Activité isostasie scandinavie
2. Les prérequis des classes antérieures
3. Les objectifs méthodologiques
I. Contexte
1. Les programmes en vigueur dès la rentrée 2012
Thème 1 - La Terre dans l'Univers, la vie, l'évolution du vivant (Bulletin officiel spécial n° 8 du 13 octobre 2011)
Thème 1-B - Le domaine continental et sa dynamique
| Notion et contenu | Capacités, attitudes |
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Réaliser et exploiter une modélisation analogique ou numérique pour comprendre la notion d'isostasie.
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2. Les prérequis des classes antérieures
Les notions de lithosphère, d'asthénosphère de croûte et de manteau sont abordées en classe de première S
Thème 1 - B : La tectonique des plaques : l'histoire d'un modèle (Bulletin officiel spécial n° 9 du 30 septembre 2010)
3. Les objectifs méthodologiques de cette séquence
Conformément aux programmes (Bulletin officiel spécial n° 8 du 13 octobre 2011), l'élève met en apprentissage les capacités et attitudes suivantes:
- Pratiquer une démarche scientifique (observer, questionner, formuler une hypothèse)
- Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique
- Manipuler
- Exprimer et exploiter des résultats
- Percevoir le lien entre sciences et techniques
- Être capable d'attitude critique face aux ressources documentaires
Cette séquence pédagogique s'inscrit également dans le cadre de la validation des compétences du B2i lycée (Bulletin officiel n° 29 du 20 juillet 2006)
- Domaine 1 : S'approprier un environnement informatique de travail
- Domaine 3 : Créer, produire, traiter, exploiter des données
- Domaine 4 : S'informer, se documenter
II. Ressources mises à disposition des élèves et des enseignants
| Logiciel, Images et Tutoriels | Documents élèves |
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- Logiciel Excel - Fiche technique d'utilisation du logiciel Excel
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Contenu : Fiche protocole candidat + Fiche réponse contenant la carte des stations GPS + Fiche documents annexes + Fiche technique d'utilisation du logiciel Excel |
III. Déroulement de la séquence
Premier temps : La rupture cognitive (durée environ 15 minutes)
Les variations du niveau marin servent de point d'entrée dans cette séquence. Deux approches sont envisageables : soit on peut raisonner sur une courte échelle de temps de l'ordre de la centaine d'années, soit sur une échelle de temps plus grande de l'ordre du millier d'années.
| Une première approche possible : (échelle de temps de l'ordre du millier d'années) | |
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Question : Identifier le problème qui émerge suite à la confrontation des données des documents 1 et 2. Eléments de réponse attendus : Depuis 8 000 ans, on constate une hausse mondiale du niveau marin. On peut donc prévoir que lignes de rivage les plus vieilles doivent se trouver au dessous des lignes de rivage les plus jeunes. Or sur le document 1, on constate le phénomène inverse à savoir que les lignes de rivage les plus récentes sont situées en dessous des plus anciennes! |
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| Une deuxième approche possible : (échelle de temps de l'ordre de la centaine d'années) | |
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Document 1 : Divers extraits de texte 1/ Des extraits de texte actuels cnrs-le journal N°216- Janvier/février 2008
Libération- 11 janvier 2000 -Par PASKOFF Roland
2/ Histoire des sciences : des extraits de textes historiques sur la découverte de la baisse du niveau marin en Scandinavie par Celsius. De nombreux textes d'époque relatent que pendant des siècles, les Scandinaves ont observé une baisse progressive du niveau de la mer liée à la remontée des terres et, dès le début du XVIIème siècle, Anders Celsius (1701-1744) débuta le suivi scientifique du phénomène, entre autre par la marque d’un rocher à Lövgrunde, à 200 km au nord de Stockholm. Quelques références :
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Document 2: Elévation moyenne mondiale du niveau de la mer en mm de 1875 à 2006 
En rouge, reconstructions de niveaux de la mer
En noir, les données des satellites altimétriques depuis 1992
En bleu, les données recueillies par les marégraphes depuis 1950
Les barres d’erreur montrent un intervalle de confiance de 90 %.
En ordonnées, les valeurs indiquent les variations en millimètre du niveau de la mer par rapport aux moyennes des années 1961-1990.
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Question : Identifier le problème qui émerge suite à la confrontation des données des documents 1 et 2. Elément de réponse attendus : Depuis plus de 250 ans, le niveau marin mondial ne cesse d'augmenter, ce qui n'est pas cohérent avec les observations de baisse du niveau marin faites sur la même période en Suède ! |
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Aujourd’hui, le réchauffement du climat est visible : les océans grimpent de trois millimètres par an, en moyenne. « Attention, les disparités sont très fortes, corrige l’universitaire Franck Levoy, du même laboratoire. On observe parfois localement des taux annuels de cinq, voire dix millimètres. » . [....]. À l’inverse, en Scandinavie, [....], des sols se rehaussent au point de faire baisser le niveau relatif des eaux
Problème : Comment expliquer la diminution des lignes de rivage au cours du temps, alors qu'il existe une remontée du niveau marin?
Hypothèse : On suppose que la lithosphère continentale remonte.
Deuxième temps : Mise en évidence des mouvements verticaux des continents par traitement de données GPS de la NASA (durée environ 1h00)
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Eléments de réponse attendus : 1/ Pour vérifier l'hypothèse selon laquelle la Scandinavie remonte, il faut suivre son déplacement vertical au cours du temps. D’où la nécessité de travailler avec des données GPS obtenues en différents points de la Scandinavie. |
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2/
- ne pas oublier de titrer et légender votre graphique, ainsi que de mettre les unités ( |
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 Modélisation numérique : Faire prendre conscience aux élèves que le vecteur vitesse de déplacement vertical est le résultat d'un modèle numérique.
