, ont été particulièrement étudiées.
Montrer que l'étude de ces roches permet de retracer une partie de l'histoire géologique de l'île de Groix.
Vous organiserez votre réponse selon la démarche de votre choix. Vous veillerez à y intégrer des données issues des documents et les connaissances complémentaires nécessaires.
DOCUMENT 1Observation d'une glaucophanite de l'île de Groix
Ph © Valérie Bosse
Ph © Valérie Bosse
À partir du site Planet Terre.
DOCUMENT 2Domaine de stabilité de différents minéraux en fonction de la pression et de la température
D'après le site dédié aux SVT de l'académie de Nice.
DOCUMENT 3Datation de la glaucophanite
La glaucophanite est riche en rubidium 87 (87Rb), en strontium 87 et 86 (87Sr et 86Sr).
Le rubidium 87 se désintègre en strontium 87 avec émission d'énergie sous la forme d'électrons. L'équation de désintégration s'écrit :
87Rb → 87Sr + e–.
Des datations absolues sont possibles en mesurant les rapports des différents isotopes et en plaçant les points dans un graphique avec en abscisse total et en ordonnée total.
Les points obtenus sont quasi alignés, et l'on peut tracer une droite de coefficient directeur a.
L'âge de la roche est donné par la relation :
t =
t est le temps en année.
a est le coefficient directeur de la droite.
λ est la constante de désintégration du 87Rb et vaut 1,42 × 10–11 an–1.
Site Planet Terre, à partir des travaux de Valérie Bosse.
Graphique et équation de la droite obtenue à partir des données du tableau ci-avant
Les traits horizontaux de part et d'autre des points indiquent les marges d'erreurs dues aux incertitudes des mesures réalisées.
Les marges d'erreurs de l'axe des ordonnées sont négligeables.
DOCUMENT 4Composition chimique de différentes roches
Les glaucophanites sont issues d'une roche préexistante qui a subi des modifications de pression et de température à l'origine de nouveaux minéraux. Durant ce phénomène, la composition chimique globale de la roche reste inchangée. Pour déterminer la nature de la roche préexistante, les géochimistes font l'analyse des glaucophanites de l'île de Groix et les comparent à la composition chimique de roches qui font référence.
Tableau n° 1. Résultats de l'analyse des 6 glaucophanites de l'île de Groix notées G PL6, G ST5, G LQ2.3, G LM 14, G PR7 et G Sp5
Les teneurs des différents éléments sont données en %.
Tableau n° 2. Composition moyenne de 5 roches de référence
Les teneurs des différents éléments sont données en %.
À partir de la notice géologique de l'île de Groix et du site Planet Terre.
Les clés du sujet
Étape 1. Comprendre le sujet
Un évènement géologique désigne un aspect de la dynamique de la planète qui s'accompagne de la formation ou de la transformation de roches. Ce sont par exemple la genèse des roches de la croûte océanique à l'axe d'une dorsale, ou leur transformation au cours de la subduction d'une lithosphère océanique. Les caractéristiques actuelles des roches, notamment leur composition minéralogique, permettent de retracer l'évènement géologique passé qui leur a donné naissance.
Reconstituer une histoire géologique implique d'établir une chronologie relative des évènements, et d'en dater certains d'une façon absolue par les méthodes de la radiochronologie.
Étape 2. Exploiter les documents
Le document 1 présente les minéraux constitutifs des glaucophanites, roches caractéristiques de l'île de Groix.
Le document 2 permet d'identifier les conditions de pression et de température dans lesquelles l'association minéralogique des glaucophanites s'est formée, puis de l'associer à l'évènement géologique qui crée ces conditions.
Le document 3 permet de dater la période durant laquelle s'est réalisée l'association minéralogique caractéristique des glaucophanites.
Le document 4 permet d'établir que les roches initiales à l'origine des glaucophanites sont des gabbros, roches magmatiques.
Étape 3. Construire la réponse
La détermination de l'évènement géologique à l'origine des glaucophanites nécessite qu'on connaisse les roches dont elles proviennent (doc. 4). Cela guide la démarche proposée.
Introduction
L'île de Groix est une région qui a vu se succéder des évènements géologiques à l'origine des roches qui la caractérisent, notamment les glaucophanites.
Les analyses minéralogique et chimique, et la datation absolue de ces roches permettent de reconstituer la succession des évènements qui les ont formées et donc une partie de l'histoire géologique de l'île de Groix.
I. La roche à l'origine des glaucophanites
A. L'association minéralogique des glaucophanites
Le document 1 indique que la glaucophanite est une roche formée par l'association de trois minéraux : le glaucophane, le grenat et la jadéite. Le glaucophane, minéral bleu, donne son nom à la roche.
Le document 4 indique que les glaucophanites sont issues d'une roche préexistante suite à des variations de pression et de température à l'origine de nouveaux minéraux, c'est-à-dire ceux des glaucophanites. Cela caractérise des réactions métamorphiques, réactions qui se déroulent à l'état solide.
Le secret de fabrication
Notez l'intérêt d'avoir dégagé les conclusions des documents à l'étape 2 car c'est cela qui conduit à réunir les documents 1 et 4 pour débuter la démarche et finalement la poursuivre sous forme de questions successives à résoudre.
B. Composition chimique de diverses roches comparée à celle des glaucophanites
Le métamorphisme modifie la composition minéralogique, mais il se fait sans changement dans la composition chimique, en dehors de phénomènes d'hydratation ou de déshydratation. Les glaucophanites doivent donc avoir une composition chimique voisine de celle de la roche d'origine.
