Corrigé Bac Semaine 2 - À la recherche du passé géologique de notre planète

Sujet zéro : Sujet zéro 2021 - 1

• Consigne : Réalisez l’exercice 2 présenté sur le sujet bac avant de consulter le corrigé proposé ci-dessous.

EXERCICE 2 : Reconstitution de l’histoire géologique d’une partie de l’île de Groix

À la recherche d’océans disparus

Attention

En géologie, beaucoup de candidat·e·s ont tendance à citer des marqueurs, à les identifier sans expliquer en quoi ils seraient marqueurs de tel ou tel événement. Prenez donc bien garde à ne pas vous cantonner à un niveau descriptif : vous devez aussi expliquer vos observations.

L’étude du document 1 nous permet d’identifier la nature, la structure et la composition d’un type de roche, retrouvée sur l’île de Groix, qu’on appelle glaucophanite. Les glaucophanites présentent des grains sombres identifiés par le document 1 comme étant des grenats. Ceux-ci sont entourés de minéraux à dominantes verte et bleue : respectivement la jadéite et le glaucophane.
Grâce au document 2, qui est le domaine de stabilité de différents minéraux en fonction de la pression et de la température, nous allons pouvoir associer les minéraux de la glaucophanite à des conditions de pression et de température et donc à un contexte géodynamique. En effet, les contextes géodynamiques (océanisation, subduction, collision) ont des conditions de pression et de température caractéristiques. Ces dernières vont laisser des traces sur les roches et leurs minéraux, traces que nous serons alors en mesure d’interpréter.

La condition de formation, dans une même roche, de grenat, glaucophane et jadéite est réalisable à une température de $400\,\degree\text{C}$ et à une pression de $1500\,\text{MPa}$. Or, cette pression est atteinte à $50\,\text{km}$ de profondeur. Nous pouvons en outre préciser que ces conditions ne sont atteintes que dans un contexte de subduction, ce que confirme le gradient géothermique de subduction représenté dans le document 2. Le gradient géothermique, qui correspond au taux d’augmentation de la température en lien avec la profondeur, nous dit que dans le cas d’une subduction, la température augmente relativement lentement ; au contraire, la pression augmente très fortement.

• Ces conditions de pression et de température particulières engendrent la formation de glaucophane, jadéite et grenat qui n’est observable que dans un contexte de subduction.

Attention

Si les minéraux caractérisent une subduction, il ne faut toutefois pas oublier que les roches sont observées aujourd’hui à la surface ! Elles ont donc été exhumées, ce qu’il ne faudra pas manquer de mentionner.

Leur présence aujourd’hui en surface sur l’île de Groix ne peut s’expliquer que par leur exhumation, c’est-à-dire leur remontée à la surface après avoir été à plus de $50\,\text{km}$ de profondeur. Cela représente la dernière « étape ».
Nous pouvons d’ores et déjà dire que les roches présentes sur l’île de Groix ont connu, par le passé, un épisode de subduction. Mais nous pouvons aller plus loin. La présence de glaucophane, jadéite et grenat correspond à la modification, à l’état solide sous l’effet de la température et de la pression, d’une roche préexistante, c’est-à-dire que ces minéraux sont présents dans une roche métamorphique. On peut alors se demander quelle était la roche à l’origine des glaucophanites.

Le document 4 peut nous apporter des éléments de réponse. Dans le premier tableau, nous consultons les résultats de l’analyse de la teneur en différents éléments de six glaucophanites de l’île de Groix. On remarque que sans être strictement les mêmes, ces six glaucophanites ont des points communs : comme une teneur autour de $50\,\%$ en $\text{SiO}_2$, ou une teneur autour des $10\,\%$ en $\text{CaO}$. Le deuxième tableau donne le même type de renseignements (teneur en différents éléments) mais pour d’autres roches comme la péridotite (roche du manteau), le gabbro (roche de la croûte océanique etc.). Par comparaison, nous pouvons dire que la composition des glaucophanites se rapprochent le plus de la composition d’un gabbro. Elles ne sont pas similaires évidemment puisque les glaucophanites sont des roches métamorphiques donc modifiées par rapport à la roche initiale, mais elles en restent proches. On peut donc supposer que les glaucophanites sont des métagabbros, témoins d’une ancienne croûte océanique qui a disparu dans une zone de subduction.

