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https://lewebpedagogique.com/bouchaud 19_spe_EAU2017.docx 1 Sujet Emirats Arabes Unis 2017 2 ème PARTIE – Exercice 2 (spécialité). 5 points. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir. La transformation de l’atmosphère terrestre L’atmosphère primitive de la Terre, issue du dégazage volcanique au cours du refroidissement du globe, était très différente de l’atmosphère actuelle. La transformation de l’atmosphère au cours du temps est marquée en particulier par un fort enrichissement en dioxygène, ce qui lui a conféré un caractère oxydant. À partir de l’exploitation des documents proposés mise en relation avec vos connaissances, reconstituer la chronologie des évènements qui a abouti à une atmosphère riche en dioxygène. Document 1 : les formations sédimentaires d’oxyde de fer Document 1.a : les paléosols rouges continentaux ou red beds Les paléosols, ou sols fossiles, se sont formés par altération de roches continentales au contact de l’atmosphère. La couleur rouge de certains de ces sols provient de la forte teneur en hématite, minéral d’oxyde de fer de formule chimique Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe 3+ . Dépôts sédimentaires continentaux de couleur rouge, Blyde River Canyon, Afrique du Sud D’après le site http://www.lalechere.co.za Document 1.b : les fers rubanés ou B.I.F. (Banded Iron Formations), des formations océaniques Les fers rubanés sont formés par une alternance de couches d’oxydes de fer (rouges) et de couches siliceuses (grises). Ce sont des roches sédimentaires qui se sont formées en milieu marin par précipitation de fer et de silice en solution dans l’eau de mer. Les couches rouges contiennent de l’hématite Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe 3+ . Fers rubanés de Barberton, Afrique du Sud D’après le site http://planet-terre.ens-lyon.fr

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Page 1: Sujet Emirats Arabes Unis 2017 2ème PARTIE – Exercice 2 ... · - Le fer est très présent dans la croûte terrestre. - Les fers rubanés sont formés par une alternance de couches

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Sujet Emirats Arabes Unis 2017

2ème PARTIE – Exercice 2 (spécialité). 5 points. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir.

La transformation de l’atmosphère terrestre

L’atmosphère primitive de la Terre, issue du dégazage volcanique au cours du refroidissement du globe, était très différente de l’atmosphère actuelle.

La transformation de l’atmosphère au cours du temps est marquée en particulier par un fort enrichissement en dioxygène, ce qui lui a conféré un caractère oxydant.

À partir de l’exploitation des documents proposés mise en relation avec vos connaissances, reconstituer la chronologie des évènements qui a abouti à une atmosphère riche en dioxygène.

Document 1 : les formations sédimentaires d’oxyde de fer Document 1.a : les paléosols rouges continentaux ou red beds

Les paléosols, ou sols fossiles, se sont formés par

altération de roches continentales au contact de l’atmosphère.

La couleur rouge de certains de ces sols provient de la forte teneur en hématite, minéral d’oxyde de fer de formule chimique Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe3+.

Dépôts sédimentaires continentaux de couleur rouge, Blyde River Canyon, Afrique du Sud

D’après le site http://www.lalechere.co.za

Document 1.b : les fers rubanés ou B.I.F. (Banded Iron Formations), des formations océaniques

Les fers rubanés sont formés par une

alternance de couches d’oxydes de fer (rouges) et de couches siliceuses (grises). Ce sont des roches sédimentaires qui se sont formées en milieu marin par précipitation de fer et de silice en solution dans l’eau de mer.

Les couches rouges contiennent de l’hématite Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe3+.

Fers rubanés de Barberton, Afrique du Sud

D’après le site http://planet-terre.ens-lyon.fr

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Document 1c : extension temporelle

D’après C. Klein, Nature, 1997

Les plus anciens fers rubanés sont datés de 3,8 milliards d’années (fers rubanés d’Isua au Groenland). Les plus anciens sols rouges sont datés de 2,2 milliards d’années (Blyde River). Tous les sols fossiles plus

anciens sont dépourvus d’hématite et montrent un appauvrissement en fer que l’on attribue au lessivage des formes solubles du fer par les eaux de pluie.

Document 2 : les différentes formes ioniques du fer

Le fer constitue 5% de la masse de la croûte terrestre. En solution aqueuse, le fer existe à l’état naturel sous deux formes ioniques :

• Fe2+ également noté Fe(II), • Fe3+ également noté Fe(III).

La forme Fe3+ est plus oxydée que la forme Fe2+. Ces deux formes ioniques ne présentent pas la même mobilité dans l’eau.

Comportement des ions fer en solution selon le degré d’oxydation

Document 3 : les stromatolithes

Les stromatolithes sont des formations sédimentaires carbonatées (calcaires) marines constituées d’une superposition de feuillets formant un dôme.

L’origine biologique de ces formations a été démontrée pour des stromatolithes de 2,7 milliards d’années. Les plus anciens stromatolithes ont été datés à environ 3,5 milliards d’années.

Stromatolithe de Pilbara, Australie. Photographie d’une structure retrouvée dans une lame mince de stromatolithe fossile (Pilbara, Australie)

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Document 4 : les cyanobactéries Document 4a : caractéristiques des cyanobactéries actuelles

Les cyanobactéries sont des organismes microscopiques procaryotes. Leur cytoplasme contient

notamment des pigments chlorophylliens.

