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BCPST 1 Lundi 19 mars 2018

851, 852 et 853

DEVOIR SURVEILLE

n°5

GEOLOGIE

durée 3 h

Il sera tenu compte de la qualité de la présentation et de la rédaction (orthographe, grammaire, précision de l’expression).

L’usage d’abaques, de tables, de calculatrice et de tout instrument électronique susceptible de permettre au candidat d’accéder à des données et de les traiter par les moyens autres que ceux fournis dans le sujet est interdit. • Répondre aux questions posées et à elles seules, selon les modalités indiquées dans le sujet. • Répondre aux questions dans l'ordre en indiquant clairement leur numéro. • Si une question nécessite l’exploitation de plusieurs documents, mentionner clairement quel document est utilisé aux différentes étapes de votre réponse. • Les documents figurant en annexe (p. 13 – 14) doivent être exploités comme l’indiquent les questions qui s’y rapportent, et rendus en même temps que votre copie.

Les trois parties proposées sont indépendantes et obligatoires.

Le sujet comporte 14 pages, il vous est conseillé de prendre connaissance de la totalité du sujet avant de

commencer.

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Partie I – Géodynamique dans la région du golfe d’Aden (durée conseillée 30 minutes)

Dans cet exercice, on cherche à préciser la nature des mouvements affectant des plaques lithosphériques dans

l’océan indien (golfe d’Aden, sud de la péninsule arabique)

Document 1. Carte topographique de la région étudiée.

http://marc.fournier.free.free.fr/projects/encens_sheba_report.pdf

Document 2. Carte de la sismicité et des mécanismes au foyer dans le secteur étudié.

Plaque arabique

Plaque indienne

Plaque africaine

Golfe d’Aden

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Document 3. Les âges donnés par les anomalies magnétiques dans le golfe d’Aden.

A partir de l’exploitation des documents 1 à 3, répondez aux questions suivantes :

1. Justifiez l’existence au niveau du golfe d’Aden d’une dorsale séparant l’Afrique de la péninsule arabique et estimez la vitesse d’ouverture au niveau de cette dorsale.

2. Les géologues affirment que cette ouverture se propage vers l’Ouest, justifiez cette affirmation et estimez la vitesse de propagation vers l’ouest

(N.B. Pour simplifier on prendra comme valeur : un degré latitude ou de longitude = 111 km)

3. Identifiez la nature probable du mouvement relatif des plaques indienne et arabique.

4. Sur la carte fournie en annexe (à rendre avec la copie), récapitulez les mouvements relatifs entre les trois plaques concernées.

Continent africain

Péninsule arabique

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PARTIE II – L’archipel de la Société et Tahiti (durée conseillée 1 h)

Dans le secteur central du Pacifique sud se trouve un ensemble d’îles volcaniques qui forment l’archipel de la

Société.

Document 1. L'archipel de la Société : localisation et âge des îles.

1. Établissez, à l'aide du document 1, une relation graphique entre l’âge des îles et leur distance à l’île Mehetia. 2. Proposez alors une explication concernant l’origine de l’archipel en rapport avec la théorie de la tectonique des plaques.

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Document 2. Tomographies sismiques (ondes P et S) réalisées sous l’archipel de la Société. 3. Présentez brièvement le principe de la tomographie sismique. 4. Ce document confirme-t-il votre hypothèse sur le contexte émise précédemment ? Justifiez. 5. Cet archipel se situe-t-il à l’Est ou à l’Ouest de la dorsale pacifique ? Justifiez. 6. Estimez alors la direction et la vitesse de déplacement de la plaque pacifique. S’agit-il d’un déplacement absolu ou relatif ? Justifiez. Tahiti est l’île la plus connue de cet archipel.

Avec une surface totale de 1 042 km2, Tahiti représente à elle seule le quart des terres émergées de la Polynésie

Française. L’île doit sa physionomie particulière à la juxtaposition de deux systèmes éruptifs distincts, définissant l’île

principale de Tahiti-Nui au NO et la presqu’île de Taiarapu, encore dénommée « Tahiti-Iti » au SE. Ces deux

ensembles sont reliés par l’isthme de Taravao. L’île haute de Tahiti-Nui, de forme approximativement circulaire,

culmine à 2241 m (massif de l’Orohena).

Document 3. Vue aérienne de Tahiti.

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Document 4. Carte géologique simplifiée de Tahiti-Nui et coupe géologique associée (seule la section 1 est figurée ici).

