ELLEN P. METZGER
INTRODUCTION
But : Les élèves vont réaliser une maquette en papier illustrant le concept d’étalement des fonds marins et le développement de « bandes » magnétiques symétriques de part et d’autre d’un centre d’étalement médio-océanique.
Groupe d’élèves suggéré : Les élèves travaillent individuellement.
Intégration au travail : Thèmes : Modèles de changement : au fil du temps, de nouveaux fonds marins sont créés par la remontée de magma dans les centres d’étalement médio-océanique ; les anciens fonds marins sont détruits par la subduction dans les fosses marines profondes. Compétences et processus scientifiques : Déduire à partir d’un modèle. Intégration à d’autres disciplines : Sciences physiques : aimants dipôles et champs magnétiques ; convection. Océanographie : topographie du plancher océanique. Sciences de la vie : animaux trouvés dans les cheminées d’eau chaude au fond de l’océan.
Activités connexes : Montagnes sous-marines.
INFORMATIONS DE BASE
Avant de réaliser cette activité, les élèves doivent connaître :
1) les types de frontières entre les plaques lithosphériques ;
2) les caractéristiques du plancher océanique ;
3) le concept d’étalement du plancher océanique ; et
4) la nature du champ magnétique terrestre et le fait qu’il a inversé sa polarité de nombreuses fois dans le passé.
Les couches de la Terre La Terre est une planète stratifiée composée d’une croûte, d’un manteau et d’un noyau (figure 1). Les quelque 100 km extérieurs constituent une couche rigide appelée lithosphère, qui est constituée de la croûte et du manteau supérieur. La lithosphère est divisée en un certain nombre de plaques, grandes et petites, qui se déplacent sur l’asthénosphère, une couche plastique dans le manteau supérieur. Les tremblements de terre et les volcans se concentrent aux frontières entre les plaques lithosphériques. On pense que le mouvement des plaques est causé par des courants de convection dans le manteau (Fig. 2), bien que le mécanisme exact ne soit pas connu. Les plaques lithosphériques se déplacent à des taux de quelques cm par an.
Types de frontières de plaques Il existe trois types de frontières entre les plaques lithosphériques (Fig. 3) :
1) frontière convergente les plaques convergent, ou se rapprochent. Si une plaque de lithosphère océanique entre en collision avec une lithosphère continentale plus épaisse et moins dense, la plaque océanique plus dense va plonger sous le continent dans une zone de subduction (Fig. 2).
2) frontière divergente deux plaques divergent, ou s’écartent et une nouvelle croûte ou lithosphère se forme.
3) limite de faille transformante les plaques glissent l’une sur l’autre sans création ou destruction de lithosphère.
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Le plancher océanique Une carte du plancher océanique montre une variété de caractéristiques topographiques : plaines plates, longues chaînes de montagnes et profondes tranchées. Les dorsales médio-océaniques font partie de chaînes de montagnes de quelque 84 000 km de long. La dorsale médio-atlantique est la plus longue chaîne de montagnes sur Terre. Ces dorsales sont des centres d’étalement ou des limites de plaques divergentes où la remontée du magma du manteau crée de nouveaux fonds océaniques.
Les tranchées sous-marines profondes sont des bassins longs et étroits qui s’étendent sur 8 à 11 km sous le niveau de la mer. Les tranchées se développent à côté des zones de subduction, où la lithosphère océanique glisse à nouveau dans le manteau (figure 2).
Dérive des continents L’idée que les continents se déplacent est ancienne ; Alfred Wegener, un météorologue allemand, a proposé l’hypothèse de la dérive des continents. au début des années 1900. Wegener s’est appuyé sur plusieurs éléments de preuve pour étayer son idée selon laquelle les continents étaient autrefois réunis en un super-continent appelé Pangée et se sont depuis éloignés les uns des autres : (1) la similitude de la forme des continents, comme s’ils s’emboîtaient autrefois comme les pièces d’un puzzle ; (2) la présence de fossiles tels que Glossopteris, une fougère fossile dont les spores ne pouvaient pas traverser de larges océans, sur les continents aujourd’hui largement séparés que sont l’Afrique, l’Australie et l’Inde ; (3) la présence de dépôts glaciaires sur les continents qui se trouvent aujourd’hui près de l’équateur ; et (4) la similitude des séquences rocheuses sur les différents continents. Retour au début
L’hypothèse de la dérive des continents de Wegener n’a pas été largement acceptée parce qu’il n’avait aucun mécanisme pour expliquer comment les continents se déplacent. L’idée n’a pas été relancée jusqu’à ce que de nouvelles technologies rendent possible l’exploration du plancher océanique.
