Karamö, le prof virtuelLeçon 21 sur 22
L'évolution du globe terrestre
Je sais raconter les grandes étapes de l'histoire de la Terre depuis sa formation, utiliser l'échelle des temps géologiques et calculer un âge par radiochronologie.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire la formation de la Terre et sa différenciation en enveloppes
- Expliquer l'évolution de l'atmosphère et des océans, en particulier l'apparition du dioxygène
- Utiliser l'échelle des temps géologiques (ères, grandes crises biologiques)
- Calculer l'âge d'une roche par la méthode de la demi-vie (datation absolue) et situer l'histoire géologique de la Guinée
Avant de commencer : Les leçons sur la structure du globe, la tectonique des plaques et la paléontologie (datation relative, fossiles stratigraphiques).
1Je découvre
Aux abords du mont Nimba, en Guinée forestière, Ousmane accompagne un groupe d'étudiants en géologie venus observer des roches. L'un d'eux lui montre un bloc étonnant : de fines bandes alternées, gris-noir et rouges, empilées comme les pages d'un livre. « C'est une roche à bandes de fer, explique l'étudiant. Des roches comme celle-ci ont commencé à se former il y a plusieurs milliards d'années, quand l'atmosphère de la Terre ne contenait presque pas de dioxygène. »
Ousmane est stupéfait. « Plusieurs milliards d'années ? Et il n'y avait pas d'oxygène dans l'air ? Alors la Terre n'a pas toujours été comme aujourd'hui ! »
Le soir, il repense à tout ce qu'il a appris cette année : les plaques qui bougent, les océans qui s'ouvrent et se ferment, les fossiles qui changent d'une couche à l'autre. Il se demande comment on peut connaître l'âge exact d'une roche, et à quoi ressemblait la Terre à ses débuts.
Comment la Terre s'est-elle formée, comment a-t-elle évolué depuis, et comment peut-on dater ces événements ?
2Je comprends
1. La formation de la Terre
La Terre s'est formée il y a environ 4,56 milliards d'années (on écrit 4,56 Ga, « Ga » signifiant milliard d'années), en même temps que le Soleil et les autres planètes.
- Un nuage de gaz et de poussières (la nébuleuse solaire) s'effondre sur lui-même ; au centre naît le Soleil.
- Autour, les poussières s'agglomèrent en petits corps, puis en corps de plus en plus gros, les planétésimaux, qui se percutent et fusionnent : c'est l'accrétion.
- L'énergie des chocs et la radioactivité chauffent la jeune Terre, qui fond en grande partie : sa surface est un océan de magma.
2. La différenciation en enveloppes
Dans cette Terre en grande partie fondue, les matériaux se séparent selon leur densité : c'est la différenciation.
- Le fer et le nickel, très denses, migrent vers le centre et forment le noyau.
- Les silicates, plus légers, forment le manteau.
- Les matériaux les plus légers, en surface, forment la première croûte.
- Les gaz libérés par le magma (dégazage) forment une atmosphère primitive.
Très tôt, peut-être dès 4,5 Ga, un corps de la taille de Mars percute la Terre : les débris projetés auraient formé la Lune (hypothèse la plus admise aujourd'hui).
3. L'atmosphère et les océans : une longue évolution
L'atmosphère primitive provient du dégazage du manteau (comme les gaz des volcans actuels) et des apports de comètes et de météorites. Elle est composée surtout de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone (CO2) et de diazote (N2), sans dioxygène (O2).
Les océans. En se refroidissant, la vapeur d'eau se condense : des pluies diluviennes forment les premiers océans. Des minéraux très anciens (des zircons d'environ 4,4 Ga, trouvés en Australie) indiquent la présence d'eau liquide à la surface très tôt.
La diminution du CO2. Le CO2 se dissout dans l'eau des océans et précipite sous forme de calcaires ; plus tard, les êtres vivants le fixent par photosynthèse. Une grande partie du CO2 primitif est aujourd'hui stockée dans les roches carbonatées.
