DST SCS1 (V1) Exercice 1. QCM. Pour chacune des

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DST SCS1 (V1) Calculatrice autorisée

Exercice 1. QCM. Pour chacune des propositions, entourer l’unique bonne réponse. 2 points. 5 minutes.

A. Sur Terre, l’atmosphère actuelle est composée de : a. 21 % de diazote et 78 % de dioxygène b. 78 % de diazote et 21 % de dioxygène c. 85 % d’eau, 13 % de dioxyde de carbone et 2 % de diazote d. 20 % d’eau, 20 % de dioxyde de carbone et 60 % de diazote

B. Le dioxygène s’est accumulé dans l’atmosphère à partir de : a. 3 milliards d’années c. 2,4 milliards d’années b. 2 milliards d’années d. 500 millions d’années

C. L’ozone est formé par l’action des UV à partir : a. d’une molécule de dioxyde de carbone b. de diazote et de dioxygène c. d’un atome d’oxygène et d’une molécule de dioxygène d. de trois molécules d’eau

D. La couche d’ozone stratosphérique est située : a. entre 0 et 10 km d’altitude c. entre 20 et 40 km d’altitude b. entre 10 et 20 km d’altitude d. au-dessus de 50 km d’altitude

Exercice 2. Le cycle de l’oxygène. 3 points. 5 minutes.

Préciser si les processus suivants sont une source ou un puits de dioxygène (mettre uniquement une croix dans les cases).

Source Puits Photosynthèse Combustion Formation des fers rubanés Cyanobactéries des stromatolithes Décomposition de la matière organique Formation des sols rouges continentaux

Exercice 3. Réservoirs et flux de carbone. 2,5 points. 5 minutes. D’après Enseignement scientifique Magnard 2020.

Remplacer les lettres par les bons termes (à faire directement sur le schéma du cycle du carbone). 1. Respiration 2. Altération 3. Lithosphère 4. Dégazage 5. Dissolution 6. Biosphère 7. Photosynthèse 8. Hydrosphère 9. Sédimentation 10. Atmosphère


Exercice 4. Diagramme pression température des états de l’eau. 2,5 points. 5 minutes. D’après Enseignement scientifique Hachette Education 2020, modifié.

Document 1. Diagramme pression température des états de l’eau.

Document 2. Caractéristiques de différents objets du système solaire.

Astre Température (°C) Pression atmosphérique (bar) Vénus 477 90 Lune -173 à 127 0 Europe - 148 Environ 0

Placer les corps dans le graphique pour déterminer sur quel(s) corps l’eau est susceptible d’exister

à l’état liquide. Exercice 5. L’Himalaya et cycle du carbone. 10 points. 30 minutes. D’après Enseignement scientifique Belin 2020.

Les roches constituant les chaînes de montagnes sont majoritairement constituées de minéraux appelés silicates (par exemple l’anorthite et la kaolinite). Ces roches sont progressivement érodées notamment par l’eau, c’est-à-dire que leurs minéraux subissent des réactions d’altération au contact de l’eau et de l’atmosphère, puis les minéraux ayant réagi ou non terminent leur course dans l’océan, entraînés par les cours d’eau (transport puis sédimentation).

Un sommet de l’Himalaya à 8611 m.


Document 1. Carte des bassins sédimentaires associés à la chaîne de l’Himalaya. On estime qu’environ 200 000 kilomètres cubes (soit 2.1014 m3) de roches (masse volumique de

3t.m-3) de la chaîne himalayenne ont été altérés depuis sa formation il y a environ 10 millions d’années (Ma). Le calcium libéré représente environ 1,4 % de la masse totale de roches.

Document 2. Une réaction d’altération d’un silicate fréquent dans les roches de montagnes : l’anorthite.

L’anorthite réagit spontanément avec l’eau et le dioxyde de carbone atmosphérique :

(1)

La kaolinite a tendance à se déposer dans le fond de l’eau lorsqu’il y a peu d’agitation tandis que Ca2+ et HCO3

- restent en solution dans l’eau. Lorsque l’eau des fleuves arrive en mer, la réaction suivante se produit :

(2) Le carbonate de calcium, principal composant du calcaire, se dépose au fond des océans.

Questions.

