1

BCPST. 1- 851 et 852. Lundi 15/03/2010.

DEVOIR n° 5

GEOLOGIE. Durée : 3 heures. Le sujet comporte 12 pages et trois parties indépendantes et obligatoires. Il est conseillé de prendre connaissance de la totalité du sujet avant de commencer. Des exemplaires en couleurs de certains documents sont disponibles pour une consultation dans la salle.

2

PARTIE I – Durée conseillée 1 h 30

Source des documents :

JF MOYEN sur le site de l’ENS Lyon http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-adakites.xml

Les adakites sont des roches volcaniques particulières qui se forment en contexte de subduction, dans des secteurs

relativement localisés. Leur nom provient de l’île d’Adak, dans les Aléoutiennes, où elles ont été décrites initialement.

Elles se distinguent des B.A.D.R. (Basalte, Andésite, Dacite, Rhyolite) de la série calco-alcaline classiquement

rencontrées par l’absence de termes basiques (basaltiques).

A partir des informations issues de l’exploitation des documents fournis, on cherche à expliquer la pr ésence

des adakites au niveau de certains sites des zones de subduction.

Cette problématique sera résolue en répondant aux questions suivantes :

1. Dégagez les caractéristiques chimiques des adaki tes (documents 1 à 3) .

2. Dégagez le contexte géodynamique de formation de s adakites (documents 4 à 6) .

3. Recherchez le matériau source du magma à l’origi ne des adakites (documents 2 et 7 ).

4. Préciser les conditions de la fusion partielle d u matériau source (documents 7 e t 8 ).

5. En bilan, proposez un schéma récapitulant les co nditions et le contexte de formation des adakites.

Document 1. Diagrammes alcalins – silice et K – Na – Ca.

N.B. : les points noirs sont les adakites étudiées. Al = alcalin : Th = tholéiitique.

3

Document 2. Diagrammes [(La)/(Yb)] N en fonction de Yb N et (Sr/Y) en fonction de Y.

Terres rares : La = lanthane (légère), Sr = strontium, Y = Yttrium, Yb = Ytterbium (lourde).

Remarque : le N de YbN signale une teneur normalisée = rapport entre la teneur de l’élément dans la roche est la

teneur dans une roche de référence (météorite chondritique en général).

Document 3. Comparaison de la composition chimique des adakite s

(moyenne de 81 analyses) et des dacites (moyenne de 80 analyses).

Remarque : une ppm correspond à un rapport de 10-6 soit, par exemple, 1 mg par kg.

4

Document 4. Localisation des adakites (triangles blancs) dans la zone Pacifique.

Les traits noirs épais représentent les axes des dorsales ou les zones d’extension des bassins d’arrière-arc.

Document 5. Les adakites de Patagonie.

N.B. :

A gauche , l’âge de la croûte est figuré : Tmy en millions d’années.

Au milieu , âge de la croûte entrant en subduction.

A droite : teneur en Yb des laves formées le long de la fosse (Ytterbium : élément trace, terre rare lourde). Les

cercles noirs correspondent aux adakites, les cercles blancs aux BADR.

5

Document 6. Diagramme Yb N (ou Y/2,4) des laves en fonction de l’âge de la li thosphère

subductée à l’aplomb du volcan correspondant.

Document 7. Spectres de terres rares comparant les adakites (r onds noirs)

avec les liquides modélisés, formés dans différents cas :

- fusion d’une péridotite à grenat,

- fusion d’une amphibolite (basalte métamorphisé),

- fusion d’une amphibolite à grenat (basalte métamorphisé dans des conditions où le grenat peut apparaître).

Les surfaces grises donnent la composition des liquides formés en fonction du taux de fusion partielle F.

6

Document 8. Diagramme P-T.

Quatre gradients géothermiques sont figurés en fonction de l’âge de la lithosphère entrant en subduction.

FDA : réaction de fusion / déshydratation de l’amphibole dans un basalte hydraté

D : courbes de déshydratation des minéraux hydratés (chlorite, actinote…) composant le basalte

G : limite inférieure du champ de stabilité du grenat

H : limite de disparition de l’amphibole (hornblende)

7

Partie II – Durée conseillée 1h

Les roches de l'Archéen, archives de la géodynamique des premiers âges de la Terre. On cherche à expliquer le contexte de formation des roches de l'Archéen (période géologique qui se situe entre 4 Ga et 2,5 Ga).

