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Séismes et éruptions volcaniques |
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Fiche guide pour le maître pour l'élaboration de séquences de sciences |
Notion spécifique : Séismes et éruptions volcaniques
Le champ notionnel de référence
Un glossaire pour les enseignants
Des difficultés liées à la construction de la notion
Un niveau de formulation pour le cycle III ou niveau des connaissances à construire
Quelle approche pédagogique réaliser ?
Propositions d'activités
Le cadre proposé ci-dessous est à lire de haut en bas et de gauche à droite. Il prend en compte la liste des différentes notions (sans qu'elles soient formulées explicitement). Celles-ci sont disposées dans une progression logique qui va du descriptif à l'explicatif et du particulier au général.
Pratiquement toutes ces notions peuvent être abordées à l'école (excepté l'argument majeur du paléomagnétisme), à condition que leur formulation soit extrêmement simple. En outre, cette liste peut servir de base pour établir une progression pédagogique.
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Des volcans et des éruptions volcaniques Manifestations des éruptions et produits éruptifs : - laves (basalte) - projections solides - gaz Deux familles d'éruptions : - éruptions à coulées de laves - éruptions explosives Nature de l'édifice volcanique Origine du magma Prévisions et prévention possibles Répartition des volcans dans le monde :
Idée de zones actives de la planète |
Une théorie explicative Arguments anciens de la dérive des continents :
Arguments récents :
Les plaques : Définition des plaques Limites des plaques Comparaison avec les contours des continents ; leurs frontières sont différentes de celles des continents (exemple plaque africaine = continent africain + la moitié de l'Océan Atlantique = une partie de l'Océan Indien) Différents types de déplacement : écartement, rapprochement, enfoncement, coulissement La théorie des plaques :
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Des tremblements de terre Exemples récents et passés Manifestations spectaculaires Définition, source à différentes profondeurs Mesure de l'intensité ou de la magnitude, échelles Prévision impossible mais prévention partielle par constructions parasismiques Localisation dans le monde des zones sismiques et des zones asismiques - des zones actives et des zones stables - des séismes à la limite des plaques |
Il donne une définition succincte de quelques mots clés du domaine notionnel considéré. Bien sûr, tous les mots cités n'ont pas à être utilisés au cycle III de l'école élémentaire, ni même parfois au collège. Une proposition de vocabulaire utilisable sera donnée plus loin.
ACCRETION : action d'ajouter de la matière.
- La zone des dorsales est parfois considérée comme une zone d'accrétion puisqu'il y a montée de matières volcaniques et formation de nouvelle croûte.
- On parle de "prisme d'accrétion" quand une plaque qui plonge sous une autre, provoque l'empilement de morceaux de croûte à l'aplomb de la marge active (cf. zone de subduction).
ASTHENOSPHERE : partie du manteau la plus chaude dans laquelle des courants de convection se déplacent lentement.
COLLISION : affrontement entre deux plaques continentales.
CONTINENT : relief émergé, formé par l'accroissement de la croûte continentale pendant près de 4 milliards d'années par adjonction de chaînes de montagnes nées dans les zones de subduction et de collision entre plaques. Les continents sont constitués d'un ensemble hétérogène de roches (roches sédimentaires, volcaniques, plutoniques intrusives de types granites et métamorphiques). Comme la densité des continents est plus faible que celle du manteau sous-jacent, ils ne s'y enfoncent pas.
Selon une hypothèse récente (Arndt), les continents pourraient résulter de processus différents de ceux de la tectonique des plaques actuelle. Ils pourraient s'être formés par l'accumulation de super-panaches provenant du manteau qui engendrent des masses énormes de roches volcaniques à la base de la lithosphère ou dans le plancher océanique.
CONVECTION : mouvement de matière entre deux zones de température différente. On considère que le manteau est solide mais animé de mouvements de convection lents, de grande amplitude.
CROUTE TERRESTRE OU ECORCE : partie superficielle de la Terre.
- croûte océanique (basaltes et gabbros, environ 10 km d'épaisseur)
- ou croûte continentale (roches métamorphiques : gneiss et micaschistes ; granites et un peu de roches sédimentaires, environ 30 km d'épaisseur).
DERIVE DES CONTINENTS : hypothèse ancienne de Wegener (1910) ; les continents actuels se déplacent, ils proviendraient d'un super-continent, la "Pangée" qui se serait morcelé au cours des temps géologiques.