1. Ecrire le bilan de la réaction (1) + (2). 1 point 2. Expliquer quel est l’impact de ces réactions sur le cycle du carbone atmosphérique. 2 points 3. Discuter de la relation entre l’épaisseur des sédiments et la distance à la chaîne de l’Himalaya. 1

point 4. Sachant que 1 kg de calcium permet la fixation de 1,1 kg de CO2, calculer la masse de dioxyde de

carbone fixée depuis la formation de l’Himalaya. Les calculs doivent être développés. Toute trace de recherche est valorisable à condition qu’elle soit clairement explicitée. 2 points

On rappelle que la masse volumique est le rapport de la masse sur le volume. 5. Comparer, par un calcul, la valeur obtenue avec celle du réservoir atmosphérique actuel de

dioxyde de carbone, soit 2 750.109 tonnes de CO2. 2 points 6. Justifier l’expression suivante utilisée par les scientifiques : « L’Himalaya est une pompe à CO2. »

1 point 7. Discuter alors de l’équilibre du cycle du carbone à l’échelle de millions d’années si l’on ne prend

en compte que l’érosion des chaînes de montagnes. Quel(s) processus de même échelle de temps pourraient inverser la tendance. 1 point


DST SCS1 (V2) Calculatrice autorisée

Exercice 1. Réponse courte à partir de documents. 2 points. 5 minutes. D’après Enseignement scientifique Belin 2020.

Ces vues d’artiste représentent la Terre primitive à deux âges différents. En vous aidant des indices visibles sur ces images, dater approximativement les époques représentées. Exercice 2. Les galets de pyrite du Witwatersrand (Afrique du Sud). 3 points. 5 minutes. D’après Enseignement scientifique Belin 2020.

En Afrique du Sud, dans la région du Witwatersrand, on trouve des roches datant de 2,9 milliards d’années (2,9 Ga) contenant des galets de pyrite (FeS2) non altérés et parfaitement arrondis. Ces échantillons doivent être récoltés en profondeur, car la pyrite s’oxyde rapidement au contact du dioxygène atmosphérique. Au moment de sa formation, la pyrite est un minéral très anguleux. La forme arrondie des galets suggère qu’ils ont été transportés et érodés dans un flux d’eau s’écoulant rapidement. Aujourd’hui, ce type d’eaux « rapides » est très oxygéné.

Document 1. Echantillon rocheux contenant des galets de pyrite.

Document 2. Cristaux de pyrite non érodés.

Montrer que des galets de pyrite non altérés et arrondis ne pourraient pas se former sur la Terre actuelle puis proposez une ou des hypothèses pour expliquer leur formation il y a 2,9 milliards d’années.

Indiquer sur quel principe repose cette déduction. Exercice 3. Le cycle de l’oxygène. 2 points. 5 minutes.

Préciser si les processus suivants sont une source ou un puits de dioxygène (mettre uniquement une croix dans les cases).

Source Puits Combustion Formation des fers rubanés Cyanobactéries des stromatolithes Décomposition de la matière organique


Exercice 4. Les dépôts de bassin de Graissessac (Hérault, France). 3 points. 10 minutes. D’après Enseignement scientifique Le Livre Scolaire 2020.

Le village de Graissessac, dans l’Hérault, est connu pour avoir été une zone d’exploitation intensive du charbon, du XVIIIe jusqu’au milieu du XXe siècle. L’affleurement ci-contre appartient à une unité géologique continentale de 500 à 1 000 mètres de dépôts. Il est constitué de roches sédimentaires et de plusieurs filons noirs contenant du charbon. Ce charbon est daté entre -300 et -295 millions d’années (Ma). Huit filons de charbon épais de 1 à 8 m se trouvent dans cette structure.

Photographie de l’affleurement des filons de charbon. Vu depuis le village de Graissessac, l’affleurement est situé à environ 300 m de hauteur.

Questions.

1. Calculer la durée nécessaire pour obtenir un dépôt de 2 mètres, avec une vitesse de formation d’environ 0,1 mm.an-1. 1 point.

2. Indiquer quels réservoirs de carbone ont été impliqués dans la formation de ce charbon (et sous quelles formes de carbone). 1 point.

3. Indiquer pourquoi le charbon, comme le pétrole, est une ressource fossile non renouvelable. 1 point.

Exercice 5. L’Himalaya et cycle du carbone. 10 points. 30 minutes. D’après Enseignement scientifique Belin 2020.

Les roches constituant les chaînes de montagnes sont majoritairement constituées de minéraux appelés silicates (par exemple l’anorthite et la kaolinite). Ces roches sont progressivement érodées notamment par l’eau, c’est-à-dire que leurs minéraux subissent des réactions d’altération au contact de l’eau et de l’atmosphère, puis les minéraux ayant réagi ou non terminent leur course dans l’océan, entraînés par les cours d’eau (transport puis sédimentation).