L’ensemble de ces informations nous permettent de placer sur le diagramme du document 2 la roche initiale, le gabbro dont nous connaissons la composition initiale (pyroxène, plagioclase) et la glaucophanite. Nous pouvons relier le trajet entre ces deux roches qui illustre le trajet qu’a suivi cette roche depuis sa formation sur le plancher océanique, son éloignement de la dorsale, sa modification par le métamorphisme hydrothermal au fond de l’océan puis sa plongée dans la zone de subduction. Il ne faut pas oublier le trajet qui la ramène à la surface puisque c’est bien là qu’elle est observée.
Tous ces marqueurs nous ont permis de retracer une partie de l’histoire géologique de cette région mais n’ont pas encore pu nous donner d’informations sur les périodes de survenue de ces événements. C’est ce que nous allons voir dans la seconde partie.

L’utilisation de la datation absolue pour dater la subduction

L’obtention d’une « date » en géologie n’est pas quelque chose d’évident. Il faut tout d’abord rappeler que la datation d’un événement géologique ou d’une structure peut être relative (permet de préciser si tel ou tel événement est antérieur ou postérieur à tel autre) ou absolue (permet de donner un chiffre précis). Ici, les documents fournis vont nous permettre d’utiliser la datation absolue grâce à la radiochronologie. Il s’agit d’une méthode utilisant la radioactivité de certains éléments. En effet, certains éléments appelés « radionucléides » ont la propriété d’être instables et de se décomposer en un autre élément (lui stable) accompagné d’un rayonnement. C’est le cas du rubidium. Or, nous savons que le rubidium est présent dans les glaucophanites, puisque cela nous est précisé par le document 3. L’isotope 87 du rubidium $^{87}\text{Rb}$ se désintègre en strontium 86 $^{86}\text{Sr}$. La réussite de la méthode de radiochronologie repose sur le fait que cette désintégration s’effectue à une vitesse constante. La mesure des différents isotopes dans les minéraux d’une roche permet de réaliser une courbe appelé droite isochrone. La pente de cette droite, qui correspond à la pente, c’est-à-dire au coefficient directeur de la droite (l’équation étant $y = ax + b$) est proportionnelle à l’âge de la roche ce qui explique l’utilisation de la formule $t = \dfrac{a}{\lambda}$ où $t$ est l’âge qu’on cherche à calculer.

Astuce

La valeur de $a$ est donnée dans l’équation lisible sur le graphique du document 3.

Ici $a = 4,9\times{10^{-3}}$. Et $\lambda = 1,42\times{10^{-11}}$.

• $t = 345\,\text{millions d’années}$.

Rappelons que la datation obtenue correspond à la fermeture du système donc à la fin du métamorphisme de subduction. Le document précise aussi qu’il existe une marge d’erreur de l’ordre de quelques millions d’années.
Cette datation permet de dire que l’océan à l’origine de cette subduction est donc, grâce à la datation relative, plus ancien et amène à une notion de cycle géologique aboutissant à un recyclage de la matière.

Sujet bac : Sujet zéro 2021 - 3

• Consigne : Réalisez l’exercice 2 présenté sur le sujet bac avant de consulter le corrigé proposé ci-dessous.

EXERCICE 2 : Les témoins d’une histoire géologique

L’utilisation des principes de datation relative

Dater relativement c’est proposer une succession d’événements, les uns par rapport aux autres, sans pour autant conférer une date précise à ces évènements.

Attention

Argumenter des relations relatives entre différents événements ne revient pas à citer le principe utilisé puis à donner abruptement l’ordre des événements. Il faut toujours penser à justifier comment ce principe peut permettre d’affirmer telle ou telle relation.

La carte géologique de Falaise, en Normandie, est un bon exemple de ce qui peut être fait grâce à la datation relative.
Deux principes permettent de décrire comment a commencé l’histoire de la région. En premier lieu, nous pouvons affirmer que les terrains briovériens (b2 sur la coupe) sont les premiers à s’être mis en place. En effet, le principe de superposition explique que, sur une verticale, les couches (strates ou unités) géologiques sont de plus en plus âgées en allant vers le bas d’une formation. C’est ce que nous montre le schéma ci-dessous. La couche 1 s’est déposée en premier, puis la 2^e l’a recouverte, et enfin la 3^e.

Le principe de recoupement permet aussi de certifier l’antériorité de la couche b2 par rapport aux autres. Ce principe dit qu’une structure ou un objet qui en recoupe un autre lui est forcément plus jeune.

