« La Géologie dans les Alpes »

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Lycée François Arago – Villeneuve Saint Georges
Projet de stage de terrain
« La Géologie dans les Alpes »
Du mercredi 16 au samedi 19 Septembre 2015
Terminales S-SVT
Un paysage mettant en évidence des schistes lustrés, caractéristique du Queyras
© Camille Tomberli
Lycée François Arago – Villeneuve Saint Georges
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Pourquoi un stage de terrain ?
P
armi les Sciences de la Vie et de la Terre, la Géologie est certainement la discipline qui
s’inscrit le plus dans une approche « de terrain ». Le préambule du programme des SVT en
classe de terminale S (B.O. spécial du n°8 du 13 octobre 2011) le précise bien. Selon lui :
« Le travail de terrain est un moyen privilégié pour l'approche de la complexité des situations réelles ».
Il indique aussi que :
« Le programme comporte plusieurs items qui se prêtent bien à la réalisation d'un travail hors de l'établissement
(sortie géologique, exploration d'un écosystème, visite de laboratoire, de musée scientifique, d'entreprise). Un tel
déplacement permettra souvent de collecter des informations utiles pour plusieurs points du programme et
susceptibles d'être exploitées à plusieurs moments de l'année. Un tel travail de terrain doit s'exercer en cohérence
avec un projet pédagogique pensé dans le contexte de l'établissement ».
Ces différents éléments légitiment bien la mise en place d’un stage de terrain dans les Alpes,
massif montagneux d’âge récent le plus proche de Villeneuve-Saint-Georges, mais aussi le plus
facilement accessible.
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Quelles notions illustrer sur le terrain ?
Suite directe du programme de Géologie de 1e Scientifique, dans lequel l’attention s’est
portée principalement sur les domaines océaniques, le thème 1B du programme des SVT en
Terminale Scientifique intitulé « Le domaine continental et sa dynamique » permet de dégager
les caractéristiques de la lithosphère continentale et d'en comprendre l'évolution à partir de
données de terrain. La compréhension de la dynamique de la lithosphère en devient ainsi plus
complète.
Ce thème est découpé en quatre parties abordant chacune différents aspects de l’évolution du
domaine continental. Les textes officiels encouragent d’ailleurs les enseignants à aborder ces
parties grâce à un travail d’investigation en situation réelle de travail de géologue, c’est à dire grâce
à l’exploitation de données de terrain. L’ensemble du thème 1B est présenté en ANNEXE. Les
connaissances, capacités et attitudes pouvant être abordés ou développés sur le terrain étant
écrites en noir.
Au-delà du programme de Terminale Scientifique, il s’agit surtout d’éveiller la curiosité
des élèves pour les objets et phénomènes géologiques. Qui ne s’est jamais demandé « Quelle est
l’histoire de cette roche ? », « Pourquoi trouve-t-on des fossiles d’animaux marins à plus de 1000m d’altitude ? »
ou bien « Comment se sont mises en places ces montagnes qui se dressent face à moi, si imposantes ? ». Certes,
les réponses à ces questions ne sont jamais simples, mais avec un minimum de connaissances et
de méthode, il est possible d’y apporter une explication assez précise.
De plus, la culture géologique des lycéens étant assez peu développée au sortir de la classe de
Seconde Générale, un stage de terrain « en immersion » au cours du cycle terminal de leurs études
secondaires est donc une occasion unique pour eux d’acquérir des capacités et méthodes d’étude
géologique de terrain, qui sont, finalement, l’essence même de ce pan entier des Sciences de la Vie
et de la Terre.
Enfin, ce stage de terrain est aussi l’occasion d’illustrer certains aspects du thème 2A du
programme des SVT en Terminale Scientifique intitulé « Géothermie et propriétés thermiques
de la Terre », et dont le contenu est présenté en ANNEXE.
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Comment illustrer ces notions ?