DORSALE : chaîne de montagnes sous-marines ; zone d'écartement des plaques qui donne naissance à de nouveaux fonds océaniques par montée de magma. Cette chaîne est souvent nommée improprement rift (voir rift).
ECHELLE DE RICHTER : mesure de la magnitude d'un séisme, c'est à dire de l'énergie libérée au foyer d'un séisme. Elle suit une progression logarithmique : par exemple un séisme de magnitude 7 (cf. San Francisco, oct. 1989) libère trente fois plus d'énergie qu'un séisme de magnitude 6 et est près d'un million de fois plus fort qu'un petit séisme de 3.
EPICENTRE : projection à la surface de la Terre du foyer qui est le point de départ d'un tremblement de terre.
ERUPTION VOLCANIQUE : libération de magma à la surface de la Terre. Deux grandes familles d'éruptions volcaniques sont distinguées, celles à coulées de lave (voir volcan effusif) et celles explosives (voir volcan explosif).
EXPANSION (zone d') : zone où les plaques s'écartent ; lieu de volcanisme effusif le plus souvent sous-marin. La vitesse est lente, de 1 à 2 cm par an, dans la dorsale Atlantique et la vitesse est rapide, de 10 cm et plus par an, dans la dorsale Pacifique - Est).
FAILLE : fracture ou cassure de l'écorce terrestre avec déplacement des roches.
FAILLE TRANSFORMANTE : faille qui découpe la dorsale en tronçons. Ces failles déplacent latéralement l'axe de la dorsale et permettent d'observer au fond de l'océan des séquences de roches appartenant au manteau.
FOYER (OU HYPOCENTRE) : point de déclenchement d'un séisme, il peut être situé à plus ou moins grande profondeur
- foyer superficiel, 10 à 100 km,
- foyer intermédiaire, 100 à 300 km,
- foyer profond, > 300 km.
LAVE : magma dégazé émis en surface qui donne des roches volcaniques en se refroidissant.
LIMITE DES PLAQUES :
- limite d'écartement : rift, dorsale,
- limite de rapprochement : zones de collision ou de subduction,
- limite de coulissement.
LITHOSPHERE : carapace rocheuse rigide de la terre, divisée en plaques. Elle comprend la croûte et le manteau supérieur. Son épaisseur est de 10 à 100 km sous les océans et de 200 km sous les continents.
MAGMA : roche fondue contenant des gaz et formant une masse pâteuse en profondeur. Sa température est très élevée. Le magma naît dans le manteau, en certaines régions, par fusion partielle, sous l'effet de la pression ou de la température.
MANTEAU : zone comprise entre l'écorce et le noyau jusqu'à 2900 km de profondeur. Il comprend :
- le manteau supérieur rigide faisant partie de la lithosphère,
- le manteau moyen appelé asthénosphère, solide aussi, mais au comportement différent car animé de mouvements lents,
- le manteau inférieur solide.
MARGE ACTIVE : marge continentale à la limite entre la croûte océanique et la croûte continentale. La marge est dite "active" si elle correspond à une zone de subduction. Elle a une forte activité sismique et volcanique, exemple : la marge des Andes ou celle du Japon.
MARGE PASSIVE : marge continentale à la limite entre la croûte océanique et la croûte continentale, au sein d'une même plaque lithosphérique. Elle est stable car ne correspond pas à une zone de subduction et n'a pas d'activité sismique, exemple : la marge Atlantique - Europe ou celle Atlantique - Amérique du sud.
NOYAU : partie la plus profonde du globe terrestre située sous le manteau (à 2900 km de la croûte), dont le rayon atteint 3500 km. Il comprend :
- un noyau externe fluide,
- un noyau interne solide, riche en fer, appelé graine.
NUEE ARDENTE : nuage de cendres accompagnées de gaz à haute température qui émane d'un volcan et qui dévale ses flancs à très grande vitesse.
OBDUCTION : passage d'un morceau de lithosphère océanique par dessus un continent.
PALEOMAGNETISME : argument majeur de la théorie actuelle de la tectonique des plaques (abordable seulement en lycée),
PANACHE : remontée (voir volcan de point chaud) de matériaux chauds depuis les profondeurs de la Terre qui s'accumulent à la base de la lithosphère ou qui provoquent de gigantesques éruptions volcaniques à laves fluides en surface.
PLAQUE : partie de la lithosphère constituée de roches rigides et limitée par des zones sismiques. Les plaques peuvent être océaniques, continentales ou les deux à la fois.