Un sommet de l’Himalaya à 8611 m.


Document 1. Carte des bassins sédimentaires associés à la chaîne de l’Himalaya.

On estime qu’environ 200 000 kilomètres cubes (soit 2.1014 m3) de roches (masse volumique de 3t.m-3) de la chaîne himalayenne ont été altérés depuis sa formation il y a environ 10 millions d’années (Ma). Le calcium libéré représente environ 1,4 % de la masse totale de roches.

Document 2. Une réaction d’altération d’un silicate fréquent dans les roches de montagnes : l’anorthite.

L’anorthite réagit spontanément avec l’eau et le dioxyde de carbone atmosphérique :

(1)

La kaolinite a tendance à se déposer dans le fond de l’eau lorsqu’il y a peu d’agitation tandis que Ca2+ et HCO3

- restent en solution dans l’eau. Lorsque l’eau des fleuves arrive en mer, la réaction suivante se produit :

(2) Le carbonate de calcium, principal composant du calcaire, se dépose au fond des océans.

Questions.

1. Ecrire le bilan de la réaction (1) + (2). 1 point 2. Expliquer quel est l’impact de ces réactions sur le cycle du carbone atmosphérique. 2 points 3. Discuter de la relation entre l’épaisseur des sédiments et la distance à la chaîne de l’Himalaya. 1

point 4. Sachant que 1 kg de calcium permet la fixation de 1,1 kg de CO2, calculer la masse de dioxyde de

carbone fixée depuis la formation de l’Himalaya. Les calculs doivent être développés. Toute trace de recherche est valorisable à condition qu’elle soit clairement explicitée. 2 points

On rappelle que la masse volumique est le rapport de la masse sur le volume. 5. Comparer, par un calcul, la valeur obtenue avec celle du réservoir atmosphérique actuel de

dioxyde de carbone, soit 2 750.109 tonnes de CO2. 2 points 6. Justifier l’expression suivante utilisée par les scientifiques : « L’Himalaya est une pompe à CO2. »

1 point 7. Discuter alors de l’équilibre du cycle du carbone à l’échelle de millions d’années si l’on ne prend

en compte que l’érosion des chaînes de montagnes. Quel(s) processus de même échelle de temps pourrai(en)t inverser la tendance. 1 point


Correction de la V1

Exercice 1. QCM. Pour chacune des propositions, entourer l’unique bonne réponse. 2 points. 5 minutes.

A. Sur Terre, l’atmosphère actuelle est composée de : 78 % de diazote et 21 % de dioxygène

B. Le dioxygène s’est accumulé dans l’atmosphère à partir de : 2,4 milliards d’années

C. L’ozone est formé par l’action des UV à partir : d’un atome d’oxygène et d’une molécule de dioxygène

D. La couche d’ozone stratosphérique est située : entre 20 et 40 km d’altitude Exercice 2. Le cycle de l’oxygène. 3 points. 5 minutes.

Source Puits Photosynthèse X Combustion X Formation des fers rubanés X Cyanobactéries des stromatolithes X Décomposition de la matière organique X Formation des sols rouges continentaux X

Exercice 3. Réservoirs et flux de carbone. 2,5 points. 5 minutes.

¼ de point par bonne réponse

Exercice 4. Diagramme pression température des états de l’eau. 2,5 points. 5 minutes. Placer les corps pour déterminer sur quel(s) corps l’eau est susceptible d’exister à l’état liquide.

Placement des trois corps : 1,5 Conclusion 1. Aucun corps n’est situé dans la zone « état liquide ». L’eau n’est donc pas à l’état liquide sur aucun de ces corps.


Exercice 5. L’Himalaya et cycle du carbone. 10 points. 30 minutes.

1. Ecrire le bilan de la réaction (1) + (2). 1 point CaAl2Si2O8 + 3H2O + 2CO2 à Al2SiO5(OH)4 + CO2 + H2O + CaCO3

Soit CaAl2Si2O8 + 2H2O + CO2 à Al2SiO5(OH)4 + CaCO3

2. Expliquer quel est l’impact de ces réactions sur le cycle du carbone atmosphérique. 2 points

On constate la consommation d’une molécule de CO2 par anorthite altéré. Cette réaction consomme donc du CO2 atmosphérique, ce qui en fait donc baisser la concentration dans l’atmosphère. Cela provoque à la fin la précipitation de calcaire.

