Dorsale et subduction

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Repère de progression

Progression proposée au cycle 4 : en 5e, localiser volcans et séismes ; en 4e, les relier aux mouvements des plaques lithosphériques ; en 3e, utiliser un modèle, en discuter les limites et argumenter. Cette fiche vise surtout la 4e et la 3e.

Cours : la subduction

1. Une lithosphère qui naît puis vieillit

Sous une dorsale, du manteau chaud remonte. En montant, la pression diminue et une partie de la roche fond (fusion partielle) : le magma refroidi forme de la lithosphère océanique neuve. Cette plaque s'écarte ensuite de la dorsale, se refroidit par le dessus, s'épaissit et devient plus dense. Son âge en un point est le temps mis pour y parvenir depuis la dorsale.

À vitesse constante : âge (Ma) = largeur (km) / (10 × v), avec v en cm/an, car 1 cm/an équivaut à 10 km par million d'années. Avec l'exemple chiffré indépendant de 3000 km et 5 cm/an, l'âge à la fosse vaut 60 Ma, quel que soit le dessin.

2. Le plongement

Une lithosphère océanique ancienne et froide peut devenir plus dense que l'asthénosphère sous-jacente. Elle s'enfonce alors sous une autre plaque : c'est la subduction, et la plaque plongeante se nomme le slab. Son poids qui tire la plaque est un moteur du mouvement, avec la convection du manteau. L'angle de plongement est le pendage. Pour atteindre 100 km de profondeur, la distance horizontale parcourue vaut d = 100 / tan(pendage) : 274,7 km à 20° et 46,6 km à 65°. Cette distance est calculée : elle ne dépend ni de la taille d'un dessin en pixels ni de l'exagération visuelle d'un schéma.

3. Eau et magmatisme d'arc

La lithosphère océanique contient de l'eau dans ses sédiments et ses roches altérées. En s'enfonçant, pression et température augmentent, des minéraux hydratés se transforment et libèrent de l'eau. Cette eau monte dans le manteau de la plaque chevauchante et abaisse la température de fusion de la péridotite. Il se produit une fusion partielle du manteau sus-jacent hydraté, et non une fusion entière du slab. Le magma, moins dense que la roche voisine, monte et alimente les volcans de l'arc.

4. Bilan de matière

La matière se conserve : la lithosphère créée à la dorsale provient du manteau, et celle qui plonge n'est pas détruite, elle est recyclée dans le manteau. Création à la dorsale et recyclage du slab se déroulent en même temps. Dans l'animation, la lecture, la pause, le retour et les légendes aident à suivre ce trajet qualitativement. Si le recyclage dépasse la création, l'océan se rétrécit.

5. Limites

L'animation originale ne comporte ni curseur de temps en Ma ni mesure : on y observe le trajet qualitativement, avec la tête de lecture. Le calcul indépendant de la distance parcourue vaut 10 × v × t pour une vitesse constante, mais après la fosse la trajectoire est inclinée et tout dessin est volontairement exagéré. La vitesse réelle peut varier, et un schéma n'est jamais à l'échelle.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Activité : un océan qui se ferme ?

Situation-problème

Un océan large de 3000 km sépare deux continents. À sa dorsale, de la lithosphère se forme ; à son bord, une fosse en consomme. Pourquoi la plaque plonge-t-elle, que devient sa matière et d'où vient le magma des volcans voisins ? Les documents suffisent ; vous pouvez ensuite observer l'animation de Claude Perrin (lecture, pause, retour, légendes). Les valeurs 5 cm/an, pendage 40° et largeur 3000 km sont celles d'un exemple chiffré indépendant, pas des réglages de l'animation.

Document 1 : évolution d'une lithosphère océanique

Données pédagogiques simplifiées et construites pour cette activité : ce ne sont ni des mesures réelles ni des sorties de la simulation. Épaisseur prise égale à 10 × √âge ; densité de l'asthénosphère fixée à 3,28 g/cm³.