Extension du plancher océanique Au début des années 1960, le géologue de Princeton Harry Hess a proposé l’hypothèse de l’expansion du plancher océanique, dans laquelle le magma basaltique du manteau monte pour créer un nouveau plancher océanique au niveau des dorsales médio-océaniques. De chaque côté de la dorsale, le plancher océanique se déplace de la dorsale vers les fosses océaniques profondes, où il est subducté et recyclé dans le manteau (figure 2). Un test de l’hypothèse de l’étalement du plancher océanique a été fourni par les études du magnétisme de la Terre.
Le champ magnétique de la Terre On pense que le champ magnétique de la Terre provient du mouvement du fer liquide dans le noyau externe lorsque la planète tourne. Le champ se comporte comme si un aimant permanent était situé près du centre de la Terre, incliné d’environ 11 degrés par rapport à l’axe de rotation géographique (figure 4). Notez que le nord magnétique (tel que mesuré par une boussole) diffère du nord géographique, qui correspond à l’axe de rotation de la planète.
Placer un barreau aimanté sous une feuille de papier sur laquelle se trouve de la limaille de fer créera un motif lorsque la limaille s’alignera sur le champ magnétique généré par l’aimant. Le champ magnétique de la Terre est similaire à celui généré par un simple barreau aimanté. Actuellement, les lignes de force du champ magnétique terrestre sont disposées comme le montre la figure 4 ; l’orientation actuelle du champ magnétique terrestre est appelée polarité normale. Au début des années 1960, les géophysiciens ont découvert que le champ magnétique de la Terre s’inverse périodiquement, c’est-à-dire que le pôle magnétique nord devient le pôle sud et vice versa. La Terre a donc connu des périodes de polarité inversée alternant avec des périodes (comme aujourd’hui) de polarité normale. Bien que le champ magnétique s’inverse à ces moments-là, la Terre physique ne se déplace pas et ne change pas son sens de rotation.
Les laves basaltiques contiennent des minéraux ferreux comme la magnétite qui agissent comme des boussoles. C’est-à-dire que lorsque ces minéraux riches en fer se refroidissent en dessous de leur point de Curie, ils se magnétisent dans la direction du champ magnétique environnant. Les études du magnétisme ancien (paléomagnétisme) enregistrées dans des roches de différents âges permettent de savoir à quel moment le champ magnétique de la Terre a inversé sa polarité. Retour au début
Pendant la Seconde Guerre mondiale, des instruments sensibles appelés magnétomètres ont été mis au point pour aider à détecter les sous-marins à coque d’acier. Lorsque des chercheurs ont utilisé des magnétomètres pour étudier le fond de l’océan, ils ont découvert un schéma surprenant. Les mesures des variations magnétiques ont montré que, dans de nombreuses régions, des bandes alternées de roches enregistrant une polarité normale et inversée étaient disposées symétriquement autour des dorsales médio-océaniques (figure 5).
En 1963, F. Vine et D.H. Matthews ont raisonné que, lorsque le magma basaltique remonte pour former un nouveau plancher océanique dans un centre d’étalement médio-océanique, il enregistre la polarité du champ magnétique existant au moment où le magma s’est cristallisé. Au fur et à mesure que l’étalement écarte la nouvelle croûte océanique, des bandes de taille à peu près identique devraient être emportées de chaque côté de la dorsale (figure 5). Le magma basaltique qui se forme au niveau des dorsales médio-océaniques sert en quelque sorte de « magnétophone », enregistrant le champ magnétique de la Terre lorsqu’il s’inverse au fil du temps. Si cette idée est correcte, des bandes alternées de polarité normale et inversée devraient être disposées de manière symétrique autour des centres d’expansion médio-océaniques. La découverte de telles bandes magnétiques a fourni une preuve puissante que l’étalement du plancher océanique se produit.
