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SED.09.09

SESSION 2010 ___________

Filière BCPST-Véto

SCIENCES DE LA TERRE

Durée : 2 heures 30 _____________

LE PHENOMENE SEDIMENTAIRE

L’usage de calculatrices électroniques de poche à alimentation autonome, non imprimantes et sans document d’accompagnement est autorisé. Cependant, une seule calculatrice à la fois est admise sur la table ou le poste de travail, et aucun échange n’est autorisé entre les candidats.

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Les 3 thèmes sont indépendants.

N.B. Les réponses seront concises et précises sans paraphrases du texte et des documents étudiés.

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THEME 1 : Archives climatiques marines : L’épisode H4 ( 13 pts) (D’après concours ENS2009 partiel)

Un épisode climatique particulier, appelé H4, s’est produit il y a environ 40 000 ans. Exploitez ces différents documents afin de présenter les caractéristiques de cet épisode et d’en

déterminer l’origine. Deux carottes sédimentaires ont été prélevées au large de l’Espagne. Différentes traceurs mesurés le long de ces carottes ont enregistré l’évolution de paramètres climatiques et environnementaux pendant l’épisode H4 (figure 1).

Flore du Nord-Ouest de

l’Espagne

Flore du Sud-Ouest de

l’Espagne

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Dans les carottes, des sédiments particuliers appelés IRD ont été retrouvés pendant l’épisode H4 (figure 2).

Ces sédiments IRD se retrouvent dans d’autres carottes couvrant une large région de l’Atlantique Nord (figure 3).

Des mesures du δ18O dans les tests de foraminifères planctoniques présents avant et pendant l’épisode H4 sont reportées sur la figure 4, page suivante.

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Les modèles climatiques globaux permettent de tester différentes hypothèses concernant l’origine de l’épisode H4 et notamment l’influence d’une libération brutale d’eau douce dans l’Atlantique nord. On a ainsi pu estimer à 0,29 x 106 m3/s, la valeur moyenne du flux d’eau douce introduit dans l’océan pendant l’épisode H4 qui a duré environ 175 ans. A partir des valeurs précédentes et en supposant constant le flux d’eau douce pendant l’épisode H4, calculez la hausse du niveau de la mer générée par l’épisode H4. N.B. Le volume total des océans juste avant l’épisode H4 est de 1,33.109 km3 pour une profondeur moyenne de l’océan de 3700m. Quelles est la vitesse moyenne de montée du niveau de la mer pendant l’épisode H4 ? Comparez cette valeur à la vitesse actuelle de remontée du niveau marin qui est de 2 millimètres par an. Quelle est l’origine de cette dernière ?

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THEME 2 : Les évaporites messiniennes (15 pts) (Sujet élaboré à partir de Géodynamique méditerranéenne, Ed. Vuibert Fév. 2008, Chapitre sur la crise de salinité messinienne (J.M. Rouchy))

La mer Méditerranée est une mer quasiment fermée. Elle ne communique avec le milieu océanique

qu’à l’ouest au niveau du détroit de Gibraltar où existe un passage vers l’océan Atlantique. Des sondages effectués en Méditerranée ont permis de mettre en évidence d’importants gisements d’évaporites datées du Messinien (fin du tertiaire, dernier étage du miocène supérieur). Des règles de sécurité imposant une profondeur limite des sondages, seule la partie supérieure des évaporites a pu être atteinte. Des profils sismiques permettent d’étudier des gisements plus en profondeur (Figure 1).

Figure 1 : Profil sismique montrant les différentes unités évaporitiques du golfe du Lion. L’absence de réflecteurs dans le sel massif traduit son homogénéité. Les réflecteurs des évaporites supérieures correspondent à des alternances de couches de sulfate de calcium et de marnes. Rappel : Vitesse moyenne des ondes sismiques dans les roches sédimentaires 4,5 km.s-

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1°) A partir des données du la figure 1, évaluer l’épaisseur totale des évaporites. 2°) Justifier le fait que ces épaisseurs excluent l’hypothèse qui attribuerait la mise en place de ces évaporites à un épisode d’évaporation complète de la Méditerranée d’une profondeur de 2000m. Quelle hypothèse doit-on envisager ?