Ce schéma permet de montrer que la faille F est forcément postérieure aux couches qu’elle recoupe.

Astuce

C’est de la logique finalement !
Si tu as besoin de revoir ces notions, tu peux te référer au cours sur la chronologie relative.

Ainsi, sur la coupe de Falaise, les unités immédiatement au contact de b2 la recoupent : donc b2 est la couche la plus antérieure.

Rappel

« Antérieure » signifie qu’elle est plus vieille, « postérieure » qu’elle est plus jeune.

Cette coupe b2 correspond à des terrains liés à l’orogénèse (formation de chaîne de montagnes) cadomienne. Les couches ont été plissées par les mouvements de convergence.
Les mêmes principes permettent de préciser, que les unités k1, k2, k3, o2, o3 et o4 se sont formées après les terrains b2. Chacun de ces terrains recouvrent les précédents. Ainsi, suite au plissement des terrains briovériens, des produits de l’érosion de cette même chaîne cadomienne se sont accumulés, formant les conglomérats. À la suite de cette formation, le dépôt de calcaire correspondant à des formations littorales qui montrent qu’une transgression (montée du niveau marin) s’est produite. Ces informations peuvent être justifiées par le principe d’actualisme qui postule que les lois régissant les phénomènes géologiques actuels étaient également valables dans le passé. Ainsi, la reconnaissance de certaines espèces ou formations, qui actuellement caractérisent un milieu littoral, caractérisaient très probablement aussi un milieu littoral dans le passé.

Le dépôt k3 correspond à des formations marines traduisant un recul de l’océan après la montée des eaux de la période précédente.
Les formations o2, puis o3 et o4 continuent de montrer des alternances de montées et de baisses du niveau marin. La nouveauté qui suit la couche o4 est la formation d’une faille inverse. Cette faille, selon le principe de recoupement, est postérieure à toutes les couches précédemment citées puis cette faille les recoupe toutes. Le dernier événement visible sur cette coupe est le dépôt de la formation J, en milieu marin, puisque cette strate recouvre les précédentes.

La légende de la coupe géologique de Falaise donne un renseignement supplémentaire, plus précis celui-là, avec une date chiffrée : entre $750$ et $540\,\text{millions d’années}$ pour les terrains briovériens. Cette fois ce n’est pas la datation relative qui permet d’obtenir cette précision, c’est la datation absolue.

La datation absolue, une méthode utilisant la radioactivité

Certains éléments composants les minéraux des roches sont dits radioactifs. C’est-à-dire qu’ils se désintègrent en un autre élément, stable celui-là. L’important pour la datation, c’est que cette désintégration se fait à vitesse constante, connue pour chaque élément. Ainsi, il est possible, en mesurant la quantité d’éléments stables (appelés « fils ») de connaître le temps qu’il a fallu pour avoir cette quantité, temps qui correspondra à l’âge de la roche à dater.

Comme on le voit ici, la quantité d’élément père, ici le $^{87}\text{Rb}$, diminue régulièrement alors que la quantité d’élément fils, ici le $^{87}\text{Sr}$, augmente d’autant.
Pour pouvoir utiliser cette méthode de radiochronologie, plusieurs précautions doivent être prises.

• Tout d’abord, le couple père/fils choisi doit avoir une période de désintégration suffisamment longue pour dater la formation en question. Cette approche utilise donc la datation relative puisqu’il s’agit d’une estimation de l’âge de l’évènement que l’on veut dater.

Rappel

La période de désintégration est le laps de temps nécessaire pour que la moitié des éléments pères se soient désintégrés.

Le couple $\text{Rb}$/$\text{Sr}$ a par exemple une période tout à fait compatible à la datation d’événements de plusieurs millions à milliards d’années.

• Deuxième précaution à prendre : le minéral à dater doit contenir l’élément en question ! C’est le cas par exemple du granite dont certains des minéraux (biotite, quartz…) peuvent contenir du Rubidium.
• Dernière précaution, le système à dater doit être fermé, c’est-à-dire qu’il ne doit plus y avoir d’échanges avec l’extérieur. Pour une roche, cela correspond à sa cristallisation ; pour un organisme vivant, à sa mort…

Cette méthode de radiochronologie a donc pu permettre d’avancer une date entre $750$ et $540\,\text{millions d’années}$.