Laboratoire virtuel — géologie TP classiques du lycée Work in progress =)

Cinq paillasses de géologie, et de quoi préparer les vraies

Ce laboratoire virtuel permet de tester rapidement différentes conditions expérimentales, d’explorer les paramètres qui influencent un phénomène et de préparer une séance avant de passer à la manipulation réelle.

L’objectif n’est pas de remplacer l’expérience en classe, mais de la préparer, la compléter ou l’exploiter autrement : tester une autre valeur, comparer plusieurs conditions, anticiper un résultat ou revenir sur une expérience après la séance.

Cette page web propose aussi des outils pour faire le lien entre les programmes et les TPs: retrouver les manipulations associées à un chapitre, identifier le matériel nécéssaire à une expérience et préparer plus facilement une séance de TP. Bonne lecture !.

TP classiques du lycée · d'après la banque d'expériences de Planet-Terre (ENS Lyon) Planet-Terre ↗
Entrée par le programme

Quelle manip pour quel chapitre ?

Géosciences de seconde, cristaux en enseignement scientifique, dynamique interne en première de spécialité, temps et roches en terminale : chaque chapitre donne ce que le programme demande d'y faire, et les manipulations qui s'y rattachent.

Érosion · transport · dépôt

La gouttière hydraulique

Débit, pente, mélange de sédiments, couvert végétal. Les grains sont érodés, transportés ou déposés selon leur taille et la vitesse du courant. Diagramme de Hjulström en direct, tri granulométrique du dépôt, et un mode delta. Le sédiment qu'elle trie vient de la paillasse d'altération.

Altération

Ce que l'eau fait aux roches

Huit roches, cinq milieux, du bloc à la poudre. Perte de masse pesée, effervescence, tests de l'eau de trempage — et le partage entre ce qui part en solution et ce qui reste sur place et deviendra du sable.

Magmatisme

Cristallisation & texture

Du pluton refroidi en un million d'années à la trempe dans l'eau. La vitesse de refroidissement fixe la taille des cristaux, donc la texture — et la texture plus la teneur en silice donnent le nom de la roche.

Volcanisme

Viscosité & style éruptif

Silice, température, eau dissoute : la viscosité varie sur dix ordres de grandeur. Vitesse d'écoulement sur une pente, et le style éruptif qui en découle, de la fontaine de lave à la nuée ardente.

Faits, pas modèle

Identifier une roche

Seize échantillons, six tests : loupe, acide chlorhydrique, dureté, densité, minéraux visibles, réaction à la lumière. Mode « roche mystère » avec le moins de tests possible, et classement magmatique / sédimentaire / métamorphique.

Pour la classe

Comment s'en servir

En démonstration au vidéoprojecteur pour formuler une hypothèse, en autonomie sur tablette avant le TP réel, ou en remédiation après. Les valeurs trouvées par l'élève — masse exportée, taille des cristaux, viscosité, perte à l'altération, identifications réussies — sont relevées automatiquement et s'impriment en fiche de résultats à son nom.

Le catalogue des TP de géologie

Les manipulations classiques du lycée. Celles qui portent un bouton coloré se simulent ici ; toutes ont une fiche de matériel.

Les manips, programme par programme

Choisissez un niveau : les chapitres de géosciences apparaissent avec ce que le programme demande d'y faire, et sous chacun les manipulations qui s'y rattachent — à simuler ici ou à sortir en liste de matériel. Un chapitre entier peut partir d'un coup dans le panier.

Lycée — 2de, enseignement scientifique, spécialité SVT
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Les intitulés et les capacités viennent du Bulletin officiel : seconde et spécialité SVT (2019), enseignement scientifique de première (22 juin 2023). Les passages entre guillemets sont cités du texte ; là où je ne cite pas, je le signale.

Les deux niveaux de spécialité suivent votre programmation : vos chapitres, vos activités numérotées et leur type. Les autres niveaux suivent l'ordre du Bulletin officiel.

Ce qui reste un choix, c'est le rattachement de chaque manipulation à une activité, et la mention « au-delà du programme » quand elle dépasse l'attendu.

Gouttière hydraulique — érosion, transport, dépôt

On verse un mélange de sédiments en haut de la gouttière et on ouvre l'eau. Selon la vitesse du courant, chaque classe de grains est arrachée, emportée, ou abandonnée sur le fond. Le dépôt se trie tout seul : les gros d'abord, les fins plus loin.