Rappel : Salinité de la Méditerranée = 35g.L-1, Masse volumique moyenne des évaporites : 2,2g.cm-3

Le dépôt salin correspond à une « crise évaporitique » dont les limites sont précisément datées (Figure 2).

(std)

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On se propose d’étudier les conditions de l’apparition, du déroulement et de la fin de cette crise évaporitique.

La Méditerranée avant la crise évaporitique :

Pendant le Tortonien supérieur et le Messinien inférieur, la sédimentation était dominée par des alternances cycliques de marnes et de dépôts laminés plus riches en matière organique (sapropèle) (Figure 3).

Figure 3 : Série composée d’une alternance cyclique de bancs de diatomites (couches blanches) et de bancs de marnes sombres diatomitiques riches en matière organique (Carrière des Ouillis, Algérie) Un relevé précis de ces cycles sédimentaires peut être confronté aux variations du δ18 O de la calcite. (Figure 4) On sait que les variations du δ18 O traduisent des variations climatiques. Par ailleurs, la valeur de δ

18 O est d’autant plus élevée que l’eau est salée. Une valeur de l’ordre de -4 correspond à une eau proche de l’eau douce (saumâtre) alors qu’une valeur de +4 correspond à des conditions hypersalines. Figure 4 : Colonne des cycles sédimentaires numérotés de 3 à 49 (à gauche) et variations du δ18 O (à droite).. L’accroissement du δ18 O moyen traduit une augmentation de la salinité.

3°) Evaluer la périodicité des cycles sédimentaires et proposer une origine à celle-ci. 4°) Quelles sont les caractéristiques de la période précédant la crise (avant 6,03 Ma).

Pendant la période de transition (entre 6,03 et 5,96 Ma), les dépôts sont très variés et on repère, à la surface de certains, des fentes de dessiccation (Chypre).

5°) Déduire de ces informations et de la figure 4 les variations du niveau de la mer à cette période et son extension dans le bassin.

La crise évaporitique majeure : Cette crise est marquée par le dépôt d’halite au litage très régulier et même par endroits d’épaisses couches de sels de K et Mg (figure 5).

Figure 5 : Sel messinien photographié en Sicile. Les couches claires correspondent à de la halite régulièrement stratifiée et les couches sombres sont des sels de K et Mg qui font l'objet d'une exploitation minière.

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Document annexe A: Précipitation des sels au cours du processus de l’évaporation de l’eau de mer. ���� Document annexe B : Abondance relative des sels obtenus par évaporation totale de l’eau de mer.

6°) En utilisant les documents annexes A et B, déduire de la figure 5 les conditions d’évaporation et d’alimentation en eau du bassin pendant cette crise.

Les évaporites supérieures :

La transition entre les évaporites inférieures et supérieures est toujours brutale. Les supérieures sont constituées d’alternances régulières de dépôts essentiellement détritiques et de dépôts de gypse se terminant par une surface d’érosion. (Figure 6). L’étude des données géochimiques et paléontologiques des dépôts détritiques montrent des caractéristiques d’environnements saumâtres.

7°) Montrer comment, en considérant que les apports d’eau salée sont constants, des variations climatiques avec alternance de périodes humides et sèches permettent d’expliquer ces séquences de dépôts.

Figure 6 : Affleurement sur la côte sicilienne

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La fin de la crise :

La fin du Messinien se présente comme une limite nette entre des dépôts lacustres ou saumâtres et des dépôts marins. La figure 7 montre les compositions isotopiques des carbonates dans plusieurs affleurements au niveau de cette limite.

