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Activité isostasie scandinavie

par Sandrine Beaudin last modified 12 May 2013 23:28

A partir du traitement des données GPS de la NASA, cette activité construite pour répondre aux objectifs cognitifs et méthodologiques des nouveaux programmes de terminale S, permet d'aborder la notion d'isostasie.

 
 
1. Les programmes en vigueur dès la rentrée 2012
2. Les prérequis des classes antérieures
3. Les objectifs méthodologiques
 
 
 

 

I. Contexte


1. Les programmes en vigueur dès la rentrée 2012

 

Signet 3 Thème 1 - La Terre dans l'Univers, la vie, l'évolution du vivant (Bulletin officiel spécial n° 8 du 13 octobre 2011)

Signet 3 Thème 1-B - Le domaine continental et sa dynamique 

 
Notion et contenu Capacités, attitudes


 La lithosphère est en équilibre (isostasie) sur l'asthénosphère.

 
Réaliser et exploiter une modélisation analogique ou numérique pour comprendre la notion d'isostasie.

 


2. Les prérequis des classes antérieures

  
 

Les notions de lithosphère, d'asthénosphère de croûte et de manteau sont abordées en classe de première S

Signet 3 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

      

Signet 3 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

Signet 3 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

- Logiciel Excel

- Fiche technique d'utilisation du logiciel Excel


- Fichier Excel contenant des données GPS pour différentes stations d'Europe du nord à déposer sur le réseau du lycée avant la séance et son corrigé


- logiciel Google Earth avec connexion internet

 

E- Une plage dans les nuages

E- Fiche TP scandinavie

Contenu : Fiche protocole candidat + Fiche réponse contenant la carte des stations GPS + Fiche documents annexes + Fiche technique d'utilisation du logiciel Excel

E- Fichier GPS scandinavie

E- Modélisation analogique

E- Schéma bilan 3D

 

 

 

III. Déroulement de la séquence

 

Signet 3 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)
Baie de Gruinard Ecosse Variation niveau mer sur 10 000 ans

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!

 

 

Une deuxième approche possible : (échelle de temps de l'ordre de la centaine d'années)

Document 1 : Divers extraits de texte 

1/ Des extraits de texte actuels
Signet Fleche 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

cnrs-le journal N°216- Janvier/février 2008

Signet Fleche"A Lövgrunde, en Suède, le rocher sur lequel le savant Celsius fixa, en 1731, au niveau de la mer, un repère qui se trouve aujourd'hui à plus de 3 m au-dessus du plan d'eau, indiquant ainsi une baisse rapide du niveau de la mer en cet endroit."

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 :

Signet Fleche Introduction aux observations sur la physique, sur l'histoire naturelle et sur les arts - livre électronique extrait page 15 - Par Jean Baptiste Francois Rozier - chez Le Jay, 1777 - 704 pages

Signet Fleche Encyclopédie ou dictionnaire raisonné des sciences des arts et ..., Volume 21        Par Denis Diderot

Signet Fleche Encyclopédie méthodique ou par ordre de matières: géographie moderne, Volume 2

Document 2: Elévation moyenne mondiale du niveau de la mer en mm de 1875 à 2006

Variation niveau marin depuis 1880 - rapport Giec 2007
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.

 

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 !

 

     

 Signet point vertProblème : 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.

 

 

 

 Signet 3 Deuxième temps : Mise en évidence des mouvements verticaux des continents par traitement de données GPS de la NASA (durée environ 1h00)

   TP consigne élève

 

 

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.

2/Signet 1 Le fichier Excel contient à la fois les déplacements longitudinaux, latitudinaux et verticaux.
Seul le traitement des données verticales est pertinent pour répondre au problème posé.

Signet 1 Les critères permettant un choix pertinent des stations

Autoévaluation choix stations GPS

Signet 1 Procédure générale pour toutes les stations GPS
- Sélectionner les colonnes adéquates sachant que par défaut Excel place la colonne la plus à gauche sur l'axe des abscisses (axe des X) et les valeurs présentes dans les autres colonnes en ordonnées. (axe des Y)
- Signet souris insertion, Signet souris graphique, Signet souris nuage de points (pour tracer un graphique de type Y= f(X) )
- Signet souris clic droit sur le nuage de points du graphique, Signet souris ajouter une courbe de tendance, puis cocher les trois cases

Signet souris linéaire

Signet souris afficher l'équation de la droite

Signet souris afficher le coefficient de détermination R² sur le graphique

- ne pas oublier de titrer et légender votre graphique, ainsi que de mettre les unités (Signet souris sélectionner le graphique puis Signet souris outil graphique, Signet souris disposition du graphique)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Station SPOT

Signet 1Modélisation 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 :
- la courbe de tendance linéaire d'équation mathématique y=ax+b
- la courbe de tendance polynomiale de degré 2 utilisant l'équation mathématique y=ax2+bx+c
Dans les 2 cas, les données à disposition (distance et temps) , donnent accès aux vitesses de déplacement des stations GPS

Afficher les coefficients de corrélation R² correspondants respectivement à chacune des courbes de tendance.
Il traduit la qualité de l'approximation mathématique par rapport à la réalité du phénomène géologique étudié.  Plus R² se rapproche de 1 ou de -1, plus l'approximation mathématique est fiable et la régression pertinente. Une corrélation égale à 0 signifie que les variables ne sont pas corrélées.

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.

Les données GPS disponibles sur les fichiers de la NASA ont été recueillies sur un intervalle de temps de l'ordre de la dizaine d'années. Sur ce court intervalle de temps, le modèle linéaire est donc pertinent et admet que le déplacement de la plaque est constant.

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.

 


3/ Un exemple de production possible

Correction carte scandinavielegende carte scandinavie

 

 Signet information 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.

 

     

Signet 3 Troisième  temps : La cause de la remontée des continents (question 5 du TP) (durée environ 10 minutes)

Doc calotte glaciaire
 

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.

 

 

 Signet 3 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.

 Représentations initiales sur les modèles et modélisation

 

 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.

caractéristiques modèle scientic

Modèle sciencethic

 Eléments de réponse attendus :

Signet FlecheCritique du modèle utilisant l'eau
- Le rapport des densités Croûte / Manteau du modèle est identique à celui mesuré dans la réalité.
 
- La vitesse de remontée du continent est instantanée sur le modèle alors que les données GPS attestent d'une remontée des continents actuelle qui se poursuit  bien après la disparition de la totalité de la calotte glaciaire (doc 5) jusqu'à ce qu'un état d'équilibre soit atteint.
 
 
 

Signet Fleche Critique du modèle utilisant le gel

- Le rapport des densités Croûte/ Manteau du modèle est différents de celui mesuré dans la réalité.

- Le modèle montre la poursuite du réajustement isostatique après la disparition de la masse de glace, ce qui est confirmé par les données GPS.

 

 

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.
 

 

 Signet 3 Cinquième  temps : Synthèse ....un autre modèle  (durée environ 5 minutes)

 

  

Schéma bilan séquentiel en perspective cavalière  Commentaires
Bloc diagramme bilan 3D modélisation étape 1

Etape Signet boule 1

La lithosphère repose en équilibre sur l'asthénosphère.

 Cet état d'équilibre est nommé isostasie

 

Bloc diagramme bilan 3D modélisation étape 2

Etape signet boule 2

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.

 

Bloc diagramme bilan 3D modélisation étape 3

Etape signet boule 3

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.

 

 

Schémas réalisés en collaboration avec Julien Cartier, professeur de SVT, académie de Nice.

Signet information 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)

 

 

 

 

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