TP « transport et dépôt » · « formation d'un delta » · « érosion »
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Valeurs simulées, non mesurées. La vitesse de chute d'un grain vient de la loi de Stokes, corrigée pour les gros grains ; le seuil d'arrachement suit un ajustement de la courbe de Hjulström. Les deux lois sont celles des manuels, mais les constantes ont été choisies pour que les ordres de grandeur soient justes.

Les nombres affichés ne sont pas des mesures : ils disent le sens et l'ordre de grandeur des variations, pas le résultat d'une vraie gouttière.

Réglages

Ce que fait chaque classe de grains

La gouttière

Courant
45
cm/s
Transporté
0
% de la masse
Déposé
0
% de la masse
Sorti du bac
0
% de la masse
Le modèle

Diagramme de Hjulström

Pour chaque taille de grain, deux seuils : au-dessus de la courbe rouge le grain est arraché du fond, en dessous de la courbe bleue il se dépose. Entre les deux, il continue son voyage. Le trait horizontal marque le courant réglé, et les pastilles les classes présentes dans le mélange.

Le minimum de la courbe d'arrachement vers 0,2–0,3 mm est le point le plus contre-intuitif du diagramme : les argiles sont plus difficiles à arracher que les sables fins, parce qu'elles sont cohésives. Une fois en suspension, elles ne se redéposent presque jamais.

Questions d'exploitation

Altération — ce que l'eau fait aux roches

On pèse un échantillon, on l'immerge, on attend, on rince, on sèche et on repèse. La perte de masse mesure l'altération. Selon la roche et selon l'eau, elle va de rien du tout à la disparition complète — et ce qui part en solution n'est pas ce qui reste sur place.

TP « altération d'une roche » · érosion, processus et conséquences
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Valeurs simulées, non mesurées — et calées sur la paillasse, pas sur la nature. La vitesse de dissolution suit une cinétique du premier ordre dont la constante dépend du pH, calée sur deux repères de laboratoire : un calcaire qui perd environ 7 % de sa masse en une heure dans du vinaigre, et qui ne perd presque rien dans de l'eau de pluie.

Dans la nature, l'eau se renouvelle lentement et se sature : les vitesses réelles sont bien plus faibles que celles d'un bécher agité. Le panneau « à l'échelle géologique », plus bas, donne des ordres de grandeur mesurés sur le terrain — ceux-là ne sortent pas d'un calcul de ce module.

Le dispositif

Test de l'eau de trempage

Ce que le programme appelle « identifier par des tests chimiques les éléments solubles issus de l'altération ».

L'échantillon

Masse restante
100,0
% de la masse initiale
Perte
0,0
% en masse
Durée écoulée
0
h
pH du milieu
7,0
unité pH

Perte de masse au cours du temps

Échelle logarithmique des durées : de l'heure à l'année. Le point marque le réglage actuel.

Ce qui part, ce qui reste

C'est le partage qui fait le paysage : ce qui part en solution alimente les rivières, ce qui reste sur place devient le sol, puis le sédiment.

À l'échelle géologique

Ces chiffres-là sont des mesures de terrain relevées dans la littérature, pas des résultats de ce module.

Questions d'exploitation

Cristallisation — la vitesse de refroidissement fait la texture

En classe on le montre au sulfate de cuivre ou à l'alun : une solution refroidie lentement donne de gros cristaux, refroidie brutalement de la poudre. Un magma fait exactement pareil. Ici on choisit où il refroidit, et la lame mince correspondante s'affiche — une vraie, photographiée au microscope polarisant.

TP « cristallisation » · texture des roches magmatiques Planche des minéraux (PDF) ↗
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Valeurs simulées, non mesurées. La taille des cristaux suit d = 0,37 × R−0,28 (R = vitesse de refroidissement en °C/h). L'exposant, proche de −1/3, est de l'ordre de grandeur admis ; la constante a été ajustée sur deux repères : un pluton granitique (cristaux centimétriques) et une coulée basaltique (microlites de quelques centièmes de mm).

Les lames minces sont des photographies, prises à la lithothèque de l'ENS de Lyon : rien n'est dessiné. Chacune illustre la case du tableau où tombe le réglage — une roche réelle de cette texture et de cette chimie —, et non l'échantillon qu'aurait donné la vitesse affichée au centième de degré près. Deux cases restent vides, faute de lame : on le dit plutôt que d'y mettre une autre roche.

Où le magma refroidit-il ?