En Géologie, l’approche de terrain ne se limite pas uniquement à se rendre sur un
affleurement1 et y contempler les roches présentes. Le travail du géologue commence par une
préparation à l’aide d’outils cartographiques dédiés (numériques ou papier), une analyse en
situation de chaque élément de l’affleurement, et des réflexions menées sur site et à postériori,
afin de replacer les éléments étudiés dans un cadre plus global.
Le travail proposé ici se base sur une démarche de terrain adaptée au niveau des élèves de
Terminale Scientifique.
-
Une rapide préparation dans le bus, avant l’arrivée sur les affleurements. L’idée est ici de
seulement annoncer ce qui va être étudié, de manière à susciter la curiosité des élèves,
sans dévoiler le contenu de ce qui sera découvert sur le terrain.
-
Un travail au maximum en autonomie sur le terrain, à l’aide de supports de recherches et
d’outils mis à disposition des élèves. La place des enseignants ne sera pas celle du
« détenteur du savoir », mais plutôt celle d’un « guide, accompagnant ». L’élève est ici dans
la peau du géologue : c’est lui qui mène les investigations.
-
Une mise en commun sur site, à la fin des recherches.
-
Une formalisation une fois de retour sur le site d’hébergement. Celle-ci pourra faire
l’objet d’approfondissement sur certains points, par ateliers scientifiques. Du matériel
complémentaire sera apporté sur site, afin de mettre en place ces ateliers (microscopes
polarisants, échantillons des roches observées, cartes géologiques…).
Enfin, la construction d’un compte-rendu de terrain sera attendu des élèves. Les formalités leur
seront données au début du stage de terrain.
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1!Un affleurement est un ensemble de roches solidaires du sous-sol, mises à nu par des facteurs naturels. !
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Pourquoi partir en début d’année scolaire ?
Pour arriver à concilier deux contraintes : le climat et le calendrier scolaire des élèves de
Terminale Scientifique. Les sites géologiques d’intérêt sont situés entre 500 et 2600m d’altitude.
Ils ne sont donc praticables dans des conditions « décentes » pour faire de la géologie que de mai
à octobre.
En fin d’année scolaire, les jours sont plus longs et les journées plus chaudes qu’en septembre.
Mais le calendrier des élèves de Terminale est aussi à prendre en compte : ces derniers passent les
épreuves terminales du baccalauréat. Il n’est donc pas pensable qu’ils partent sur le terrain juste
avant ces épreuves, période durant laquelle ils ont aussi bon nombre d’épreuves contant elles
aussi pour le Baccalauréat : oraux de Langues Vivantes, CCF d’Education Physique et Sportive,
ECE de Sciences physiques et de Sciences de la Vie et de la Terre…
Ainsi, le choix le plus judicieux semble être celui de la période la plus éloignée des examens, c’est
à dire avant les vacances de la Toussaint. Les journées sont encore agréables en montagne et les
élèves pas encore stressés par les échéances du Baccalauréat.
Où se fera l’hébergement ?
Au CIAL (Centre International des Arts et Loisirs), à Guillestre, en pension complète
(repas du midi sous forme de panier pique-nique).
C’est un lieu idéalement situé pour séjourner lors de ce stage de terrain : il est en position centrale
par rapport aux sites géologiques visités.
Ce site a l’avantage de disposer de salles de cours, permettant de mettre en œuvre aisément les
ateliers scientifiques du soir.
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Quelques réflexions à propos de la sécurité lors des randonnées
Qui dit stage de terrain de géologie, dit étude d’affleurements. En montagne, les routes
sont construites dans les endroits les plus accessibles, praticables, et rester proche des parkings ne
permet pas d’observer les affleurements les plus géologiquement intéressants.
Ainsi, il convient parfois de s’éloigner quelque peu des sites les plus anthropisés pour observer
des objets géologiques dits « en place », en effectuant une courte randonnée.
Les chemins de randonnée choisis dans ce stage de terrain ne présentent pas de
danger notoire : ils sont stabilisés, et sont empruntés régulièrement pas des cohortes de lycéens et
bon nombre de randonneurs.