Photographie au microscope optique de cyanobactéries actuelles (genre Nostoc)

D’après le site http://www.pasteur.fr

Document 4b : métabolisme des cyanobactéries actuelles Une culture de cyanobactéries est placée dans une enceinte hermétique. Les teneurs en dioxygène et

dioxyde de carbone sont relevées en différentes conditions d’éclairement.

Évolution des teneurs en dioxygène et dioxyde de carbone de la culture de cyanobactéries

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2ème PARTIE – Exercice 2 (spécialité). 5 points. Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir. Problématique : on veut reconstituer la chronologie des événements ayant abouti à un enrichissement de l’atmosphère en O2 (à partir d’une atmosphère primitive qui n’en contenait pas).

Documents 1 et 2 couplés ensemble. - Le fer est très présent dans la croûte terrestre. - Les fers rubanés sont formés par une alternance de couches d’oxydes de fer (rouges) et de couches siliceuses (grises) comme sur la photographie. Ce sont des roches sédimentaires qui se sont formées en milieu marin par précipitation de fer et de silice en solution dans l’eau de mer. - Les couches rouges contiennent de l’hématite Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe3+. - Or dans l’eau, le fer existe sous deux formes : Fe2+ et Fe3+. Fe3+ est plus oxydé que Fe2+. - En l’absence d’O2, Fe2+ reste en solution de couleur verdâtre et translucide. En présence d’O2, les ions Fe2+ sont oxydés en Fe3+qui précipite avec une couleur rouge (comme dans les fers rubanés et les sols continentaux).

- Cela montre, puisque ces formations contiennent du fer oxydé Fe3+, que l’hydrosphère de l’époque était oxydante et contenait donc de l’O2. - Ces formations apparaissent à partir de -3,8 Ga jusqu’à -1,8 Ga : on peut donc considérer qu’à partir de -3,8 Ga, il y avait donc de l’O2 dans l’hydrosphère (océans).

- Les paléosols, comme à Blyde River Canyon, se sont formés par altération de roches continentales au contact de l’atmosphère. - La couleur rouge de certains de ces sols provient de la forte teneur en hématite, minéral d’oxyde de fer de formule chimique Fe2O3. Le fer y est oxydé sous la forme ionique Fe3+. - Cela montre, puisque ces sols contiennent du fer oxydé Fe3+, que l’atmosphère de l’époque était oxydante et contenait donc de l’O2. - Ces sols sont datés de -2,2 Ga : à cette époque, il y avait donc de l’O2 dans l’atmosphère.

- On apprend par ailleurs qu’avant -2,2 Ga, tous les sols fossiles continentaux sont dépourvus d’hématite (pas de fer oxydé) et montrent un appauvrissement en fer que l’on attribue au lessivage des formes solubles Fe2+ du fer par les eaux de pluie. Le fer Fe2+ passait donc dans l’hydrosphère où il était oxydé en Fe3+ en présence d’O2 dans l’eau de mer, participant à la formation des fers rubanés. - En conclusion, l’O2 est d’abord apparu en milieu océanique, où il a été piégé dans l’hématite au fur et à mesure que le fer s’oxydait. Quand tout le fer marin a été oxydé, l’O2 a pu dans un second temps s’échapper dans l’atmosphère où il a cette fois oxydé les formations continentales. D’où provient cet O2 ?

Documents 3 et 4 couplés ensemble. - Les stromatolithes sont des formations sédimentaires carbonatées marines constituées d’une superposition de feuillets formant un dôme (c’est le cas sur la photographie à Pilbara). - L’origine biologique de ces formations a été démontrée pour des stromatolithes de 2,7 milliards d’années. C’est ainsi qu’à Pilbara, on reconnaît des structures filiformes d’environ 80 µm de long, constituées d’amas de « cellules ». - A l’heure actuelle, on connaît des structures similaires : ce sont les cyanobactéries comme Nostoc (procaryotes), êtres vivants constitués d’une file de cellules. - Le cytoplasme des cyanobactéries contient des pigments chlorophylliens : on peut supposer qu’elles sont photosynthétiques. - L’expérience ExAO sur la culture de cyanobactéries montre qu’à l’obscurité la concentration en O2 diminue dans le milieu alors que celle en CO2 augmente (au moins une valeur à indiquer) : les cyanobactéries consomment du O2 et rejettent du CO2. Il s’agit des échanges gazeux respiratoires. - A la lumière, la concentration en O2 augmente dans le milieu alors que celle en CO2 diminue (au moins une valeur à indiquer) : les cyanobactéries consomment du CO2 et rejettent du O2. Il s’agit des échanges gazeux photosynthétiques. Les cyanobactéries sont donc bien photosynthétiques - Comme les plus anciens stromatolithes ont été datés à environ 3,5 milliards d’années, on peut considérer que la photosynthèse existait déjà à cette époque, et donc que l’O2 est d’abord apparu dans l’eau (les stromatolithes sont marins). Cela coïncide a peu près à l’âge des premières formations de fer rubané (-3,8 Ga)

Conclusion. - Les cyanobactéries photosynthétiques présentes dans les stromatolithes sont à l’origine de la production d’O2. - Le dioxygène est d’abord apparu dans l’eau où il a oxydé le fer Fe2+ présent (= celui qui était dans l’eau + celui qui provenait de l’altération des continents émergés dans une atmosphère réductrice) sous forme de Fe3+ qui a précipité (fers rubanés). - Quand tout le fer océanique a précipité, l’O2 a pu gagner l’atmosphère dans un second temps : il a alors oxydé toutes les formations continentales (d’où les paléosols rouges). L’O2 s’est alors progressivement accumulé dans l’atmosphère qui est donc devenue oxydante.