à noter
Le raisonnement qui oriente l'exploitation des tableaux est donné dans le document 4 puisque celui-ci précise que « la composition chimique globale de la roche reste inchangée ».
La teneur en SiO2 des glaucophanites est comprise entre 47,66 % et 53,16 %. Ce sont des valeurs très inférieures à celles du granite et de la rhyolithe (> 70 %). Celle de la péridotite (45,3 %) est inférieure à la valeur la plus basse des glaucophanites. De plus, la teneur en Al2O3 de la péridotite est très inférieure (3 %) à celle des glaucophanites (entre 12 et 19 %). Aucune de ces roches ne peut donc être à l'origine des glaucophanites.
Parmi les roches testées, il reste l'andésite et le gabbro. La teneur en SiO2 de l'andésite est supérieure à la plus forte teneur en SiO2 des glaucophanites : 58 % au lieu de 53 %. En revanche, la teneur en SiO2 du gabbro (50 %) est dans l'intervalle des valeurs des glaucophanites. Les analyses des autres éléments chimiques donnent des indications semblables, démontrant davantage de parenté des glaucophanites avec le gabbro qu'avec l'andésite.
On en conclut que les glaucophanites sont issues des transformations métamorphiques subies par d'anciens gabbros.
Le conseil de méthode
Il ne faut pas faire une étude analytique (élément par élément) des données des tableaux, mais utiliser la méthode comparative en fonction de la question à résoudre : « quelle est la roche à l'origine des glaucophanites ? ».
Le gabbro est une roche magmatique grenue caractéristique de la croûte océanique qui se forme à l'axe des dorsales par cristallisation d'un magma basaltique.
[Transition] Dans quel contexte géologique le gabbro s'est-il métamorphisé en glaucophanite ?
Le secret de fabrication
Cette dernière phrase propose une transition avec le paragraphe suivant, ce qui permet d'articuler les différentes idées et de faire ressortir la cohérence du raisonnement d'ensemble.
II. L'évènement géologique acteur du métamorphisme des glaucophanites
La courbe solidus du gabbro (doc. 2) sépare un compartiment où le gabbro est totalement à l'état solide d'un compartiment où une partie de ses constituants est en fusion. Ainsi, à l'axe d'une dorsale, le gabbro se solidifie totalement à une température proche de 1 000 degrés.
On sait que les gabbros formés à l'axe d'une dorsale s'en éloignent, ce qui conduit à leur hydratation et à leur refroidissement. Le document indique les modifications minéralogiques qui affectent le gabbro au cours de son éloignement. On constate que le gradient géothermique stable des plaines abyssales n'atteint pas les conditions de pression et de température correspondant aux glaucophanites.
L'association minéralogique glaucophane, grenat, jadéite des glaucophanites n'est stable qu'à des températures comprises entre 200 et 400 degrés associées à des pressions supérieures à 1 100 MPa, soit à des profondeurs de l'ordre de 40-50 km. Ces conditions existent dans un contexte de subduction : les gabbros de l'île de Groix ont été entraînés en profondeur par une subduction de la lithosphère océanique et ont subi un métamorphisme dit de basse température et haute pression.
Le secret de fabrication
Cette dernière précision n'est pas attendue mais démontre à votre correcteur que vous connaissez votre sujet.
III. La datation de la subduction
Le document 3 indique que l'âge de la roche est donné par la relation :
t = a/λ.
La droite obtenue suite aux mesures des rapports 87Sr/86Sr et 87Rb/86Sr a pour équation :
(87Sr/86Sr) = a (87Rb/86Sr) + (87Sr/86Sr)0
ou, comme l'indique le graphique :
y = 0,0049x + 0,7174.
On détermine que a = 0,0049.
L'âge des glaucophanites est donc t = 0,0049/1,42.10-11 soit 345.106 ans. Les glaucophanites se sont donc formées il y a 345 millions d'années, durant le Paléozoïque.
Le graphique du document 3 souligne l'existence d'une marge d'erreur dans la détermination du rapport 87Rb/86Sr, ce qui entraîne une marge d'erreur dans l'estimation de l'âge des glaucophanites.
à noter
Le barème officiel relatif aux exercices 2 recommande la prise en compte des marges d'erreurs.
Il y a 345 Ma environ, un océan était en subduction au niveau d'une marge active, puis une partie des roches océaniques y ont échappé et sont revenues à la surface pour constituer l'île de Groix.
Conclusion
Les glaucophanites de l'île de Groix proviennent du métamorphisme de gabbros, roches caractéristiques de la croûte océanique. Bien qu'on ne dispose pas d'autres renseignements, cela souligne un premier épisode de l'histoire de la région marqué par l'existence d'un océan.
L'association minéralogique des glaucophanites indique qu'elles se sont formées à une profondeur d'environ 50 km. Les gabbros qui en sont à l'origine ont été entraînés en profondeur. Ce sont les indices d'une subduction donc d'un processus de fermeture d'un océan.
La subduction a eu lieu il y a 345 millions d'années environ.
Puisque les glaucophanites affleurent actuellement sur l'île de Groix alors qu'elles se sont formées vers 50 km de profondeur, cela implique qu'elles ont ensuite été exhumées, probablement lors de la fermeture de l'océan et de l'affrontement des lithosphères continentales qui le bordaient.