1 (coulée bleue 1164 10 3 an)

2 (coulée vert foncé

825 103 an)

3 (coulée vert clair

576 103an)

Document 5. Composition chimique partielle (teneurs en oxydes) de trois roches volcaniques de Tahiti-Nui.

Si O2 43,26 44,13 55,81

Al2O3 9,69 15,36 22

MgO 12,6 6,3 0,2

Na2O 1,6 2,6 9,26

K2O 1,18 1,7 5,4

Fe O 12,3 11,8 2,4

7. En utilisant le document 5, placez les trois roches sur le diagramme de Harker fourni en annexe

(document à rendre avec la copie). Que suggèrent leur composition et leur répartition spatio-temporelle ?

8. La roche P ci-contre pourrait-elle être à l’origine d’une ou des trois roches échantillonnées ? Par quel(s) processus thermodynamique(s) ? Peut-on en estimer l’importance ?

Roche P Teneur en %

Si O2 42,7

Al2O3 3,3

MgO 41

Na2O 2,6

K2O 0,18

Fe O 8,1

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Document 6. Carte pluviométrique moyenne annuelle de Tahiti-Nui. Les précipitations sont estimées en mm/an. A titre d’informations, la pluviométrie moyenne annuelle en France métropolitaine est de l’ordre de 700 mm/an. En trait bleu : les rivières et torrents En trait noir : les lignes de crêtes Les nombres indiquent la pluviométrie en mm

9. En utilisant le document 6 et le document 1, décrivez et expliquez la répartition de la pluviométrie

annuelle sur l’île. On rappelle que l’île est située dans l’océan Pacifique à une latitude de 18°S (zone tropicale). 10. A l’aide des informations fournies par les documents 1 à 6 et de vos connaissances, présentez, en les

classant, une liste des aléas naturels auxquels l’île de Tahiti est exposée.

Sources des documents : http://geochrono.free.fr/fr/proj/tahiti/Tahiti.html BONIN B. Magmatisme et roches magmatiques, Dunod Ed., 2004 » MONTELLI R. et al. « A catalogue of deep mantle plumes: New results from finite-frequency tomography», Geochemistry, Geophysic, Geosystems, Vol 7, n° 11, November 2006

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PARTIE III – Le magmatisme de la région Izu – Bonin – Mariannes (durée conseillée 1 h 30) D’après le sujet du concours général de SVT 2008, modifié

La région Izu-Bonin-Mariannes est proche du Japon.

On y observe des roches magmatiques volcaniques diverses :

- des basaltes tholéiitiques MORB,

- des boninites qui tirent leur nom de la région du Bonin,

- des andésites, dacites et rhyolites.

Ces roches ont un âge d’environ 40 à 50 millions d’années.

DOCUMENT 1. Carte de la région d’Izu-Bonin-Mariannes. (D’après : http://en.wikipedia.org/wiki/Izu-Bonin-Mariana_Arc)

1. A partir de ces données et de l’exploitation du document 1, quel(s) contexte(s) pouvez-vous proposer pour expliquer l’activité magmatique de cette région ?

DOCUMENT 2. Analyses chimiques de quelques roches observées.

ROCHES

Boninite a Boninite b Basalte MORB

Andésite Dacite Rhyolite

COMPOSITION EN OXYDES

(% massiques)

SiO2 54.4 54.1 50.6 60.4 65.6 73.0

Al2O3 9.13 10.0 16.0 17.5 16.4 14.2

Fe2O3 et FeO 8.54 8.96 8.62 6.40 4.70 2.40

MgO 14.5 13.7 8.41 2.80 1.70 0.50

CaO 6.27 7.47 11.3 6.20 4.40 1.70

Na2O 1.00 1.41 2.21 4.30 4.61 4.60

K2O 0.35 0.43 0.43 1.20 1.62 3.10

Autres oxydes

5.81 3.93 2.43 1.2 0.97 0.5

2. 2a. Rappelez brièvement la définition d’une série magmatique. 2b. A partir des données du document 2, déterminez si toutes les roches appartiennent à une même série magmatique. 2c. Précisez quelles sont les caractéristiques des boninites.

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DOCUMENT 3. Rapports isotopiques en néodyme (Nd) en fonction des rapports isotopiques en strontium (Sr) pour les boninites observées du sud vers le nord de l’arc volcanique.