8°) Que peut-on déduire de ces résultats ?

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THEME 3 : La sédimentation au niveau des marges continentales passives (12 pts) http://www2.ulg.ac.be/geolsed/sedim/compl_sedim.htm#STRATIGRAPHIE%20SEQUENTIELLE

La sédimentation au niveau d’une marge peut-être étudiée globalement par sismostratigraphie ou plus en détails par biostratigraphie. N.B. De nombreuses réponses doivent être directement données sur la feuille annexe qui sera rendue avec la copie. A partir de l’exploitation de la figure 1 de la feuille annexe :

1°) Expliquer simplement la méthode utilisée en sismostratigraphie. 2°) Définir le glacioeustatisme et montrer que sont enregistrés dans la marge méditerranéenne les trois derniers cycles Glaciaire /Interglaciaire.

La figure 2 ci-contre présente schématiquement les corrélations séquentielles établies à partir de trois forages réalisés au niveau d’une autre marge continentale.

Figure 2 :

Différents faciès présents au niveau de la marge :

3°) Que peut-on déduire de l’étude des variations latérales et verticales de faciès de la figure 2.

La figure 3 sur la feuille annexe présente schématiquement les différentes organisations géométriques des corps sédimentaires en fonction de l’espace disponible au niveau d’une marge.

4°) De quels facteurs dépend l’organisation des corps sédimentaires sur une marge continentale ? 5°) Décrire et nommer les différentes organisations sédimentaires présentées sur la figure 3. Préciser les conditions dans lesquelles elles peuvent se mettre en place.

La figure 4 sur la feuille annexe fait la synthèse d’études réalisées sur l’ensemble du globe et présente une organisation type des ensembles sédimentaires au niveau d’une marge passive. Ce modèle récent positionne un prisme supplémentaire par rapport au modèle plus classique. Il s’agit d’un prisme régressif (PR) enregistrant des dépôts pendant une phase de baisse du niveau marin.

6°) Nommer les principaux prismes sédimentaires (N.B. des abréviations seront placées dans les cadres blancs). 7°) Décrire les variations eustatiques mises en évidence par la position de ces prismes.

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N° d’anonymat FEUILLE ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE

↑↑↑↑ Figure 1 : Profil sismique enregistré sur la plateforme continentale du golfe du Lion A= séquence holocène ; B et C séquences pléistocènes moyenne et supérieure.

Figure 3 : Organisations géométriques des corps sédimentaires en fonction de l’espace disponible �

↓↓↓↓Figure 4 : Organisation type des ensembles sédimentaires au niveau d’une marge passive N.B. Un seul faciès a été repéré de façon particulière (couleur

sombre), il s’agit d’un faciès sableux.

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BAREME DE CORRECTION DU DS 1 DE GEOLOGIE :

Corrigé du thème 1 : L’épisode H4

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Figure 1 : Pendant l’épisode H4, le diagramme pollinique correspondant à l’évolution de la flore du SW de l’Espagne montre le développement d’une végétation de type semi-désertique au détriment de la végétation méditerranéenne. Par contre, le diagramme pollinique du NW de l’Espagne accuse une légère diminution des espèces arbustives (Pin surtout) au profit des espèces herbacées. Aucune espèce aride n’est présente dans cette région pendant l’épisode H4. Les courbes SST montrent un refroidissement des eaux de surface de 4°C et de 10°C respectivement pour les carottes MD95-2042 et MD95-2331 pendant l’épisode H4. L’épisode H4 se traduit par un refroidissement et une aridité sensible du climat de l’Espagne. Avant et après l’épisode H4, la région NW présentait un climat tempéré contre un climat de type méditerranéen pour la région SW. Pendant l’épisode H4, les précipitations diminuent beaucoup entraînant le développement d’une zone aride à végétation semi-désertique au SW et la régression de la forêt tempéré au profit d’une végétation herbacée au NW de l’Espagne.