L'apparition du dioxygène. Des micro-organismes photosynthétiques, les cyanobactéries, produisent du dioxygène :
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Au début, ce dioxygène ne s'accumule pas dans l'air : il oxyde le fer dissous dans les océans, qui précipite en couches d'oxydes de fer. Ainsi se forment les fers rubanés (roches à bandes de fer), abondants surtout entre 3,8 et 1,8 Ga. Quand le fer dissous est épuisé, le dioxygène s'accumule dans l'atmosphère : c'est la grande oxydation, vers 2,4 Ga. On voit alors apparaître sur les continents des couches rouges (sols et grès oxydés).
Plus tard, le dioxygène forme en altitude la couche d'ozone (O3), qui filtre les rayons ultraviolets du Soleil et rend possible la vie sur la terre ferme.
- 14,56 Ga : formation de la Terre par accrétion, océan de magma
- 2Vers 4,5 Ga : différenciation (noyau, manteau, croûte), formation de la Lune
- 3Vers 4,4 Ga : premiers océans (zircons témoins d'eau liquide)
- 4Vers 3,5 Ga : stromatolites, traces de vie bactérienne
- 53,8 à 1,8 Ga : dépôt des fers rubanés (le dioxygène oxyde le fer des océans)
- 6Vers 2,4 Ga : grande oxydation, le dioxygène s'accumule dans l'atmosphère
- 7Vers 539 Ma : diversification des animaux, début du Paléozoïque
4. L'échelle des temps géologiques
L'histoire de la Terre est découpée en grandes périodes, définies surtout par les changements des êtres vivants (fossiles) et datées grâce à la radiochronologie.
| Ère (éon) | Âge | Quelques événements |
|---|---|---|
| Précambrien | de 4,56 Ga à 539 Ma | formation de la Terre, premiers océans, premières vies unicellulaires, dioxygène, premiers organismes pluricellulaires |
| Paléozoïque (ère primaire) | de 539 à 252 Ma | trilobites, graptolites, premiers poissons, conquête des continents par les plantes et les animaux, forêts du Carbonifère, formation de la Pangée |
| Mésozoïque (ère secondaire) | de 252 à 66 Ma | ammonites, dinosaures, premiers mammifères, premiers oiseaux, dislocation de la Pangée et ouverture de l'Atlantique |
| Cénozoïque (ères tertiaire et quaternaire) | de 66 Ma à aujourd'hui | diversification des mammifères, nummulites, formation de l'Himalaya et des Alpes, glaciations, lignée humaine |
Les limites entre les ères correspondent à de grandes crises biologiques : à la fin du Paléozoïque (vers 252 Ma), la plus grande extinction connue fait disparaître la grande majorité des espèces marines ; à la fin du Mésozoïque (vers 66 Ma), disparaissent notamment les dinosaures (sauf la lignée des oiseaux) et les ammonites, probablement à la suite de la chute d'une grosse météorite et d'un volcanisme intense.
Exemple
Montrer que le Précambrien représente près de 90 % de l'histoire de la Terre.
- Durée du Précambrien : 4 560 Ma − 539 Ma = 4 021 Ma.
- Durée totale : 4 560 Ma.
- Proportion : 4 021 ÷ 4 560 ≈ 0,882, soit environ 88 %.
Conclusion : les ères Paléozoïque, Mésozoïque et Cénozoïque, riches en fossiles, ne représentent qu'environ 12 % de l'histoire de la Terre.
5. Dater une roche : la radiochronologie
La datation relative (leçon « La paléontologie générale ») classe les événements. Pour obtenir un âge en années, on utilise la radiochronologie (datation absolue).
Certains éléments chimiques sont radioactifs : leurs atomes (éléments « pères ») se désintègrent spontanément en d'autres atomes (éléments « fils »). Cette désintégration se fait à un rythme constant, caractérisé par la demi-vie (ou période) T : c'est le temps au bout duquel la moitié des atomes pères présents s'est désintégrée.
Après n demi-vies, il reste une fraction 12n des atomes pères de départ :
N = N02n et t = n × T
| Nombre de demi-vies n | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|---|
| Fraction d'atomes pères restante | 100 % | 50 % | 25 % | 12,5 % | 6,25 % |
Le choix de la méthode dépend de l'âge recherché : le carbone 14 (demi-vie d'environ 5 730 ans) sert pour des restes organiques de moins de 50 000 ans environ ; le potassium 40 (demi-vie d'environ 1,25 milliard d'années) ou l'uranium servent pour les roches très anciennes.
