TP 3 - La terre, machine thermique ....et autres petites expériences de géologie

Le mouvement uniforme d'enroulement du fil symbolise le déplacement des plaques par entrâinement du manteau asthénosphèrique par exemple. La contrainte, accumulée dans la roche, est ici symbolisée par la tension du ressort. C'est donc le ressort qui accumule l'énergie cinétique et la restitue lors du mouvement brusque de la planchette surmontée de sa masse.

* dur et mou : la dureté est la résistance d'un matériau à la destruction mécanique de sa structure (usure): dans l'échelle de Mohs on utilise 10 minéraux tests; un minéral étant plus dur qu'un autre s'il raye ce dernier: 10:diamant, 9:corindon, 8:topaze, 7:quartz,(le verre se place ici), 6:orthose (la lame métallique d'un couteau se place ici), 5:apatite, 4:fluorine, 3:calcite (l'ongle se place ici), 2:gypse,1:talc. La dureté s'applique donc à une solide. La mollesse ne correspond pas à une notion physique précise. On utilise les termes de souple, élastique ou ductile (voir plus bas). La dureté est une grandeur "positive", elle n'a pas d'opposé au sens courant. En physique l'opposé de "dur" (forte résistance) n'est pas "mou" mais "peu dur" (faible résistance). Si l'on veut mesurer le degré de non résistance il faut plutôt parler d'incohérence ou de faible cohésion:
* cohérence, incohérence: la cohérence fait référence soit à l'imbrication de divers élements dans un ensemble soit à l'unité et à l'harmonie d'un ensemble, l'incohérence étant la séparation ou l'inharmonie de ces éléments. On utilise ce terme à l'échelle d'une roche (le sable est une roche peu cohérente sauf s'il est induré, l'argile est très cohérente ainsi que le calcaire) ou d'une couche (en tectonique notamment). A l'échelle d'un corps il est de loin préférable de parler de cohésion qui désigne la réunion d'éléments (notamment les forces de cohésion qui décrivent les interactions entre atomes au sein d'un corps). Lorsque l'on passe d'un solide à un liquide ou à un gaz, les forces de cohésion sont modifiées.
* solide, liquide, gazeux: font référence à des états de la matière. Un même corps peut se trouver selon différents états suivant les conditions de pression et de température. L'eau sur terre se touve notamment à l'état de glace (solide), d'eau liquide ou de gaz (vapeur d'eau). Selon les états la cohésion du corps change.
* souple et rigide : la souplesse fait référence à la facilité à plier une structure et s'oppose à la rigidité qui désigne la résistance à la pliure. On utilise ce terme à l'échelle de la roche, en laboratoire (et à l'air libre) c'est à dire dans des conditions de température et de pression de la surface: une argile humide est souple alors qu'un calcaire est rigide. Mais DANS LA NATURE et en place, les roches sont soumises à des pressions et des températures tout à fait différentes et on parle alors plutôt de comportement ductile et cassant:
* ductile et cassant: un matériau ductile peut être étiré sans se rompre, c'est la ductilité; à l'opposé, un matériau cassant se rompt losqu'on l'étire, c'est la fragilité. Ces termes font référence aux mécanismes élémentaires de la déformation (à l'échelle des composants de la roche: atomes, minéraux). Il faut vraiment les employer dans le contexte géologique quand on analyse la déformation d'un matériau en place ou en laboratoire.
* plastique et élastique: la plasticité désigne la capacité d'un matériau à se déformer sous l'effet d'une contrainte et à conserver sa déformation une fois la contrainte supprimée. L'élasticité désigne la capacité d'un matériau déformé à retrouver sa forme initiale et s'oppose en cela à la plasticité. Une roche plastique n'est pas élastique car la déformation est permanente. Ces deux termes très généraux désignent un comportement de matériau (qui peut être observé à différentes échelles) et non des mécanismes précis de déformation. Un matériau plastique peut être déformé par déformation ductile ou cassante. Il ne faut pas dire que plastique s'oppose à cassant ou que plastique est synonyme de ductile. En fait tout matériau, à une température et une pression suffisamment élevées est déformable, plastiquement ou élastiquement. Je renvoie aux définitions du cours ci-dessus qui me semblent être suffisantes pour fixer le vocabulaire (paragraphe: qu'est-ce qui cause un séisme ?). Pour un liquide le comportement rhéologique est mesuré par la viscosité et il n'y a pas de domaine élastique (toute contrainte, même faible, provoque une déformation permanente). On a cependant un "seuil d'élasticité" qui correspond à une vitesse de déformation telle qu'il y a rupture de la cohésion du liquide.

La pâte à modeler ETAIT un matériau élastique à froid et plastique à chaud (une fois malaxée). Maintenant avec les nouveaux produits alimentaires non toxiques, elle est devenur plastique et fragile (elle se casse, même à chaud); il est quasiment nécessaire de lui adjoindre de l'eau pour qu'elle ait un comportement ductile.
Les pâtes alimentaires de types spaghetti, précuites, à froid sont peu élastiques et peu plastiques car leur comportement est fragile (aussi bien lorsqu'elles sont étirées que courbées). A chaud, au-dessus de la flamme d'une bougie, leur comportement plastique est nettement augmenté et on peut les étirer ou les courber sans les casser: les spaghetti à chaud sont donc un matériau ductile. Replacé à température ordinaire, leur fragilité augmente. Recuites dans de l'eau chaude, elles ont un comportement élastique et leur ductilité augmente.

Lorsque le bécher d'eau est chauffé par le haut, la température du fond du bécher n'augmente que très peu en 10 min (elle passe de 11,7 à 15,5 °C en 600s) alors que la température de l'eau de surface augmente régulièrement pour atteindre près de 86 °C en 10 min.
Lorsque le bécher d'eau est chauffé par le bas, les températures de fond et de surface s'homogénéisent et augmentent régulièrement de 20,1°C à près de 60°C en 10 min.
On peut donc dire, que dans un bécher d'eau chauffé par le haut, les eaux froides et chaudes ne se mélangent pas: l'eau chaude reste en surface et l'eau froide reste au fond. Alors que dans un bécher d'eau chauffé par le bas, les eaux se mélangent par des mouvements de convection qui déplacent l'eau plus chaude vers le haut et l'eau plus froide vers le bas.
En dernier ressort, le moteur de ces mouvements est la gravité qui attire vers le bas les eaux froides, les plus denses. Ces dernières poussant les eaux chaudes, les moins denses, vers le haut.