L’âge du plancher océanique soutient également l’étalement du plancher océanique. Si l’étalement du plancher océanique fonctionne, la croûte océanique la plus jeune devrait se trouver au niveau des dorsales et une croûte progressivement plus vieille devrait se trouver en s’éloignant des dorsales vers les continents. C’est le cas. Le plus vieux plancher océanique connu est daté d’environ 200 millions d’années, ce qui indique que les planchers océaniques plus anciens ont été détruits par subduction au niveau des fosses profondes.
Il a fallu l’exploration du plancher océanique pour découvrir l’étalement des fonds marins, le mécanisme de déplacement des continents qui manquait à Alfred Wegener. L’hypothèse de la dérive des continents a connu un regain d’intérêt et, combinée à l’étalement des fonds marins, a conduit à la théorie de la tectonique des plaques. L’histoire de la pensée sur le mouvement des continents fournit un merveilleux exemple de la manière dont des hypothèses telles que la dérive des continents et l’étalement des fonds marins sont testées en profondeur avant qu’une nouvelle théorie n’émerge. Pour une vue d’ensemble de l’histoire de la tectonique des plaques, voir Tarbuck et Lutgens (1994). Retour au début
MATERIEL (Sources données ci-dessous)
Cartes du plancher océanique
Carte « Cette planète dynamique »
Pour chaque élève :
2 feuilles de papier pour classeur de 8,5 x 11 po (du carton pour classeur pourrait être utilisé à la place du papier pour faire un modèle plus solide)
ciseaux
règle
ruban adhésif transparent
ruban-cache
crayons de couleur ou crayons de couleur Suggestion : Faites votre propre modèle à l’avance pour le montrer aux élèves avant qu’ils ne fabriquent leurs modèles.
SOURCES DE MATÉRIEL
Les cartes des fonds de l’Arctique, de l’Atlantique, du Pacifique et de l’océan Indien sont disponibles auprès de la National Geographic Society, Educational Services, P.O. Box 98019, Washington, 20090-8019 ; téléphone 1-800-368-2728. Chaque carte coûte 10,90 $.
De Fisher-EMD : (1) Carte phosphorescente du plancher océanique : mesure 24″ X 24″. (10,60 $) ; (2) carte murale de la dorsale médio-atlantique (27,40 $). Commander auprès de Fisher Scientific-EMD, 4901 W. Lemoyne Street, Chicago, IL 60651 ; téléphone 1-800-955-1177.
« Cette planète dynamique : World Map of Volcanoes, Earthquakes, and Plate Tectonics » mesure 150 x 100 cm ; développé par le United States Geological Survey et la Smithsonian Institution. A commander auprès de l’USGS Map and Book Distribution, P.O. Box 25286, Federal Center, Bldg.. 810, Denver, CO 80225 ; téléphone 303-236-7477. Le prix est de 3,00 $. Retour au début
PROCÉDURES
Suivez les étapes des feuilles d’activités des élèves. Les élèves peuvent mesurer l’emplacement des zones de subduction et de la dorsale médio-océanique pour leur modèle, comme le montre la figure 1 des fiches d’activité de l’élève, ou vous pouvez leur donner le modèle prêt à l’emploi fourni. Vous pouvez copier le modèle sur une chemise de classement ou un carton similaire pour obtenir un modèle plus solide.
Modifications : Pour les plus jeunes enfants, omettez l’explication des bandes magnétiques et des inversions de polarité. Utilisez le modèle pour leur montrer la création de nouveaux fonds marins aux centres d’étalement et la disparition des anciens fonds marins aux zones de subduction. Vous pouvez découper les morceaux du modèle en papier pour les élèves à l’avance, ou utiliser un modèle que vous avez fabriqué comme démonstration pour la classe.