RIFT : (de l'anglais "fente, fissure"), relief en creux au sein des dorsales, limité par des cassures ou failles. Il correspond à une zone en expansion. La dorsale médio-Atlantique présente un rift mais pas la dorsale Pacifique. Un rift peut d'abord être continental avant de devenir océanique.
SEISME : série d'ondes qui se propagent à l'intérieur de la Terre et qui provoquent des secousses qui ébranlent le sol.
SISMOGRAMME : enregistrement graphique (fréquence et amplitude) par un sismographe ou sismomètre, des ondes propagées par un séisme.
SUBDUCTION : zone où une plaque océanique plonge sous une autre plaque pour rejoindre en profondeur le manteau.
TECTONIQUE : science qui étudie les mouvements, les déformations, les cassures de l'écorce terrestre.
TECTONIQUE DES PLAQUES (ou tectonique globale) : modèle théorique, explicatif, élaboré en 1968.
TSUNAMI : raz de marée dû à un séisme sous-marin ou à une explosion volcanique.
VOLCAN DE POINT CHAUD : volcan qui peut être situé à l'intérieur des plaques (Hawaï, La Réunion) ou à leurs frontières (Islande, Açores). Ces volcans sont dus à des panaches de chaleur provenant du manteau. Ces panaches permettent la remontée d'énormes quantités de magma qui soulèvent la croûte terrestre. Ils ont pu favoriser l'ouverture des rifts. Ces points chauds pourraient rester stables sous des plaques qui, elles, se déplacent.
VOLCAN EFFUSIF : volcan situé dans les zones d'écartement des plaques. La lave fluide en coulées de ces volcans les rend relativement paisibles. On les nomme parfois "volcans rouges" du fait de la couleur des coulées de laves.
VOLCAN EXPLOSIF : volcan situé dans les zones de rapprochement des plaques, le long des fosses océaniques (Japon, Indonésie, Andes, Alaska, Guadeloupe et Martinique). La lave est plus visqueuse et sous pression ; les gaz ont des difficultés à atteindre la surface. L'activité volcanique est, le plus souvent, violente : cendres, nuées ardentes, coulées de boues. Ces volcans sont parfois nommés "volcans tueurs" parce qu'ils sont dangereux ou "volcans gris" du fait de l'importance des émissions de cendres.
Le passage du "savoir savant au savoir à enseigner" se pose de manière cruciale pour le sujet abordé car avec des jeunes élèves de 8/10 ans, il ne s'agit évidemment pas de donner, de manière magistrale, les arguments anciens et modernes qui ont conduit à la naissance de la théorie de la tectonique des plaques mais d'en faire apparaître quelques-uns au cours d'activités, à partir de documents divers à analyser, comparer, pour qu'ils se construisent un modèle mental simple et efficace des principaux types de mouvements de l'écorce terrestre et commencent à entrevoir la différence entre un continent et une plaque.
Ne pas tomber dans le simpliste et éviter des généralisations abusives : la difficulté pour l'enseignant est de ne pas donner une image trop caricaturale du fonctionnement complexe de la Terre et de la théorie. Il conviendrait de ne pas renforcer des obstacles déjà présents chez certains élèves comme l'idée répandue mais inexacte d'une couche uniforme de magma en profondeur sous la croûte terrestre.
Tenter d'éviter la dogmatisation : la théorie explicative globale ne devrait pas être présentée comme un dogme car de nombreuses interrogations subsistent. Le maître ne devrait pas fermer le discours pour montrer que la science évolue et que le savoir n'est que provisoire : difficulté particulière pour le cas de cette théorie qui fonctionne bien et qui a révolutionné pratiquement toutes les branches de la géologie.
Tenter de contextualiser l'approche en situant dans le temps certaines découvertes (découverte d'une très longue chaîne de montagnes au fond des océans dans les années 1960), en citant certaines techniques d'exploration et en citant certains auteurs. On pourrait ainsi envisager une modeste approche historique du savoir en évoquant l'hypothèse de la " dérive des continents " proposée par Wegener en 1913 (un continent unique se serait morcelé et les fragments auraient dérivé et dérivent encore) et les polémiques puis le rejet qui s'en suivirent. Cela pourrait se faire en comparant des cartes de l'époque : cartes de Wegener avec un continent unique qui se fragmente et se disperse par dérive et un exemple de carte de l'Atlantique présentant un pont entre les continents.
Quels arguments sélectionner ?