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Figure 2 : Avant l’épisode H4, le sédiment est constitué majoritairement de tests de Foraminifères planctoniques (globigérines, unicellulaires à test carbonaté). Pendant l’épisode H4, on observe la présence en abondance de minéraux silicatés (quartz essentiellement sable d’origine continentale).

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Figure 3 : Plus grande épaisseur d’IRD (Ice-Rafted Detritus) vers l’W voire le SW (origine des matériaux ?). Les IRD sont des fragments de roches arrachés au socle continental par les glaciers. Ces éléments sont ensuite transportés par les icebergs lors d’épisodes catastrophiques de fonte en période très froide…. Les icebergs proviendraient de la partie nord-ouest de l’Atlantique (Groenland et Canada). H4 = évènement de Heinrich n°4

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Figure 4 : δ18O variations +/- en latitude avant H4 (action de T de l’eau). H4 s’accompagne d’une diminution du δ18O des Foraminifères planctoniques. δ

18O dépend des caractéristiques de l’eau de surface dans laquelle vivent ces organismes. La diminution du δ18O peut s’expliquer par la diminution du δ

18O de l’eau de mer ou (et) par l’augmentation de la température ambiante. L’apport massif d’eau douce résultant de la fonte massive des icebergs pauvres en 18O fait baisser le δ18O des Foraminifères.

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Q = quantité d’eau douce injectée sur l’ensemble de l’épisode H4 : Q = 0,29.10-3 km3 x (365 x 24 x 3600 an-1) x 175 ans = 1,6.106 km3. S = surface des océans : S = 1,33.109 km3 / 3,7 km = 3,6.108 km2. H = élévation du niveau des mers pendant l’épisode H4 (en supposant constante la surface des océans) : H = 1,6.106 km3 / 0,36.109 km2 = 0,0044 km soit 4,4 m. La vitesse moyenne de remontée du niveau de la mer est de 2,5 cm.an-1. Très rapide donc par rapport à la vitesse actuelle d’élévation du niveau de la mer (10 fois plus environ !) qui résulte majoritairement de la dilatation de l’océan de surface en réponse au réchauffement climatique (et non comme les médias le rabâchent la fonte des calottes glaciaires... Cela se produira mais c’est encore peu important actuellement…)

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Corrigé du thème 2 : Les évaporites messiniennes

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1. Sur un profil sismique les ordonnées sont exprimées en secondes temps double std (temps mis pour les ondes sismiques p pour parcourir l’aller et le retour depuis la surface.) La traversée de l’ensemble des évaporites prend 0,9std soit 0,45s temps simple ce qui correspond à 4,5 x 0,45 = environ 2000m

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2. Un m3 (1000L) d’eau de mer contient 35000g de sels ce qui correspond à un volume de : 35000/2,2 106= 0,016 m3. Sur un volume d’1 m3, cela correspond à une hauteur de 0,016m. L’évaporation d’une hauteur de 2000m d’eau conduirait à une hauteur totale de 2000x0,016 = 32m La hauteur totale d’évaporites est considérablement plus élevée (2000m). Ce qui oblige à envisager une évaporation dans un bassin avec renouvellement de l’eau salée en provenance de l’océan Atlantique par une communication dans la zone qui est actuellement le détroit de Gibraltar.

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3. Il y a environ 5 cycles pour 100 000ans, soit un cycle tous les 20 000 ans. Cette périodicité correspond à la précession axiale, variations climatiques dues à une variation de l’orientation de

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l’axe de rotation terrestre. Pour chaque cycle une période chaude (δ18 O bas) pendant laquelle la productivité organique est élevée (couche sombre) est suivie d’une période plus froide (δ18 O haut) pendant laquelle la productivité est plus faible (couche claire).

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4. Pendant la période précédant la crise, outre les variations climatiques régulières, l’eau de la mer devient de plus en plus salée, d’où la présence de quelques épisodes évaporitiques vers 6,2 Ma. Ceci peut être du à la fermeture progressive des communications avec l’Atlantique.