Taille des cristaux et vitesse de refroidissement

Deux échelles logarithmiques : six ordres de grandeur sur la vitesse de refroidissement, quatre sur la taille des cristaux.

Le point ne se déplace qu'avec la situation. Changer la teneur en silice ne le bouge pas, et c'est voulu : la vitesse de refroidissement fait la texture, la chimie fait le nom. C'est tout le sens du tableau à double entrée — on descend d'une ligne en refroidissant plus vite, on change de colonne en changeant de magma. (Dans la réalité un magma felsique, plus visqueux, cristallise un peu plus difficilement : cette loi-ci ne le dit pas.)

La lame mince au microscope polarisant

Refroidissement
—
°C par heure
Cristaux
—
mm
Texture
—
observée
Roche
—
nommée

Le tableau à double entrée

Texture en ligne, chimie en colonne : c'est ainsi qu'on nomme une roche magmatique. La case allumée est celle du réglage actuel.

Questions d'exploitation

Viscosité des magmas et style éruptif

En classe on compare l'eau, l'huile, le miel et le sirop sur un plan incliné. Un magma couvre un domaine bien plus large : entre une lave basaltique à 1200 °C et une rhyolite à 800 °C, la viscosité varie d'un facteur dix millions. C'est ce qui décide si le volcan coule ou s'il explose.

TP « viscosité des magmas » · « modélisation d'une éruption »
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Valeurs simulées, non mesurées. La viscosité vient de log η = 2 + 0,15 (SiO₂ − 50) + 0,011 (1200 − T) − 0,6 H₂O, une forme simplifiée des lois d'Arrhenius, calée sur deux repères réels : basalte à 1200 °C (≈ 100 Pa·s) et rhyolite sèche à 850 °C (≈ 10⁹ Pa·s). La vitesse d'écoulement vient de l'écoulement d'un fluide visqueux sur un plan incliné.

À gauche du curseur, le modèle ; à droite, une photographie. Le volcan dessiné n'est qu'un schéma — la pente, le cratère et le panache suivent les réglages, le reste est décor. La photographie, elle, montre le dynamisme le plus proche de ce que calcule le module parmi huit échelons : c'est un voisin, pas un résultat.

Les ordres de grandeur sont justes et les variations ont le bon sens. Les nombres ne sont pas des mesures, et un magma réel contient des cristaux et des bulles qui changent tout. La vitesse est celle d'une coulée idéale d'un mètre d'épaisseur, sans croûte figée en surface : elle majore beaucoup la réalité.

Le magma

Viscosité et température

Échelle logarithmique : chaque graduation vaut un facteur dix.

L'écoulement

Viscosité
—
Pa·s
Vitesse
—
m/s
Parcours en 1 h
—
m
Style
—
éruptif
Le modèle

Ce que l'on observerait sur le terrain

Questions d'exploitation

Paillasse — identifier une roche

Vingt-trois échantillons et six tests. On choisit une roche, on lui fait subir les tests que l'on veut, et on conclut. En mode « roche mystère », l'échantillon est caché : il faut le reconnaître avec le moins de tests possible, comme devant une caisse d'échantillons.

TP « reconnaissance et classification des roches » · « identification des minéraux » Planche des minéraux (PDF) ↗

Mode

Les tests

L'échantillon

Clé de détermination

L'ordre dans lequel un géologue enchaîne les tests devant une roche inconnue.

Au microscope : la planche des minéraux. Olivine, pyroxènes, amphiboles, micas, feldspaths et quartz — ce qu'on voit de chacun sans analyseur puis entre nicols croisés, et ce qui permet de les distinguer. Ouvrir la planche (PDF) ↗

La collection

Les seize échantillons et leurs propriétés. À replier avant de lancer une roche mystère…

Préparer une manip

Chaque expérience donne sa liste de matériel pour le nombre de postes voulu. Le panier réunit plusieurs manipulations en une seule liste de courses, le matériel partagé compté une fois. Dans l'autre sens, cochez ce que contient votre placard : le laboratoire dit ce que vous pouvez faire.

Pour le professeur
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Quantités estimées, protocoles condensés. Les fiches sont des versions courtes et standard des protocoles, pas les modes opératoires d'un fournisseur. Les quantités sont des ordres de grandeur pour un poste d'élèves.

À confronter à vos habitudes et aux règles de sécurité de votre établissement avant une séance, en particulier pour l'acide chlorhydrique et la découpe des roches.

Les manipulations