Méthode
Pour calculer un âge avec la demi-vie :
- Je calcule la fraction d'atomes pères restante : N ÷ N0 (ou je la lis dans l'énoncé).
- Je cherche le nombre de demi-vies n tel que N ÷ N0 = 1 ÷ 2^n (1/2, 1/4, 1/8, 1/16…).
- Je calcule l'âge : t = n × T.
- Je vérifie que la méthode est adaptée à l'ordre de grandeur de l'âge trouvé.
Exemple
Un minéral d'un granite contenait au départ une quantité N0 de potassium 40. Il n'en contient plus aujourd'hui que le quart. Calculer l'âge du granite (T = 1,25 Ga).
- Fraction restante : 1/4 = 1/2^2, donc n = 2 demi-vies.
- Âge : t = 2 × 1,25 Ga = 2,5 Ga, soit 2,5 milliards d'années.
Ce granite date du Précambrien.
Exemple
Un morceau de charbon de bois trouvé dans un ancien foyer contient 12,5 % du carbone 14 qu'il contenait à la mort de l'arbre. Calculer son âge (T = 5 730 ans).
- 12,5 % = 1/8 = 1/2^3, donc n = 3.
- t = 3 × 5 730 = 17 190 ans.
6. L'histoire géologique de la Guinée en quelques mots
La Guinée possède des roches parmi les plus anciennes d'Afrique de l'Ouest :
- le socle précambrien (granites, gneiss, roches volcaniques anciennes) couvre une grande partie de la Haute-Guinée et de la Guinée forestière ; dans la région du Nimba et de Simandou, des roches ferrifères litées précambriennes sont à l'origine d'importants gisements de minerai de fer ;
- au Paléozoïque, des sédiments (grès notamment) se sont déposés en couches presque horizontales : ils forment les plateaux tabulaires du Fouta-Djallon ;
- au Mésozoïque, lors de l'ouverture de l'Atlantique, de nombreux filons et sills de dolérite se sont mis en place ;
- enfin, sous le climat tropical humide, l'altération profonde des roches pendant des millions d'années a formé des cuirasses latéritiques et les grands gisements de bauxite (Boké, Kindia, Fria).
3Je retiens
Je retiens
La Terre s'est formée il y a environ 4,56 Ga par accrétion ; elle s'est différenciée en noyau (fer, nickel), manteau et croûte.
L'atmosphère primitive (H2O, CO2, N2, sans O2) vient du dégazage ; la vapeur d'eau condensée forme les océans (vers 4,4 Ga).
Le CO2 est piégé dans les océans et les calcaires ; le dioxygène produit par les cyanobactéries oxyde d'abord le fer (fers rubanés), puis s'accumule dans l'air (grande oxydation vers 2,4 Ga).
Échelle des temps : Précambrien (jusqu'à 539 Ma), Paléozoïque (539-252 Ma), Mésozoïque (252-66 Ma), Cénozoïque (depuis 66 Ma) ; limites marquées par des crises biologiques.
Radiochronologie : après n demi-vies, il reste N0/2^n atomes pères ; âge t = n × T.
4Erreurs fréquentes
- Croire que l'atmosphère a toujours contenu du dioxygène : il n'y en avait presque pas avant 2,4 Ga ; il est d'origine biologique.
- Penser qu'après deux demi-vies il ne reste plus rien : il reste la moitié de la moitié, soit un quart.
- Utiliser le carbone 14 pour dater une roche de plusieurs millions d'années : au-delà d'environ 50 000 ans, il n'en reste presque plus ; il faut une méthode à demi-vie longue.
- Confondre les ordres de grandeur : 1 Ga = 1 000 Ma = 1 000 000 000 d'années.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Qu'est-ce que l'accrétion ? et la différenciation ?
b) Quelle était la composition de l'atmosphère primitive ? D'où venait-elle ?
c) Cite les quatre grandes divisions des temps géologiques avec leurs limites.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) L'accrétion est l'agglomération de poussières et de planétésimaux qui, en se percutant et en fusionnant, ont formé la Terre. La différenciation est la séparation des matériaux selon leur densité : le fer et le nickel au centre (noyau), les silicates autour (manteau), les matériaux les plus légers en surface (croûte).
b) Surtout de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone et du diazote, sans dioxygène. Elle provenait du dégazage du manteau (volcanisme) et des apports de comètes et de météorites.
c) Précambrien (de 4,56 Ga à 539 Ma), Paléozoïque (de 539 à 252 Ma), Mésozoïque (de 252 à 66 Ma), Cénozoïque (de 66 Ma à aujourd'hui).