Document 2 : protocole comparatif (maquette de densité)

Matériel : bac transparent rempli d'eau à 20 °C, deux seringues sans aiguille de 10 mL, colorant bleu, colorant rouge, thermomètre, chronomètre. Essai A : 5 mL d'eau à 5 °C colorée en bleu, injectés doucement à la surface contre la paroi. Essai B : 5 mL d'eau à 45 °C colorée en rouge, injectés au même endroit. Essai témoin : 5 mL d'eau à 20 °C colorée, injectés de la même façon. Chaque essai est répété 3 fois, dans une eau du bac renouvelée.

Résultats d'une séance type, construits pour l'activité. A : l'eau bleue descend au fond puis s'étale ; temps de descente 12 s, 10 s, 11 s. B : l'eau rouge reste en surface. Témoin : le colorant diffuse lentement, sans descente nette.

Exercice 1 : concevoir et exploiter un protocole

1. Quelle grandeur est comparée dans le document 2 et quel paramètre fait-on varier ?
2. Citez trois paramètres à garder identiques entre les essais.
3. Quel est le rôle de l'essai témoin ? Pourquoi répéter chaque essai 3 fois ?
4. Calculez le temps moyen de descente de l'essai A et donnez une incertitude.
5. Que représente l'eau froide dans la maquette ? Donnez une limite de cette analogie.

Exercice 2 : calculer âge et géométrie

1. Formule : âge (Ma) = largeur (km) / (10 × v), v en cm/an. Calculez l'âge pour 3000 km et 5 cm/an.
2. Calculez-le pour 4000 km et 8 cm/an.
3. Distance parcourue (km) = 10 × v × t, t en Ma. Calculez-la pour 5 cm/an à 60 Ma, puis à 90 Ma, et comparez à 3000 km. Calculez aussi la durée 1,5 × largeur / (10 × v), soit une fois et demie le temps d'arrivée à la fosse.
4. Avec d = 100 / tan(pendage) et tan 40° ≈ 0,839, calculez d pour 40°.
5. Comparez avec 274,7 km (20°) et 46,6 km (65°). Dépendent-elles de la taille du dessin en pixels ?
6. Si v vaut 5 cm/an à ± 0,5 cm/an, encadrez l'âge pour 3000 km.

Exercice 3 : argumenter

1. Observation : d'après le document 1, entre quels âges l'écart à l'asthénosphère devient-il positif ?
2. Interprétation : quel lien faites-vous avec le plongement ?
3. Un élève affirme : « le slab fond entièrement sous l'arc ». Réfutez ou nuancez en séparant observation, interprétation et limites.
4. Un océan se forme et se consomme au même rythme. La matière disparaît-elle ? Justifiez.

Exercice 4 : observer le trajet dans l'animation et le comparer à un calcul indépendant

Avec la lecture, la pause, le retour et la tête de lecture de l'animation, observez le début, le milieu et la fin du trajet. Pour la partie calcul, utilisez l'exemple indépendant (3000 km, 5 cm/an, pendage 40°) : ces valeurs ne sont pas des réglages de l'animation.

1. Décrivez la position de la lithosphère suivie au début, au milieu et à la fin du trajet dans l'animation. Pour l'exemple chiffré, indiquez où se situerait le repère à 0, 60 et 90 Ma.
2. Dans l'exemple chiffré, entre 60 et 90 Ma, le repère revient-il vers la dorsale ou recommence-t-il un cycle ? Décrivez son déplacement et comparez avec ce que montre l'animation, sans mesure.
3. Calculez la distance parcourue à 90 Ma avec 10 × v × t. Quelle part est parcourue après la fosse ? Pourquoi ne faut-il pas la mesurer sur l'écran ?

Correction complète

Corrigé

Exercice 1

1. On compare le comportement d'une eau selon sa température, donc sa densité (descente ou non). Le paramètre qui varie est la température de l'eau injectée (5 °C, 45 °C, 20 °C).
2. Même volume (5 mL), même quantité de colorant, même eau du bac à 20 °C, même point et même vitesse d'injection, même seringue.
3. Le témoin montre que le colorant et le geste d'injection seuls ne provoquent pas la descente : la différence observée vient de la température. Répéter 3 fois permet d'estimer la dispersion et d'éviter une conclusion fondée sur un essai accidentel.
4. Moyenne : (12 + 10 + 11) / 3 = 11 s. Valeurs comprises entre 10 s et 12 s : incertitude estimée à ± 1 s (demi-étendue), soit 11 ± 1 s.
5. L'eau froide représente une lithosphère refroidie, donc plus dense, qui s'enfonce. Limites : un liquide n'est pas une plaque rigide, il n'y a ni pression croissante, ni eau libérée, ni fusion, et les écarts de température sont sans rapport avec ceux du globe.