La difficulté vient ici de l’altitude et du dénivelé, qui rendent l’effort de marche beaucoup plus
intense. Des élèves peu habitués à randonner pourraient alors rencontrer des difficultés lors des
marches pour rallier les affleurements.
A cet effet, plusieurs aménagements sont proposés :
-
La présence de deux professeurs d’EPS dans le personnel accompagnateur.
-
Un taux d’encadrement supérieur à 1 accompagnateur pour 12 élèves : il sera de 1
accompagnateur pour 9 élèves maximum lors de ce stage de terrain.
-
La transmission par les parents d’un certificat médical de « non contre-indication à la
pratique de la randonnée en altitude (jusqu’à 2600m) ». Si l’élève a des antécédents de
santé pouvant lui rendre les randonnées plus difficiles (scoliose, asthme, diabète…), un
certificat médical complémentaire sera demandé afin que ce problème de santé soit connu
du personnel accompagnateur.
Enfin, les vallées et massifs explorés lors des randonnées sont couvertes par les réseaux
téléphoniques mobiles (Bouygues, Free, Orange et /ou SFR et réseaux italiens selon les itinéraires
de randonnée), rendant possible la communication avec les secours si cela s’avérait nécessaire.
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Le Programme
Le trajet (format Google Earth) est téléchargeable ici
Jour 1 : Des objets tectoniques expliquant un épaississement crustal
Départ du Lycée à 7h pour le trajet aller.
Arrêt
dans
la
vallée
de
Bourg
d’Oisans :
identification de blocs basculés, plis et failles
inverses.
Arrêts au col du Lautaret et sur la route pour le
Galibier : étude du panorama du Galibier, mettant
Le panorama du Galibier et son interprétation. Le Front pennique,
chevauchement majeur des Alpes occidentales, y est figuré en rouge.
© Lithothèque de l’académie d’Aix Marseille
en évidence un chevauchement des unités
Briançonnaises au-dessus des unités Dauphinoises.
Arrivée à Guillestre.
Soir : - atelier plis et failles en fonction de la compétence des roches
- atelier microscope polarisant : les minéraux des roches granitiques
Jour 2 : Une suture ophiolitique, trace d’un ancien océan disparu
Randonnée dans le massif du Chenaillet (14km,
1000m de dénivelé), avec découverte d’une paléolithosphère océanique jeune, contenant des traces
de métamorphisme hydrothermal.
Arrêt au col d’Izoard au retour. Identification du
rôle du niveau de décollement fait de gypse ; étude
du panorama du col, avec le paysage de casse : un
exemple d’érosion par facteurs abiotiques.
Le panorama du Chenaillet, depuis le lac de Sarailles. Ce massif est un
morceau de lithosphère océanique, obduit sur la lithosphère continentale
eurasienne.
© Camille Tomberli
Retour à Guillestre.
Soir : - atelier microscope polarisant : les roches de la lithosphère océanique
- atelier radiochronologie : l’âge du Chenaillet, comparaison avec le Pelvoux
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Jour 3 : Les témoins actuels d’une ancienne subduction
Randonnée dans la vallée de Saint-Véran (14km, 600m de dénivelé), avec :
-
Découverte de roches océaniques anciennement
enfouies à grande profondeur, témoignant d’une
subduction du continent européen sous la microplaque Apulie (une partie de la plaque africaine).
-
Arrêt à une ancienne mine de cuivre, et découverte
du mode de formation de ce gisement de bornite,
roche n’étant aujourd’hui ici plus exploitée.
-
Panorama avec des schistes lustrés : sédiments d’un
ancien prisme d’accrétion, enfouis puis exhumés.
Un métagabbro à glaucophane.
Ancienne roche océanique de type gabbro (fait de
feldspath plagioclase, blanc, et de pyroxène, gris) qui fut
enfouie à plus de 20km de profondeur, où un minéral de
type amphibole (le glaucophane) a pu se former par
métamorphisme, à cause des conditions de pression et de
température, différentes à cette profondeur.
© Christian Nicollet
Retour à Guillestre.