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5. Les valeurs du δ18 O varient considérablement. Les variations climatiques ne sont plus seules en cause. La valeur -2 montre que la salinité est très faible. Ceci est du à un apport d’eau douce, donc à une zone littorale. Par ailleurs les fentes de dessiccation montrent une émersion sur les bords du bassin. La valeur +4 montre au contraire une salinité très élevée, donc un milieu marin avec une forte évaporation.

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6. Dans la mesure où la halite se dépose lorsque la densité de la saumure est de 1,2 et les sels de magnésium à des densités encore plus élevées, l’évaporation est très importante et très régulière sans doute sous un climat très chaud. L’épaisseur importante montre que le bassin est constamment réalimenté en eau salée par une ouverture sur l’Atlantique.

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7. Les dépôts détritiques s’effectuent dans un milieu assez profond puis le gypse se met en place lors d’une phase d’évaporation intense et enfin, l’érosion montre que l’évaporation a conduit à une émersion. Ensuite à nouveau une mise en eau permet le retour à la sédimentation détritique et ainsi de suite. Le milieu est assez profond lorsque le climat est humide est que de l’eau douce alimente le bassin. C’est pourquoi ce milieu est saumâtre. Le milieu s’assèche progressivement en conduisant au dépôt de gypse lorsque le climat devient sec et que seul existe un apport d’eau salée. Cette cyclicité des dépôts peut être donc être attribuée à des variations climatiques.

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8. Les valeurs négatives de δ18 O dans les couches de la fin du Messinien indiquent des conditions de faible salinité. Très rapidement et de façon synchrone pour toutes les zones étudiées, le δ

18 O passe à une valeur positive autour de 1 qui caractérise la salinité marine. La remontée du niveau marin a donc été rapide et a concerné d’emblée tout le bassin alimenté de façon importante par l’Atlantique au niveau du détroit de Gibraltar.

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Corrigé du thème 3 : La sédimentation au niveau des marges continentales passives

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1-Etude de la géométrie des corps sédimentaires par sismique réflexion (vue d’ensemble d’un bassin complété d’études de terrains et de forages (biostratigraphie), les réflecteurs sont des limites d’ensemble de couches ou des discordances (surface d’érosion ou de non dépôts) isochrones (même âge) différents ensembles en fuseau = prismes sédimentaires à couches obliques

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2-Variations globales du niveau marin absolu par rapport à un référentiel fixe dues aux alternances glaciaire / interglaciaire. Trois surfaces d’érosion f(baisse du niveau marin en période glaciaire) 3 séquences : A transgressive postglaciaire récente et actuelle ; B et C séquences érodées lors des épisodes régressifs glaciaires

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3-Variations latérales de dépôts isochrones � repérage à une époque donnée de la ligne de rivage Variations verticales � repérage des avancées (transgressions) ou des retraits (régressions) de la mer Ici chacune des séquences est régressive et la succession est progradante

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4- organisation = f(espace disponible) = f(eustatisme, subsidence ou soulèvement, épaisseur sédimentaire)

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5- dans l’ordre de la figure 3 : rétrogradation : augmentation de l’espace disponible, organisation transgressive, empilement des unités successives vers la terre /aggradation : espace disponible constant, empilement des unités à la verticale/ progradation + aggradation / progradation : diminution de l’espace disponible, organisation régressive, empilement des unités successives vers la mer/ progradation + érosion, plus d’espace disponible, émersion (cf. poly de TP)

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6 & 7 superposés de bas en haut: remontée rapide du niveau marin (transgression) IT on lap; haut niveau marin (variation eustatique faible) PHN down lap ; descente rapide du niveau marin (régression) PR down lap ; surface d’érosion ; bas niveau marin (variation eustatique faible) PBN down lap et encore une fois même succession…

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