Pour légitimer la transposition didactique, il faut faire trouver des arguments aux élèves. L'argument géographique de la dérive des continents est bien sûr le plus pertinent pour cette tranche d'âge et l'argument majeur du paléomagnétisme ne peut être abordé (il ne le sera vraiment que dans la classe de première de lycée). Pour des jeunes élèves, l'argument paléontologique peut être retenu s'il s'accompagne de documents à analyser (carte montrant la présence de fossiles identiques dans des contrées aujourd'hui éloignées). Les cartes de la répartition des volcans et celle de la répartition des séismes sont à analyser d'abord séparément puis à comparer. La magnifique carte du fond des océans doit être utilisée pour faire naître l'idée de montée de magma dans les dorsales et éventuellement rapprochée d'images animées de laves s'épanchant sous la mer.
Les éruptions volcaniques peuvent causer des dégâts très importants. Un volcan est une montagne, en forme de cône, formée par l'accumulation de laves et de projections solides expulsées par les éruptions successives. Les roches volcaniques proviennent du refroidissement des laves. Un volcan, peut rejeter aussi des cendres et des fumées. Du magma en fusion monte par une cheminée depuis un réservoir souterrain et donne des laves et des gaz.
Ce magma se forme, en certains endroits, en profondeur mais pas dans le noyau de la terre. Le magma est plus ou moins visqueux et contient des quantités variables de gaz. On distingue deux familles d'éruption, celles à coulées de lave (volcan " effusif ") et celles explosives, les plus dangereuses.
Certains volcans sont en activité permanente comme le Stromboli en Italie mais la plupart ont une activité discontinue avec des périodes de " sommeil " plus ou moins longues. Les volcans les plus dangereux sont surveillés. On peut prévoir les éruptions et évacuer les populations. Il y a des régions où les volcans sont nombreux et alignés et des régions sans volcan. Au milieu des océans, des laves se forment aussi.
Mots clés : lave, éruption, gaz, coulées, cendres, cheminée, cratère, roches volcaniques, magma, éruption à coulées de laves, éruption explosive
Les tremblements de terre ou séismes sont des secousses qui ébranlent le sol. Il s'agit d'un phénomène naturel, soudain et très rapide qui peut avoir des conséquences catastrophiques. On peut mesurer l'intensité des séismes ; l'échelle de Richter est une mesure de la quantité considérable d'énergie libérée. L'épicentre est la projection, à la surface, du foyer qui est le point de départ, en profondeur, du séisme.
Les séismes sont des témoignages de l'activité du globe terrestre, ils résultent des tensions accumulées et des ruptures de failles. Les séismes ne sont localisés qu'à certains endroits de la Terre. Il existe des régions très touchées par les séismes et des régions stables. On n'arrive toujours pas à prévoir les séismes mais on peut néanmoins éviter certaines destructions par des constructions parasismiques.
Mots clés : secousse, onde, épicentre, faille, rupture, intensité, échelle de Richter, sismogramme.
Première approche d'une théorie explicative
La répartition géographique des volcans et des séismes présente de nombreuses similitudes. Ils sont situés sur des zones instables qui traduisent l'activité interne de la planète. Les côtes d'Afrique et d'Amérique du sud semblent pouvoir s'emboîter, c'est un des arguments de l'hypothèse de " la dérive des continents " proposée par Wegener en 1913. Depuis, on a découvert une longue chaîne de montagnes volcaniques (dorsales) au fond des océans. L'écorce terrestre est solide et rigide mais elle est fragmentée, comme un puzzle, en plaques. Les séismes et les éruptions volcaniques ont lieu aux frontières des plaques. Ces plaques peuvent s'écarter, s'enfoncer les unes sous les autres, s'affronter ou coulisser. Ces mouvements des plaques, à la surface de la terre, sont permis grâce aux mouvements lents du manteau.
Mots clés : plaque, montée de magma au fond des océans, écartement des plaques, collision, coulissement, enfoncement d'une plaque sous une autre.
L'approche peut être tout à fait classique quant à la progression notionnelle suivie (voir aussi le cadre notionnel présenté plus haut) :
L'approche peut être beaucoup plus originale quant aux activités proposées aux élèves avec des images de toutes sortes (fixes ou animées, réalistes ou à valeur explicative, photographie, graphique, schéma, coupe, maquette, dessin animé, simulation…). Différentes situations-images de lecture, modification et production d'images peuvent être proposées :
Propositions d'activités.
Analyse des conceptions initiales des élèves
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