MA : manteau supérieur, source des basaltes tholéitiques de dorsale par exemple. ME : manteau profond, source des points chauds par exemple. Les valeurs données pour les MORB correspondent à celles des MORB étudiés dans la région Izu-Bonin. 3. Exploitez le document 3 pour déterminer quelle est la nature du solide initial qui subit la fusion partielle

dans le cas des boninites. DOCUMENT 4. Apports de quelques analyses géochimiques à l’évaluation du taux de fusion partielle subi par la roche mère à l’origine des boninites. L’élément Zr est un élément incompatible, alors que Cr est un élément compatible. Mg # = (100 x MgO) / (MgO + FeO) MgO et FeO sont en pourcentages massiques. ppm = partie par million (1 ppm = 1 g pour 1 tonne de roche) DOCUMENT 4a. Quantité de chrome (Cr) en fonction de Mg#.

DOCUMENT 4b. Quantité de zirconium (Zr) en fonction de Mg#. (D’après Petrology and geochemistry of boninite series of volcanic rocks, Chichi-Jima, Bonin Island, Japan; P. F. Dobson, S. Maruyama, J. G. Blank, J. G. Liou, International geology Review, vol. 48, août 2006). 4. Analysez les données fournies dans le document 4 et discutez leur interprétation dans le cadre de

l’évaluation d’un taux de fusion partielle.

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DOCUMENT 5. Composition chimique partielle des boninites a et de deux péridotites.

Al2O3 (% massique) K2O (% massique)

Roche mantellique appauvrie en éléments incompatibles

2.3 0.0760

Roche mantellique très appauvrie en éléments incompatibles

0.5 0.0118

Boninite a 9.13 0.35

Rq : le taux de fusion partielle maximal sur Terre a été d’environ 30 %.

5. Utilisez les données apportées par le document 5 et le document A fourni en annexe (à rendre avec la copie) pour estimer le taux de fusion partielle à l’origine des boninites a, par la méthode du levier.

DOCUMENT 6. Effets de la pression d’eau sur le diagramme binaire diopside/anorthite.

6. Soit une roche X de composition 70 % de diopside et 30 % d’anorthite : 6a. Lorsque la pression de l’eau dans le système est de 0,1 MPa, à quelle température débute la fusion ? 6b. Quelle est alors la composition du liquide eutectique ? 6c. Quel minéral disparaît en premier ? 6d. Mêmes questions lorsque la pression de l’eau dans le système est de 1000 MPa ? 6e. Concluez quant au rôle de l’eau dans la genèse et l’évolution des systèmes basaltiques.

DOCUMENT 7. Détermination expérimentale des conditions de la fusion partielle à l’origine des boninites.

Technique A Technique B Technique C Technique D

Echantillon 1 1 269 1 260 1 250 1 287

Echantillon 2 1 101 1 080 1 120 1 131

DOCUMENT 7a. Températures (en degrés Celsius) de formation d’échantillons de boninite

évaluées à partir de différentes techniques.

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On a en outre montré que les boninites ne peuvent se former qu’en présence d’eau, dans des conditions de pressions régnant à faible profondeur (moins de 60 km).

DOCUMENT 7b. Profil de température en fonction de la profondeur au niveau d’une zone de subduction classique, et solidus des péridotites anhydres et hydratées. (D’après Sciences de la vie et de la Terre, terminale S ; R. Tavernier, C. Lizeaux, éditions Bordas). 7. A partir de l’exploitation des documents 7a et 7b, identifiez les conditions de fusion partielle permettant

la formation du magma primaire à l’origine des boninites et indiquez le domaine de fusion partielle sur le document 7b fourni en annexe (à rendre avec la copie).

8. Confrontez ces conditions avec les informations issues du document 1 pour conclure sur le contexte qui permet la formation de ce magma particulier.

DOCUMENT 8. Datation des différentes roches dans la région d’Izu – Bonin – Mariannes.

Roches Ages

MORB 48 Ma

roches de la série calco-alcaline 41 Ma ; 46 Ma

boninites 44 Ma ; 48 Ma

9. Compte tenu de l’âge des différentes roches donné par le document 8, indiquez quels sont les différents contextes successifs qui ont permis le magmatisme à l’origine de ces roches (votre proposition doit être cohérente avec les données du document 1). Proposez une hypothèse expliquant comment, dans cette région, ces différents contextes ont pu se succéder.

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NOM …………………………… Prénom ……………………………………..

Documents à compléter et à rendre avec votre copie

Partie I :

Carte de la région du Golfe d’Aden

Partie II :

DOCUMENT A - Graphique de la quantité de K2O en fonction de la quantité de Al2O3.

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DOCUMENT 7b. Profil de température en fonction de la profondeur au niveau d’une zone de subduction classique, et solidus des péridotites anhydres et hydratées. Partie III :

Diagramme de Harker