3. Discuter de la relation entre l’épaisseur des sédiments et la distance à la chaîne de l’Himalaya. 1 point

On voit, dans le Golfe du Bengale, que plus l’on s’éloigne de l’embouchure du Gange, plus l’épaisseur des sédiments issus de l’érosion diminue (baisse du transport). Une valeur demandée.

4. Sachant que 1 kg de calcium permet la fixation de 1,1 kg de CO2, calculer la masse de dioxyde de carbone fixée depuis la formation de l’Himalaya. Les calculs doivent être développés. Toute trace de recherche est valorisable. 2 points

La masse volumique r est le rapport de la masse sur le volume, donc m = rv M (masse de roches produites par l’érosion) = 3 x 2.1014 = 6.1014 t Le calcium libéré représente environ 1,4 % de la masse totale de roches donc 1,4 x 6.1014/100 = 8,4.1012 t de calcium. Comme 1 kg de calcium permet la fixation de 1,1 kg de CO2, alors 8,4.1012 x 1,1 = 9,24.1012 t de CO2 fixés depuis la formation de l’Himalaya.

5. Comparer, par un calcul, la valeur obtenue avec celle du réservoir atmosphérique actuel de dioxyde de carbone, soit 2 750.109 tonnes de CO2. 2 points

2 750.109 = 2,750.1012 t de CO2 dans l’atmosphère 9,24.1012/2,750.1012 = 3,36. La quantité de CO2 fixée depuis la formation de l’Himalaya est donc trois fois plus importante que celle présente dans l’atmosphère.

6. Justifier l’expression suivante utilisée par les scientifiques : « L’Himalaya est une pompe à CO2. » 1 point

L’altération des minéraux silicatés des chaînes de montagnes consomme du CO2 atmosphérique, d’où le terme de de pompe à CO2. Ce CO2 est stocké dans la lithosphère sous forme de calcaire.

7. Discuter alors de l’équilibre du cycle du carbone à l’échelle de millions d’années si l’on ne prend en compte que l’érosion des chaînes de montagnes. Quel(s) processus de même échelle de temps pourraient inverser la tendance. 1 point

L’altération (l’érosion) des chaînes de montagnes consommant du CO2 atmosphérique, sa concentration atmosphérique doit donc diminuer. Seul un volcanisme de grande ampleur pourrait contrebalancer ou inverser le phénomène.


Correction de la V2 Exercice 1. Réponse courte à partir de documents. 2 points. 5 minutes.

Ces vues d’artiste représentent la Terre primitive à deux âges différents. En vous aidant des indices visibles sur ces images, dater approximativement les époques représentées. Vue de gauche : on voit une phase précoce avec le dégazage de la Terre et de la roche en fusion (atmosphère primitive). Le sol est solide, on ne voit pas d’océans. C’est entre -4,57 et -4,4 Ga. 1 point. Vue de droite : on reconnaît des stromatolithes, à l’origine de la grande oxygénation. Ils sont apparus après -3,5 Ga (donc la représentation est approximativement postérieure à cette époque). 1 point. Exercice 2. Les galets de pyrite du Witwatersrand (Afrique du Sud). 3 points. 5 minutes.

Montrer que des galets de pyrite non altérés et arrondis ne pourraient pas se former sur la Terre actuelle puis proposez une ou des hypothèses pour expliquer leur formation il y a 2,9 milliards d’années.

Indiquer sur quel principe repose cette déduction et l’énoncer. La pyrite retrouvée dans l’échantillon est arrondie (forme en galet), or elle est normalement très anguleuse. Cela suggère un transport par l’eau s’écoulant très rapidement. 1 point. Actuellement les eaux qui circulent rapidement sont très oxygénées, ce qui oxyde rapidement la pyrite. Or, celle trouvée est non altérée : cela suggère l’absence d’O2 voici -2,9 Ga. 1 point. On sait comment se forme la pyrite actuellement, et comment elle s’altère. En s’appuyant sur le principe d’actualisme (les lois qui régissent les phénomènes géologiques actuels sont les mêmes que celles qui s’exerçaient dans le passé), on peut en déduire qu’il se produisait la même chose dans le passé. 1 point. Exercice 3. Le cycle de l’oxygène. 2 points. 5 minutes.