Extensions : Les systèmes d’évents hydrothermaux, appelés fumeurs noirs et blancs, trouvés dans les centres d’étalement océaniques sont l’une des découvertes les plus passionnantes faites au cours des quinze dernières années d’exploration marine. Ces fumeurs sont les sites de dépôts minéraux et d’écosystèmes uniques qui existent dans l’obscurité totale. Intégrez une unité sur l’étalement du plancher océanique et la topographie du plancher océanique à la biologie en demandant aux élèves de faire des recherches sur les créatures uniques associées aux communautés de cheminées hydrothermales. Quelques références suggérées sont données ci-dessous.
REFERENCES ET RESSOURCES
NSTA/FEMA, 1988, Tremor Troop Earthquakes : National Science Teachers’ Association, Washington, D.C.
Tarbuck, E. J. et Lutgens, F. K., 1994, Earth Science (7th ed.), Macmillan Publishing Company, p. 207-242.
Information générale:
Yulsman, T., 1993, Charting Earth’s Final Frontier : Terre, vol. 2, no. 4 (juillet 1993), p. 36-41. Discute de la cartographie des volcans, des failles, des canyons et des coulées de lave au fond de l’océan à l’aide d’un appareil sonar à balayage latéral appelé GLORIA (Geologic Long-Range Inclined Asdic).
La publication d’intérêt général « Marine Geology : Research Beneath the Sea » de l’United States Geological Survey donne un aperçu des méthodes et des équipements que les géologues marins emploient pour étudier le fond des océans. La brochure décrit les études de la topographie des fonds océaniques, des sédiments et des ressources minérales. Commandez jusqu’à 50 exemplaires gratuits (utilisez le papier à en-tête de l’école) auprès de l’United States Geological Survey, Box 25286, Denver Federal Center, Bldg. 810, Denver CO 80225 ; téléphone (303)236-7476.
Pour les enfants plus jeunes:
Cole, J., 1992, The Magic School Bus on the Ocean Floor : Scholastic, Inc., New York. Les enfants de la classe de Mme Frizzle font une excursion au fond de l’océan pour étudier la vie animale et végétale, une cheminée d’eau chaude et un récif corallien (pour les enfants de l’école élémentaire).
A propos des systèmes hydrothermaux en mer profonde:
Ballard, R. D. et Grassle, J. F., 1979, Incredible World of the Deep-sea Rifts : National Geographic, v. 156, n° 5 (nov. 1979), p. 680-705.
Lutz, R. A. et Hessler, R. R., 1983, Life Without Sunlight – Biological Communities of Deep-Sea Hydrothermal Vents : The Science Teacher, v. 50, n° 3 (mars 1983), p. 22-29.
Tunnicliffe, V., 1992, Hydrothermal-Vent Communities of the Deep Sea : American Scientist, v. 80 (juillet-août, 1992), p. 336-349. Retour au début
Vidéos:
« Trésors de Neptune : Klondike au fond des océans » (149,00 $ ; 26 min). Examine la relation entre la tectonique des plaques et les dépôts de minéraux marins ; montre comment le plancher océanique est cartographié et examine les systèmes de récupération des ressources marines, y compris les pelles et les pioches sous-marines et les « aspirateurs » géants. A commander auprès de Films for the Humanities & Sciences, P.O. Box 2053 ; Princeton, N. J. 08543-2053 ; téléphone 1-800-257-5126. « The Last Frontier on Earth » ($79.00 ; 26 min.). montre comment les scientifiques explorent les fonds marins en utilisant la cartographie par sonar à balayage latéral et le forage en eaux profondes. A commander auprès de : Brittanica Learning Materials, Customer Service, 310 South Michigan Avenue, Chicago, IL 60604-9839 ; téléphone 1-800-554-9862.
« Physical Oceanography » (59,95 $ ; 19 min.). Décrit les méthodes d’exploration des océans ; l’interaction des océans avec la biosphère, la lithosphère et l’atmosphère pour créer un environnement unique ; et les trois principales caractéristiques des océans : leur chimie, leur topographie et le mouvement de l’eau. Commander auprès de Scott Resources, P.O. Box 2121K, Ft. Collins, CO, 80522 ; téléphone 1-800-289-9299.
