Introduction aux sciences de la Terre - Cours et TP - Automne 2024

Introduction aux sciences de la Terre Semestre d’automne 2024 François Bussy [email protected] Thierry Adatte [email protected] Institut des sciences de la terre (ISTE)...

Introduction aux sciences de la Terre Semestre d’automne 2024 François Bussy [email protected] Thierry Adatte [email protected] Institut des sciences de la terre (ISTE) 1 20 juillet 1969  Organisation Cours Horaire: lundi de 10h15 à 12h00 et jeudi de 9h00 à 9h45 Lieu: Amphipôle D et Amphimax 351 Enseignants: Profs. T. Adatte et F. Bussy, ISTE Evaluation: examen écrit de 2 heures portant sur le cours, 2/3 de la note finale Docs de cours: sur moodle Questions: forum sur moodle Travaux pratiques Horaire: jeudi de 14h15 à 17h00 Lieu: Amphipôle, salles 315, 315.1, 319, 321, 210 Enseignants: Prof. S. Pilet (responsable) et assistants diplômés ou assistants- étudiants Fonctionnement: en groupes avec assistants dédiés Evaluation: selon indications données en présentiel, 1/3 de la note finale 2 Informations générales – TP du jeudi 26 septembre 2024 Introduction aux sciences de la Terre - Travaux pratiques - Sébastien Pilet  En pratique Les TP se déroulent les jeudis de 14h15 à 17h Le travail sera effectué par groupe de 6-8 étudiants répartis sur 5 salles Le programme de ces TP est le suivant: Les Travaux Pratiques ne commencent que le 26 septembre Semaine: Date TP # Titre 1 19. septembre 2024 Pas de TP - Formation des groupes - 2 26. septembre 2024 1 Les minéraux 3 3. octobre 2024 2 Les roches 4 10. octobre 2024 3 Failles actives et séismes 5 17. octobre 2024 4 Introduction à la tectonique des plaques 6 24. octobre 2024 5 Roches plutoniques 7 31. octobre 2024 6 Roches volcaniques 8 7. novembre 2024 Semaine inter semestriel 9 14. novembre 2024 7 Les roches métamorphiques 10 21. novembre 2024 8 Principes de cartographie 11 28. novembre 2024 9 Principes de stratigraphie 12 5. décembre 2024 10 Roches sédimentaires et leurs paléo-environnements 13 12. décembre 2024 11 Introduction à la paléontologie 14 19. décembre 2024 12 Géologie de la Suisse  Formation des groupes Vous trouverez sur la page Moodle du cours un fichier Excel (TP_Sciences_de_la_Terre–Groupe.xlsx) qui vous indiquera le groupe avec lequel vous effectuerez ces travaux pratiques. Pour les étudiants qui ne figurent pas encore sur cette liste (notamment ceux qui ne sont pas directement rattachés à la Faculté des Géosciences et de l’Environnement), merci de contacter le Prof. Sébastien Pilet par e-mail à l'adresse suivante : [email protected] , ou de vous rendre en salle 315.1 à partir de 13h30 le jeudi 26 septembre pour une inscription directe. 5 Introduction au sciences de la Terre - TP  Introduction jeudi 26 septembre – 14h15 salle 315 pour l’ensemble des étudiants (Exceptionnellement) 6 Introduction aux sciences de la Terre - TP  Références générales Understanding Earth 5th edition, 2007. Grotzinger, Jordan, Press & Siever. Freeman and company, New York. env. 100 Fr. Pédagogique et richement illustré Questions et réponses 7ème édition parue en 2014 (pdf disponible) 8ème édition parue en 2020 7  Références générales GEOLOGIE Objets, méthodes et modèles Dercourt, Paquet, Thomas, Langlois,12e édition 2006, Dunod Prix: 70 Euros En français! Approche méthodique Questions et réponses Un peu austère dans les illustrations Niveau plus élevé que Grotzinger 8  Références générales Comprendre et enseigner La planète Terre Caron, Gauthier, Lardeaux, Schaaf, 2004, Ophrys D’occasion chez Amazon.fr En français! Exercices avec réponses Un peu austère dans les illustrations Niveau plus élevé que Grotzinger 9  Références générales – sites internet http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/intro.pt/planete_te rre.html (n’est plus mis à jour depuis 2010) Excellent site, bons dessins, mais quelques erreurs grossières 10  Programme du cours Automne 2024 1. intro générale et cosmologie (FB) 19 sept (1h): 2. 23 sept: structure interne de la Terre (FB) 26 sept: pas de cours 3. 30sept/3oct: minéralogie (FB) 4. 7+10 oct: tectonique des plaques (FB) 5. 14+17 oct: magmatisme (FB) 6. 21+24 oct: orogenèses (FB) 7. 28+31 oct: ressources naturelles (FB) 8. 4+7 nov: semaine intrasemestrielle, pas de cours 9. 11+14 nov: sédimentologie, stratigraphie (TA) 10. 18+21 nov: géomorphologie (TA) 11. 25+28 nov: géochimie environnementale (TA) 12. 2+5 déc: histoire de la Terre et de la vie (TA) 13. 9+12 déc: Anthropocène (TA) 14. 