Exemple de travail avec la station SPOT. Faire tracer aux élèves pour le même nuage de points les deux courbes de tendance : Afficher les coefficients de corrélation R² correspondants respectivement à chacune des courbes de tendance. L'utilisation du modèle linéaire et du modèle polynomial aboutit au même résultat : le déplacement de la station GPS suit la même évolution et les coefficients de corrélation sont identiques. Afin de choisir le modèle mathématique le plus pertinent, il convient donc de s'interroger sur leur signification géologique. La fonction linéaire modélise un déplacement à vitesse constante de la station GPS , alors que la fonction polynomiale modélise un déplacement de la station GPS avec une vitesse non constante au cours du temps. En revanche, sur de plus longues échelles de temps, le modèle polynomial devient pertinent et permet de rendre compte des variations de l'activité interne de la Terre. On aborde ainsi les domaines de validité de ces deux modèles mathématiques en établissant le lien avec la partie du programme sur le déplacement des plaques et du moteur de ce déplacement (Thème 2-A - Géothermie et propriétés thermiques de la Terre) Un travail sur l'intérêt des modèles dans la prévision des phénomènes à partir des données du passé peut également être amorcé au cours de cette séquence.
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insertion, 
Remarque : Les fichiers bruts de la NASA, à partir desquels ont été réalisés les fichiers de données Excel, présentent des données aberrantes, pour certaines stations GPS. (Voir la ligne 1963 pour la station KIRO ).
Libre à l'enseignant de les exclure.
Troisième temps : La cause de la remontée des continents (question 5 du TP) (durée environ 10 minutes)
Eléments de réponse attendus :
Mise en évidence de la disparition de la calotte de glace qui recouvrait le nord de l'Europe entre -20 000 ans et l'actuel. La fonte des glaces, se traduit par une perte de masse sur le contient.
On peut supposer que la perte de masse présente sur la lithosphère continentale a entrainé la remontée de cette dernière et donc que la lithosphère continentale n'est plus en équilibre sur l'asthénosphère.
La rupture de l'état d'équilibre entre la lithosphère et l'asthénosphère est responsable de la remontée du continent.
Quatrième temps : Modélisation analogique (durée environ 25 minutes)
Compte tenu de l'impossibilité d'expérimenter sur le réel (échelle de temps et de distance non reproductible en classe) pour éprouver l'hypothèse précédemment formulée, il est légitime d'utiliser un modèle qui va permettre à l'élève de produire une réflexion scientifique sur le phénomène géologique étudié.
Ce travail de modélisation analogique fait suite au travail de modélisation numérique mis en oeuvre dans la première partie du TP, lors de la réflexion sur le choix des courbes de tendance.
Il peut être amorcé par le recueil des représentations initiales des élèves sur la signification d'un modèle.
Quelque soit le modèle utilisé par l'enseignant, ce travail a un double objectif de formation pour l'élève :
- d'une part lui donner une représentation concrète qui correspond à l'idée abstraite qu'il se fait de la solution du problème à savoir la notion d'isostasie.
- d'autre part lui montrer les limites de la modélisation, en portant un regard critique sur le modèle mis en oeuvre, par la confrontation des données de terrain aux caractéristiques de ce dernier.
Dans l'exemple proposé ci après, le modèle est mis en oeuvre une première fois avec de l'eau salée, puis dans un second temps avec le gel.
Eléments de réponse attendus :
Critique du modèle utilisant l'eau- Le rapport des densités Croûte / Manteau du modèle est identique à celui mesuré dans la réalité.
Critique du modèle utilisant le gel
- Le rapport des densités Croûte/ Manteau du modèle est différents de celui mesuré dans la réalité.
Dans les deux modèles
- la fonte des glaces est instantanée ce qui n'est pas le cas dans la réalité. L'épaisseur de la couche de glace qui recouvrait le continent n'est pas respectée.
- Le manteau est représenté par un gel plus ou moins liquide ou de l'eau. Or l'étude de la vitesse de propagation des ondes sismiques atteste de la nature solide du manteau.
Cinquième temps : Synthèse ....un autre modèle (durée environ 5 minutes)
| Schéma bilan séquentiel en perspective cavalière | Commentaires |
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Etape
La lithosphère repose en équilibre sur l'asthénosphère. Cet état d'équilibre est nommé isostasie
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Etape
La présence d'une surcharge induit un déséquilibre isostatique dans les couches lithosphère–asthénosphère
Ce déséquilibre est responsable d'un lent mouvement vertical dirigé vers le bas de la lithosphère. (= subsidence) jusqu'à ce que le système atteigne un état d'équilibre.
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Etape
La disparition de la surcharge induit un déséquilibre isostatique dans les couches lithosphère–asthénosphère On assiste alors à un lent mouvement vertical dirigé vers le haut de la lithosphère jusqu'au retour du système à l'équilibre.
Les mouvements verticaux de rééquilibrage isostatique sont très lents. Ils se poursuivent bien après la disparition de la surcharge.
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Schémas réalisés en collaboration avec Julien Cartier, professeur de SVT, académie de Nice.
Vous trouverez d'autres très bons schémas du même auteur sur la tectonique des plaques, le domaine continental et sa dynamique sur le site de l'académie de Nice.
IV- Bibliographie
- Alain GIRET. "Le quaternaire: climats et environnements". L'harmattan, Février 2009. 296 pages. ISBN 2296075703
- Revue ASTER N° N° 7. 1988. Modèles et modélisation
Disponible en ligne sur http://ife.ens-lyon.fr/publications/edition-electronique/aster/RA007.pdf (consulté le 20 Février 2013)