Diapositives:
« Undersea Exploration » (16,00 $ pour 22 diapositives). Cet ensemble illustre la recherche sous-marine à l’aide de submersibles en eau profonde et de véhicules télécommandés pour étudier les systèmes de rift du plancher océanique. Comprend des photos de fumeurs noirs, de vers tubulaires et d’équipements utilisés par les océanographes. A commander auprès de l’American Geophysical Union, Attn : Orders, 2000 Florida Avenue, N.W., Washington, D.C. 20009 ; téléphone 1-800-966-2481.
Certaines activités connexes :
Le module d’éducation sur l’évolution de la croûte terrestre (CEEP), « How Fast Is the Ocean Floor Moving ? ». »a été développé par la National Association of Geology Teachers. Dans ce module, les élèves examinent les données relatives aux sédiments du plancher océanique, déterminent si ces données confirment la théorie de la propagation du plancher océanique et calculent le taux de propagation de l’East Pacific Rise. Les autres modules du CEEP relatifs au plancher océanique sont les suivants : « Plaques lithosphériques et topographie des bassins océaniques » ; « Microfossiles, sédiments et propagation des fonds marins » ; « Mouvement du plancher océanique du Pacifique » ; « Un mystère du plancher océanique : Cartographie des inversions de polarité » ; et « Tracer la forme du plancher océanique ». Chacun de ces modules est disponible sous la forme d’un pack de classe qui comprend un guide de l’enseignant et 30 cahiers d’investigation pour les élèves et coûte 23,50 dollars. Commandez auprès de Ward’s Natural Science Establishment, Inc, 5100 West Henrietta Road, P.O. Box 92912, Rochester, New York 14692-9012 ; téléphone 1-800-962-2260.
GLOSSAIRE
asthénosphère une partie du manteau qui sous-tend la lithosphère. Cette zone est constituée de roches facilement déformables et atteint dans certaines régions une profondeur de 700 km.
Dérive des continents Première hypothèse proposant de grands mouvements horizontaux des continents. Cette idée a été remplacée par la théorie de la tectonique des plaques.
La frontière des plaques convergentes Une frontière entre deux plaques lithosphériques qui se rapprochent l’une de l’autre. De telles frontières sont marquées par la subduction, les tremblements de terre, les volcans et la formation de montagnes.
point de Curie température (environ 580 degrés C) au-dessus de laquelle une roche perd son magnétisme.
fosses sous-marines bassins longs, étroits et très profonds (jusqu’à 11 km) orientés parallèlement aux continents et associés à la subduction de la lithosphère océanique.
La frontière des plaques divergentes une frontière entre deux plaques qui s’éloignent l’une de l’autre ; une nouvelle lithosphère est créée entre les plaques qui s’écartent.
Lithosphère la couche rigide et la plus externe de la Terre ; comprend la croûte et le manteau supérieur et a une épaisseur d’environ 100 km.
crête médio-océanique une chaîne de montagnes continue au fond de tous les grands bassins océaniques qui marque le site où un nouveau plancher océanique est créé lorsque deux plaques lithosphériques s’éloignent l’une de l’autre.
polarité normale un champ magnétique qui a la même direction que celle de la Terre actuelle.
paléomagnétisme l’aimantation permanente enregistrée dans les roches qui permet de reconstituer l’ancien champ magnétique de la Terre.
Pangée ou Pangaea le « supercontinent » proposé qui a commencé à se disloquer il y a 200 millions d’années pour former les continents actuels.
tectonique des plaques la théorie qui propose que la lithosphère de la Terre est brisée en plaques qui se déplacent sur une couche plastique dans le manteau. Les interactions entre les plaques produisent des tremblements de terre, des volcans et des montagnes.
polarité inversée un champ magnétique dont la direction est opposée à celle du champ actuel de la Terre.
limite des plaques de transformation une limite entre des plaques de lithosphère qui glissent l’une sur l’autre.