16+19 déc: géologie de la Suisse (TA) 11 Cours n°1 – formation de la Terre I. Formation de l’univers, nucléosynthèse II. Formation du système solaire Constellation de Cassiopée, 12 nébuleuse de l’Aigle (Nasa)  Mes références principales du cours 1 Dercourt et al. (2006): GEOLOGIE Objets, méthodes et modèles. Dunod. Brahic et al. (1999): Sciences de la Terre et de l’Univers. Vuibert. https://www.nasa.gov/ 13 Naissance de l’Univers Milieu très chaud (10**32 K) concentré en un point (aucun atome ni particule stables) Il y a 13,7 Milliards d’années (Ga) -> Big Bang -> formation des premiers atomes -> 4 forces physiques Nucléosynthèse primordiale (1s -> 1 Million d’années) formation des premiers atomes (H, He, traces : Be, traces: Li) -> avec force électromagnétique Évolution de la composition de l’Univers Par fusion nucléaire dans le cœur des étoiles jusque Fe ○ consommation d’H puis 4xH -> He, puis C, avec une augmentation de T jusqu’au milliard de degrés ○ Structure en couche (plus lourd au centre, plus légé en périphérie) Par absorption des neutrons lents (Fe à Bi) puis rapides (Po à U) : ○ Arrivé au Fe, le cœur est si dense -> Super Nova -> électrons et protons fusionnent -> forment des neutrons -> éléments plus élevés -> dispersion des éléments dans l’Univers Par absorption des neutrons rapides (Po à U) : ○ Capture de neutrons en n de vie d’une étoile, pour une Supernova La Terre s’est formée par condensation et accrétion de matière au sein du disque périsolaire La Lune s’est formée suite à un impact précoce entre la Terre et Théia, un corps de la taille de Mars Soleil : Synthèse uniquement de l’He -> 5 milliards d’année: géante rouge avec ‘absorption de Venus, la Terre. Mais le Soleil a hérité des 90 autres éléments par recyclage (issue d’étoiles), il ne les produit pas ! => chaque étoiles qui se forme va tôt ou tard se disperser ! Chaque atome plus lourd que l’He provient donc d’une étoile « Morte ». Cycle de la matière => Rien ne se crée, tout se transforme Formation des planètes : Combinaison de la rotation autour de l’étoile (Soleil) avec la force de gravité et la force centrifuge résulte en un disque et l’agglomération de matière en certains points. Le disque n’est pas uniforme, les éléments lourds et réfractaires restent proche du Soleil, les éléments légers et volatiles loin du Soleil. (40) La matière primaire pré-accrétion est préservée dans les météorites (chondrites) Planètes rocheuses (telluriques) et gazeuses (s.45-46) Mercure - Venus - Terre - Mars - Jupiter - Saturne - Uranus - Neptune fi Bang! 14  Naissance de l’univers À l’origine, on imagine un milieu très chaud (> 1032K) et très dense, concentré en un point! L’état antérieur de l’univers est hors de portée de l’observation directe, donc inconnu… Aucun atome ni particule n’est stable au temps T = 0 Explosion originelle ou BIG BANG il y a 13.7 milliards d’années Succession rapide d’événements Apparition des premières particules Formation des premiers atomes 4 forces physiques entrent en jeu dès cet instant, dont la force gravitationnelle forces electromagnétiques - cohésion des atomes 15  Les constituants de la matière Dans ce cours, nous considérerons que l’unité élémentaire de matière est l’atome Dans la réalité de la mécanique quantique, les choses sont infiniment plus complexes, l’atome mettant en jeu diverses particules plus élémentaires, tels les leptons, quarks, bosons… Définition: l’atome est constitué d’un noyau, association de protons et de neutrons, autour duquel orbitent des électrons Les atomes peuvent être considérés comme des sphères (en bleu ci-contre) dans la plupart Proton des applications minéralogiques Neutron électron 16  Identité et nomenclature des atomes (cuivre, oxygène, chlore?...) Une espèce atomique ou élément chimique est identifiée par le nombre de ses protons ou numéro atomique Z, et symbolisé par une ou deux lettres (p.ex. Cu pour le cuivre). Il existe 92 éléments chimiques naturels sur Terre et 25 autres de synthèse. Dans le schéma ci-contre, il y a 7 électrons rouges, il doit donc y avoir 7 protons, soit les particules orange. Les 6 particules vertes sont forcément des neutrons L’espèce de numéro atomique 7 est l’azote ou N Atome d’azote (N) avec 7 le nombre de protons+neutrons est la masse atomique protons, 7 électrons et 6 A, soit 13 pour l’azote ci-contre neutrons Symbolisme adopté, où X est le symbole chimique de l’élément: le nbr de neutron. peut varier ↳ (14 (15 (12 , , ,... Es isotopes Donc pour l’azote: 137N 17  Isotopes Le nombre de neutrons n’étant pas contraint dans un atome, il peut varier pour un élément chimique donné datation (14 (radioactif) quantité de e 214 restant dans l'objet. A gauche tous ces atomes sont de l’hélium (2 protons), mais ils contiennent 3, 4, 5 ou 6 neutrons et ont donc une masse atomique A de 5, 6, 7 ou 8. Ce sont différentes variétés ou isotopes de l’hélium. A droite, les noyaux de 2 isotopes du carbone (Z=6) 18 la respiration "trie l'oxygène fractionnement isotopiques : exemple de qui.  Isotopes stables et radioactifs Tous les éléments chimiques ont plusieurs isotopes De nombreux isotopes sont instables et sont dits radioactifs, ils se décomposent spontanément, plus ou moins vite, en modifiant leur nombre de proton et/ou de neutrons Z=88 Z=86 (tpenucleaire1s1.free.fr/Nouveau%20dossier/autre%20cadre%20%28notions%20fondamentales%29.htm) Si leur nombre de protons Z change, ces isotopes vont changer d’identité 19 !! Uranium s Plomb  Le tableau périodique des éléments Les 117 éléments chimiques naturels et artificiels sont représentés dans le tableau périodique des éléments de Mendeleïev (www.ptable.com/; www.webelements.com) 20 Bang! 21  Les premiers instants de l’Univers