La répartition géographique des grandes provinces archéennes.

Ce document n'est pas à exploiter. Les affleurements de roches datées de l'Archéen sont en sombre (rouge), les parties recouvertes de sédiments sont en plus clair (jaune). 1. Dégager les caractéristiques chimiques des roches archéennes (doc 1).

• 80% des roches archéennes sont constituées de gneiss gris, c’est-à-dire d’anciens granitoïdes déformés et métamorphisés. Ces roches sont aussi connues sous le nom de TTG (Tonalite, Trondhjémite et Granodiorite) roches magmatiques contenant essentiellement du quartz, du feldspath plagioclase, de la biotite et parfois de l’amphibole. Ces roches se distinguent des granites par leur très faible teneur en feldspath potassique.

• 10% sont des basaltes et des komatiites constituant des « ceintures vertes ». Les komatiites sont des laves. Alors que les basaltes actuels ont des températures de mise en place de l’ordre de 1250 à 1350 °C, les komatiites faisaient éruption entre 1600 et 1650 °C (Nisbet, 1987).

• les 10 % restants sont constitués par des granites et des sédiments (BIFs :formations ferrifères rubanées). Les granites sont intrusifs dans le socle granito gneissique et les ceintures de roches vertes.

Doc 1a . La nature des roches archéennes.

8

Doc 1b. Evolution des roches mises en place au cours des temps géologiques. Rappel : les andésites appartiennent à la série calco-alcaline. Lherzolite Komatiite Harzburgite

SiO2 43,5 45,7 42,3

MgO 41,3 33,9 49,6

FeO 7,3 11,1 7,1

Al 2O3 3,6 1,7 0,5

CaO 1,9 5,9 0,1

TiO2 0,2 0 0

Na2O + K2O 0,2 0,3

0,1

Doc 1c. Composition de plusieurs roches exprimée en pourcentage d'oxydes.

9

Doc 1d. Position des TTG archéennes en fonction de leur composition en Na-k-Ca.

Tdh = TTG CA : lignée calco-alcaline.

2. Estimer le taux de fusion partielle de la péridotite source des komatiites (doc 1c). On précise qu’il existe un lien génétique entre les trois roches.

3. Etablir les conditions thermodynamiques de l'Archéen (doc 2-3-4).

Doc 2. La production de chaleur terrestre au cours des temps géologiques.

10

Doc 3. Les plaques lithosphériques et les dorsales aujourd'hui et à l'Archéen (reconstitution hypothétique).

Les traits noirs représentent les limites de plaques

Doc 5. Diagramme Température – Pression des zones de subduction.

Gradients géothermiques archéen et actuel dans une zone de subduction. Solidus de la croûte océanique (anhydre et hydraté). H et G : droites limites des domaines de stabilité de la hornblende H (amphibole) et du grenat (G). 5. Proposer un modèle explicatif de la formation et de la mise en place des TTG à l'Archéen. Source des documents : L'environnement de la Terre primitive. L'Archéen. Hervé Martin, Laboratoire magmas et volcans, Clermont Ferrand. L'environnement de la Terre primitive. M. Dargaud, D. Despois, JP. Parisot. Presse universitaires de Bordeaux, 2005.

11

T1

T2

T3

Partie III (30 min) Diagrammes de phase

1. Quartz et albite sont deux tectosilicates, immiscibles à l’état solide. Le diagramme du mélange albite-quartz est présenté ci-dessous. - Annotez le plus précisément possible le diagramme - Quelle est la composition du mélange M ? - Décrivez l’évolution du mélange M lors de son refroidissement jusqu’à une température inférieure à 740°C ; on détaillera les proportions de liquide et leurs compositions aux températures T1, T2 et T3. 2. Utilisez les diagrammes de phase pour interpréter la structure minéralogique observée sur la lame mince de droite - cas n°1

Elément à étudier

12

- cas n°2

2 feldspaths distincts

Un feldspath Na-K

Liquide

Albite

orthose