Source Puits Combustion X Formation des fers rubanés X Cyanobactéries des stromatolithes X Décomposition de la matière organique X

Exercice 4. Les dépôts de bassin de Graissessac (Hérault, France). 3 points. 10 minutes. Questions.

1. Calculer la durée nécessaire pour obtenir un dépôt de 2 mètres, avec une vitesse de formation d’environ 0,1 mm.an-1. 1 point.

D’après la formule v=d/t, on cherche t. t = d/v = 2000/0,1 = 20 000 ans. 2. Indiquer quels réservoirs de carbone ont été impliqués dans la formation de ce charbon (et sous

quelles formes de carbone). 1 point. Le carbone était à l’origine dans l’atmosphère (sous forme de CO2). Suite à la photosynthèse, il est passé dans la biosphère (sous forme de molécules / matière organique(s). Suite à la fossilisation, il est passé dans la lithosphère (via un passage par les sols).

3. Indiquer pourquoi le charbon, comme le pétrole, est une ressource fossile non renouvelable. 1 point.

Le temps de formation est long (plusieurs dizaines de Ma, donc pas l’échelle d’une vie humaine), alors que le temps d’utilisation est court. On consomme plus vite les réserves qu’elles ne se forment = énergie non renouvelable. Exercice 5. L’Himalaya et cycle du carbone. 10 points. 30 minutes.

1. Ecrire le bilan de la réaction (1) + (2). 1 point CaAl2Si2O8 + 3H2O + 2CO2 à Al2SiO5(OH)4 + CO2 + H2O + CaCO3

Soit CaAl2Si2O8 + 2H2O + CO2 à Al2SiO5(OH)4 + CaCO3


2. Expliquer quel est l’impact de ces réactions sur le cycle du carbone atmosphérique. 2 points

On constate la consommation d’une molécule de CO2 par anorthite altéré. Cette réaction consomme donc du CO2 atmosphérique, ce qui en fait donc baisser la concentration dans l’atmosphère. Cela provoque à la fin la précipitation de calcaire.

3. Discuter de la relation entre l’épaisseur des sédiments et la distance à la chaîne de l’Himalaya. 1 point

On voit, dans le Golfe du Bengale, que plus l’on s’éloigne de l’embouchure du Gange, plus l’épaisseur des sédiments issus de l’érosion diminue (baisse du transport). Une valeur demandée.

4. Sachant que 1 kg de calcium permet la fixation de 1,1 kg de CO2, calculer la masse de dioxyde de carbone fixée depuis la formation de l’Himalaya. Les calculs doivent être développés. Toute trace de recherche est valorisable. 2 points

La masse volumique r est le rapport de la masse sur le volume, donc m = rv M (masse de roches produites par l’érosion) = 3 x 2.1014 = 6.1014 t Le calcium libéré représente environ 1,4 % de la masse totale de roches donc 1,4 x 6.1014/100 = 8,4.1012 t de calcium. Comme 1 kg de calcium permet la fixation de 1,1 kg de CO2, alors 8,4.1012 x 1,1 = 9,24.1012 t de CO2 fixés depuis la formation de l’Himalaya.

5. Comparer, par un calcul, la valeur obtenue avec celle du réservoir atmosphérique actuel de dioxyde de carbone, soit 2 750.109 tonnes de CO2. 2 points

2 750.109 = 2,750.1012 t de CO2 dans l’atmosphère 9,24.1012/2,750.1012 = 3,36. La quantité de CO2 fixée depuis la formation de l’Himalaya est donc trois fois plus importante que celle présente dans l’atmosphère.

6. Justifier l’expression suivante utilisée par les scientifiques : « L’Himalaya est une pompe à CO2. » 1 point

L’altération des minéraux silicatés des chaînes de montagnes consomme du CO2 atmosphérique, d’où le terme de de pompe à CO2. Ce CO2 est stocké dans la lithosphère sous forme de calcaire.

7. Discuter alors de l’équilibre du cycle du carbone à l’échelle de millions d’années si l’on ne prend en compte que l’érosion des chaînes de montagnes. Quel(s) processus de même échelle de temps pourrai(en)t inverser la tendance. 1 point

L’altération (l’érosion) des chaînes de montagnes consommant du CO2 atmosphérique, sa concentration atmosphérique doit donc diminuer. Seul un volcanisme de grande ampleur pourrait contrebalancer ou inverser le phénomène.

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DST SCS1 (V1) Exercice 1. QCM. Pour chacune des