Soir : - atelier microscope polarisant : les roches de la lignée métamorphique basique
- atelier calculs de masse volumique et plongement de la lithosphère océanique
Jour 4 : L’évolution de la chaine de montagnes : érosion,
métamorphisme d’épaississement continental et anatexie
Départ de Guillestre.
Arrêt à la source hydrothermale de Plan de Phasy : découverte
de l’origine de la température de son eau.
Arrêt à Montdauphin : panorama avec une ancienne vallée
glaciaire, aujourd’hui celle de la Durance.
Arrêt au col du Lautaret :
-
Coté sud (Massif du Combeynot) : identification d’un
métamorphisme
Un affleurement de flysch, proche du Lautaret.
Cette roche est constituée de débris d’érosion des
premiers reliefs alpins, mis en place à l’éocène, il y
a environs 35Ma
© Lithothèque de l’académie d’Aix Marseille
d’épaississement
continental
et
d’anatexie.
-
Coté nord : étude du Flysch gréseux éocène : érosion des
reliefs naissants, dépôt dans des bassins sédimentaires.
Départ du Lautaret pour le trajet retour à 14h.
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Les Annexes
Les connaissances, capacités et attitudes relatives au programme des SVT
en classe de Terminale Scientifique pouvant être abordés ou développés sur
le terrain (écrites en noir).
Thème 1B – Le domaine continental et sa dynamique
Partie 1 : La caractérisation du domaine continental : lithosphère continentale, reliefs et épaisseur
crustale
Connaissances
La lithosphère est en équilibre (isostasie) sur l'asthénosphère. Les différences
d'altitude moyenne entre les continents et les océans s'expliquent par des
différences crustales. La croûte continentale, principalement formée de roches
voisines du granite, est d'une épaisseur plus grande et d'une densité plus faible que
la croûte océanique. L'âge de la croûte océanique n'excède pas 200 Ma, alors que
la croûte continentale date par endroit de plus de 4 Ga. Cet âge est déterminé par
radiochronologie. Au relief positif qu'est la chaîne de montagnes, répond, en
profondeur, une importante racine crustale.
L'épaisseur de la croûte résulte d'un épaississement lié à un raccourcissement et un
empilement. On en trouve des indices tectoniques (plis, failles, nappes) et des
indices pétrographiques (métamorphisme, traces de fusion partielle). Les résultats
conjugués des études tectoniques et minéralogiques permettent de reconstituer un
scénario de l'histoire de la chaîne.
Capacités, attitudes
Réaliser et exploiter une modélisation
analogique
ou
numérique
pour
comprendre la notion d'isostasie. Utiliser
des données sismiques et leur traitement
avec des logiciels pour évaluer la
profondeur du Moho. Déterminer un âge
en utilisant la méthode de la droite
isochrone.
Recenser, extraire et organiser des
données de terrain entre autres lors d'une
sortie.
Repérer, à différentes échelles, des
indices simples de modifications
tectoniques ou pétrographiques du
raccourcissement et de l'empilement.
Partie 2 : La convergence lithosphérique : contexte de la formation des chaînes de montagnes
Connaissances
Les chaînes de montagnes présentent souvent les traces d'un domaine océanique
disparu (ophiolites) et d'anciennes marges continentales passives. La « suture » de
matériaux océaniques résulte de l'affrontement de deux lithosphères continentales
(collision). Tandis que l'essentiel de la lithosphère continentale continue de
subduire, la partie supérieure de la croûte s'épaissit par empilement de nappes
dans la zone de contact entre les deux plaques.
Les matériaux océaniques et continentaux montrent les traces d'une
transformation minéralogique à grande profondeur au cours de la subduction.
La différence de densité entre l'asthénosphère et la lithosphère océanique âgée est
la principale cause de la subduction. En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère
océanique se refroidit et s'épaissit. L'augmentation de sa densité au-delà d'un seuil
d'équilibre explique son plongement dans l'asthénosphère. En surface, son âge
n'excède pas 200 Ma.