2Exercice 2
Explique comment les fers rubanés témoignent de l'apparition du dioxygène sur Terre.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Les premiers êtres photosynthétiques (cyanobactéries) ont libéré du dioxygène dans les océans. Ce dioxygène a oxydé le fer dissous dans l'eau ; l'oxyde de fer, insoluble, a précipité au fond et formé des couches riches en fer, alternant avec des couches siliceuses : ce sont les fers rubanés. Leur abondance entre 3,8 et 1,8 Ga montre qu'il y avait déjà production de dioxygène, mais que celui-ci était consommé dans les océans.
3Exercice 3
Un échantillon contient 6,25 % de l'élément père radioactif qu'il contenait au départ. La demi-vie de cet élément est de 700 Ma.
a) Combien de demi-vies se sont écoulées ?
b) Calcule l'âge de l'échantillon.
c) À quelle ère appartient-il ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) 6,25 % = 1/16 = 1/2^4 : 4 demi-vies.
b) t = 4 × 700 Ma = 2 800 Ma = 2,8 Ga.
c) Au Précambrien (plus de 539 Ma).
4Exercice 4
Calcule la durée de l'ère mésozoïque et le pourcentage qu'elle représente dans l'histoire de la Terre (arrondi au dixième).
Voir le corrigéCacher le corrigé
Durée : 252 − 66 = 186 Ma. Pourcentage : 186 ÷ 4 560 × 100 ≈ 4,1 %.
5Exercice 5
(Type BAC) On donne l'évolution approximative de la teneur en dioxygène de l'atmosphère (en % de la teneur actuelle) et quelques observations géologiques.
| Âge | 3,5 Ga | 2,5 Ga | 2,0 Ga | 1,0 Ga | 0,5 Ga | Actuel |
|---|---|---|---|---|---|---|
| O2 (% de l'actuel) | presque 0 | presque 0 | environ 1 | quelques % | proche de 100 | 100 |
Observations : fers rubanés abondants entre 3,8 et 1,8 Ga ; couches rouges continentales à partir de 2 Ga environ ; stromatolites dès 3,5 Ga.
a) Décris l'évolution de la teneur en dioxygène.
b) Quels organismes sont à l'origine de ce dioxygène ? Écris l'équation bilan de la photosynthèse.
c) Explique pourquoi le dioxygène ne s'est pas accumulé tout de suite dans l'atmosphère.
d) Explique la signification des couches rouges continentales.
e) Quelle conséquence l'augmentation du dioxygène a-t-elle eue pour la conquête des continents par les êtres vivants ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) La teneur en dioxygène est presque nulle jusque vers 2,5 Ga, puis augmente vers 2 Ga (environ 1 % de l'actuel), continue d'augmenter lentement jusqu'à quelques % vers 1 Ga, puis atteint une valeur proche de l'actuelle vers 0,5 Ga.
b) Les cyanobactéries (organismes photosynthétiques, constructrices des stromatolites dès 3,5 Ga). Équation : 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2.
c) Le dioxygène produit dans les océans a d'abord été consommé par l'oxydation du fer dissous, qui a précipité sous forme de fers rubanés (entre 3,8 et 1,8 Ga). Ce n'est qu'une fois ce fer épuisé que le dioxygène a pu s'accumuler dans l'atmosphère.
d) Les couches rouges contiennent des oxydes de fer formés à l'air libre, sur les continents : elles prouvent que l'atmosphère contenait du dioxygène à partir de 2 Ga environ.
e) Le dioxygène a permis la formation de la couche d'ozone, qui filtre les rayons ultraviolets dangereux pour les êtres vivants. Protégés, les végétaux puis les animaux ont pu conquérir les continents (au Paléozoïque). De plus, le dioxygène a permis la respiration, source d'énergie importante pour les organismes pluricellulaires.
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