épandage des fonds marins une hypothèse, proposée au début des années 1960, selon laquelle de nouveaux fonds océaniques sont créés lorsque deux plaques s’éloignent l’une de l’autre au niveau des dorsales médio-océaniques.
zone de subduction une zone longue et étroite où une plaque lithosphérique descend sous une autre. Retour au début
Un modèle d’étalement du plancher océanique
INTRODUCTION : La création d’un nouveau plancher océanique au niveau des centres d’étalement médio-océanique et sa destruction dans les zones de subduction est l’un des nombreux cycles qui font que la Terre connaît un changement constant.
OBJECTIF : Le but de cette activité est de fabriquer un modèle simple qui montre l’évolution de la croûte océanique par l’étalement du plancher océanique et la subduction.
MATERIEL :
2 feuilles de papier 8,5″ x 11″ (le carton peut remplacer 1 des feuilles)
règle
crayons de couleur ou crayons de couleur
ciseaux
ruban adhésif transparent
ruban-cache
PROCÉDURES : Si votre enseignant vous donne un modèle prêt à l’emploi pour cette activité, sautez les étapes 1 à 4.
1) Placez une feuille de papier cartonné de façon à ce que le côté long soit vers vous (figure 1).
2) Tracez une ligne verticale au milieu du papier d’une hauteur de 11,5 cm en laissant 5 cm de chaque côté de la ligne. Cette ligne représente un centre d’étalement médio-océanique (Voir figure 1).
3) Tracez une deuxième ligne verticale à droite de la ligne centrale de façon à ce qu’elle se trouve à 3 cm du bord droit de la feuille. Cette ligne représente une zone de subduction.
4) Tracez une troisième ligne verticale à gauche de la ligne centrale de façon à ce qu’elle se trouve à 3 cm du bord gauche de la feuille. Cette ligne représente une autre zone de subduction. Lorsque vous avez terminé, votre feuille de papier doit ressembler au diagramme de la figure 1.
Étiquettez la dorsale médio-océanique et les zones de subduction.
5) À l’aide d’une paire de ciseaux, coupez les lignes verticales de sorte qu’il y aura trois fentes sur le papier, toutes de la même hauteur et parallèles les unes aux autres. Pour renforcer les fentes que vous avez faites, placez du ruban de masquage sur chacune d’elles et recoupez la fente à travers le ruban.
6) Sur la deuxième feuille de papier, dessinez 11 bandes de 2,54 cm (1 « de large) chacune, perpendiculaires au bord long de la feuille.
7) Choisissez une couleur pour représenter la polarité normale et une seconde pour représenter la polarité inversée. Colorez des bandes alternées pour représenter les périodes de polarité normale et inversée. Coloriez la bande située à l’extrême gauche comme une polarité inversée.
8) Coupez le papier en deux parallèlement au bord long pour obtenir deux bandes de papier comme indiqué sur la figure 2. Marquez les bandes sur chaque bande avec des flèches pour indiquer les périodes alternées de polarité normale (flèche vers le haut) et inversée (flèche vers le bas). Retour au début
9) Insérez une extrémité de chaque bande de papier à travers la ligne centrale d’étalement sur votre premier morceau de papier (voir figure 3).
10) Tirez chaque bande de papier vers les fentes les plus proches des marges du papier (les zones de subduction). Attachez chaque bande pour former une boucle comme indiqué sur la figure 3.
11) Faites circuler les rubans de papier (qui représentent la croûte océanique) pour simuler le mouvement du plancher océanique depuis le centre d’étalement médio-océanique jusqu’à la zone de subduction.
Démarrez le mouvement des rubans avec des bandes représentant la polarité normale.
QUESTIONS:
1) La Terre a environ 4,6 milliards d’années. D’après les observations de votre modèle d’étalement du plancher océanique, pourquoi pensez-vous que le plancher océanique le plus ancien n’a qu’environ 200 millions d’années ?
2) Sur le vrai plancher océanique, les bandes alternées de polarité normale et inversée ne sont pas toutes de même largeur. Qu’est-ce que cela vous apprend sur les longueurs de temps représentées par la polarité normale et la polarité inversée ?