Capacités, attitudes
Recenser, extraire et organiser des
données de terrain entre autres lors d'une
sortie. Repérer à différentes échelles, de
l'échantillon macroscopique de roche à la
lame mince, des minéraux témoignant de
transformations liées à la subduction.
Raisonner à l'aide de calculs simples sur
le lien entre âge de la lithosphère
/densité/subduction.
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Partie 3 : Le magmatisme en zone de subduction : une production de nouveaux matériaux
continentaux
Connaissances
Dans les zones de subduction, des volcans émettent des laves souvent visqueuses
associées à des gaz et leurs éruptions sont fréquemment explosives. La
déshydratation des matériaux de la croûte océanique subduite libère de l'eau
qu'elle a emmagasinée au cours de son histoire, ce qui provoque la fusion partielle
des péridotites du manteau sus-jacent. Si une fraction des magmas arrive en
surface (volcanisme), la plus grande partie cristallise en profondeur et donne des
roches à structure grenue de type granitoïde. Un magma, d'origine mantellique,
aboutit ainsi à la création de nouveau matériau continental.
Capacités, attitudes
Observer à différentes échelles, de
l'échantillon macroscopique à la lame
mince, les roches mises en place dans un
cadre de subduction et comprendre les
différences de structures et leurs
particularités minéralogiques (abondance
en minéraux hydroxylés).
Réaliser et exploiter les résultats de
modélisations numériques de fusion
partielle des roches. Comparer les
compositions minéralogiques d'un basalte
et d'une andésite.
Partie 4 : La disparition des reliefs
Connaissances
Les chaînes de montagnes anciennes ont des reliefs moins élevés que les plus
récentes. On y observe à l'affleurement une plus forte proportion de matériaux
transformés et/ou formés en profondeur. Les parties superficielles des reliefs
tendent à disparaître.
Altération et érosion contribuent à l'effacement des reliefs. Les produits de
démantèlement sont transportés sous forme solide ou soluble, le plus souvent par
l'eau, jusqu'en des lieux plus ou moins éloignés où ils se déposent
(sédimentation). Des phénomènes tectoniques participent aussi à la disparition des
reliefs. L'ensemble de ces phénomènes débute dès la naissance du relief et
constitue un vaste recyclage de la croûte continentale.
Capacités, attitudes
Recenser, extraire et organiser des
données de terrain entre autres lors d'une
sortie.
Exploiter des données cartographiques.
Utiliser des images ou des données
satellites pour qualifier et éventuellement
quantifier l'érosion d'un massif actuel
(ordre de grandeur).
Établir un schéma bilan du cycle des
matériaux de la croûte continentale.
Thème 2A – Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
Connaissances
La température croît avec la profondeur (gradient géothermique) ; un flux
thermique atteint la surface en provenance des profondeurs de la Terre (flux
géothermique). Gradients et flux varient selon le contexte géodynamique. Le flux
thermique a pour origine principale la désintégration des substances radioactives
contenues dans les roches.
Deux mécanismes de transfert thermique existent dans la Terre : la convection et
la conduction. Le transfert par convection est beaucoup plus efficace. À l'échelle
globale, le flux fort dans les dorsales est associé à la production de lithosphère
nouvelle ; au contraire, les zones de subduction présentent un flux faible associé
au plongement de la lithosphère âgée devenue dense. La Terre est une machine
thermique.
L'énergie géothermique utilisable par l'Homme est variable d'un endroit à l'autre.
Le prélèvement éventuel d'énergie par l'Homme ne représente qu'une infime
partie de ce qui est dissipé.
Capacités, attitudes
Exploiter des données extraites des atlas
régionaux des ressources géothermales
en France, concernant la température des
fluides extraits dans ces zones.
Exploiter les données recueillies lors
d'une sortie locale dans une exploitation
géothermique.
Exploiter l'imagerie satellitale et les cartes
de répartition mondiale du flux
thermique pour replacer les exploitations
actuelles dans le cadre structural :
magmatisme de rifting, de subduction ou
de points chauds.
Réaliser des mesures de conduction et de
convection à l'aide d'un dispositif ExAO
et les traiter avec un tableur
informatique.
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