Exercice 2

1. 3000 / (10 × 5) = 3000 / 50 = 60 Ma.
2. 4000 / (10 × 8) = 4000 / 80 = 50 Ma.
3. À 60 Ma : 10 × 5 × 60 = 3000 km, soit exactement la largeur de l'océan : le repère atteint la fosse. À 90 Ma : 10 × 5 × 90 = 4500 km, dont 1500 km parcourus après la fosse, le long d'une trajectoire inclinée. Durée 1,5 × largeur / (10 × v) : 1,5 × 3000 / (10 × 5) = 90 Ma, soit une fois et demie le temps d'arrivée à la fosse.
4. d = 100 / 0,839 ≈ 119 km (119,2 km avec plus de décimales).
5. 274,7 km à 20°, 119 km à 40°, 46,6 km à 65° : plus le pendage est faible, plus la plaque parcourt de distance horizontale pour gagner 100 km de profondeur (rapport proche de 5,9 entre 20° et 65°). Non : ces valeurs sont calculées et ne dépendent ni de la taille en pixels ni de l'exagération du dessin.
6. Pour 4,5 cm/an : 3000 / 45 ≈ 66,7 Ma. Pour 5,5 cm/an : 3000 / 55 ≈ 54,5 Ma. L'âge est compris entre environ 55 et 67 Ma, soit 60 Ma à ± 6 Ma environ. Les valeurs sont arrondies au dixième.

Exercice 3

1. Observation : l'écart est négatif à 0, 10 et 30 Ma, positif à 60 Ma (+0,01 g/cm³) : le changement de signe se situe entre 30 et 60 Ma. Les données sont simplifiées, donc le seuil exact n'est pas précisé.
2. Interprétation : en vieillissant, la plaque se refroidit, s'épaissit et sa densité augmente. Quand elle dépasse celle de l'asthénosphère, la plaque tend à s'enfoncer, ce qui favorise la subduction. Ce tableau n'explique pas à lui seul le mouvement, qui dépend aussi de la convection.
3. Observation : l'eau libérée et la fusion apparaissent au-dessus du slab, dans le manteau de la plaque chevauchante (à comparer avec les légendes de l'animation originale, sans exiger de valeur chiffrée). Interprétation : l'eau abaisse la température de fusion de la péridotite, d'où une fusion partielle du manteau hydraté, qui alimente l'arc volcanique. Le slab se déshydrate mais ne fond pas entièrement. Limite : le schéma simplifie les profondeurs et ne donne ni températures ni pourcentages de fusion.
4. Non. Par conservation de la matière, la lithosphère formée à la dorsale vient du manteau, et celle qui plonge est recyclée dans le manteau. À rythmes égaux, l'océan garde une largeur constante. Si le recyclage dépassait la création, l'océan se fermerait, sans perte de matière.

Exercice 4

1. Dans l'exemple chiffré indépendant, à 0 Ma, le repère est à la dorsale (là où la lithosphère naît). À 60 Ma, il est à la fosse, après 3000 km de trajet. À 90 Ma, il est sur le plan de subduction, sous la plaque chevauchante, donc en train de s'enfoncer. Dans l'animation, la réponse attendue est qualitative : la lithosphère naît à la dorsale, s'éloigne, puis plonge sous l'autre plaque.
2. Il ne revient pas vers la dorsale et ne recommence pas de cycle : il progresse de façon continue jusqu'à la fosse, puis descend le long du plan de subduction. La matière plongeante est recyclée dans le manteau.
3. 10 × 5 × 90 = 4500 km, dont 4500 - 3000 = 1500 km après la fosse. Après la fosse, la trajectoire est inclinée et le dessin est volontairement exagéré : la longueur à l'écran n'est pas à l'échelle et ne se mesure pas ; on utilise la formule.