FONDATION 2ie Institut International dIngénierie Eau, Environnement COURS DE GEOLOGIE GENERALE NIVEAU L1 Pr Urbain WENMENGA SOMMAIRE PREAMBULE I- GENERALITES II- LA TERRE DANS LUNIVERS III- STRUCTURE DU GLOBE TERRESTRE IV- DISTRIBUTION, AGENCEMENT ET ORGANISATION DE LA MATIERE DANS LES MATERIAUX V- LES MINERAUX DES ROCHES 1 VI- LES PRINCIPALES FAMILLES DE ROCHES DE LA LITHOSPHERE VII- LA DEFORMATION DES ROCHES VIII- EROSION ET ALTERATION DES ROCHES IX- ELEMENTS DE GEOMORPHOLOGIE X- NOTION DE GEOCHRONOLOGIE XI- LA TECTONIQUE DES PLAQUES XII- GEOLOGIE APPLIQUEE REFERENCES - Eléments de géologie : Pierre BELLAIR, Charles POMEROL Edition Armand Colin. Collection U - Sciences de la Terre et de lUnivers : André BRAHIC, Michel HOFFERT, André SCHAAF, Marc TARDY, Edition Vuibert - Géologie : Objets et méthodes : Jean DERCOURT et Jacques PAQUET. Edition Dunod - Cours de géologie générale : H. BADOUX, Ecole polytechnique Fédérale de Lausanne - Géologie générale et pétrologie. Eléments de géodynamique. N. THEOBALD et A. GAMA. Edition Doin. PREAMBULE Le cours de « Géologie Générale » est une introduction aux géosciences, destiné aux étudiants des Ecoles préparatoires, Ecoles polytechniques et des universités inscrit en première année. A travers une douzaine de chapitre, il donne des notions de base à la connaissance de lunivers dont fait partie intégrante la « Terre » et son environnement, des géomatériaux et de la matière minérale, aborde également la question du temps, la dynamique du globe et la problématique de lexploration, la valorisation et la gestion des ressources du sol et sous sol. Les références bibliographiques citées ne sont pas exhaustives et il est opportun de prendre des initiatives pour renforcer la géo- information grâce à lexploitation des NTIC. I- GENERALITES 1- Définition 2 Le mot « géologie » dérive du terme grec « gé » qui signifie « Terre » et du terme « logos » qui veut dire « sciences, savoir, discours, parole, doctrine ». La géologie se définit comme les « Sciences de la Terre », partie intégrante des « Sciences de la Nature », basée sur lobservation, la description, linterprétation et lélaboration dhypothèses. 2- Historique La géologie est comparativement aux sciences exactes, une science relativement récente mais qui a franchi plusieurs étapes évolutives. Elle est passée de létape statique (Description), à létape cinématique (élaboration de principes de transformation et dévolution) pour atteindre létape dynamique (Recherche des causes physiques, forces et effets). 3- Objet Le but de la géologie est de retracer ou de reconstituer l’histoire de la Terre depuis son origine (≈ 4,5Ga= Milliard d’années) jusqu’à nos jours à travers l’étude de sa composition sa structure, son évolution et des processus physico- chimiques passés et présents. 4- Principe La géologie élabore ses théories sur la base du principe de lactualisme ou encore principe des causes actuelles ou de luniformitarisme. On part du constat que les mêmes causes produisent les mêmes effets, aujourdhui comme par le passé ou que le présent est la clé du passé ou encore que lactuel est susceptible dexpliquer lancien. Ce principe suppose que les faits géologiques sont restés immuables, c'est-à-dire sans changement de nature dans le temps et dans lespace (uniformitarisme). Si on admet que les phénomènes anciens sont parfaitement identiques aux phénomènes actuels, ces derniers constituent donc une réplique. Il se trouve que lidentité parfaite nexiste pas et quau niveau de la fréquence et de lintensité, des variations ont pu se produire dans le temps et dans lespace. La logique serait daffirmer que les lois physico- chimiques qui régissent les phénomènes actuels sont restées immuables au cours des temps géologiques. 5- Méthodes Les investigations géologiques procèdent par deux méthodes, dune part les méthodes directes et dautre part les méthodes indirectes. 3 a- Méthodes directes Elles sont basées sur lobservation et la description des terrains géologiques, des échantillons de géo matériaux et matériaux extra terrestres. On distingue plusieurs cas de figure. - Examen des coupes géologiques naturelles (canyon, fosse, plans de faille) - Analyse des sondages carrotés miniers ou des forages pétroliers ou géologiques en vue détablir un log stratigraphique - Cartographie géologique issue de la photogéologie, la télédétection et le SIG (système dinformation géologique) - Etude des nodules ultrabasiques du manteau terrestre rapporté en surface par le volcanisme basaltique - Etude des météorites qui renseignent sur la nature des roches contemporaines du système solaire b- Méthodes indirectes Les méthodes géophysiques appliquent les lois de la physique classique pour caractériser les propriétés (magnétisme, radioactivité, conductivité thermique, résistivité électrique, pesanteur) des matériaux du sol ou du sous sol et pour lexploration des zones profondes de la terre. Elles procèdent par les mesures appropriées des paramètres physiques, lanalyse de leur distribution et la détection des anomalies sur le terrain. Un éventail de méthodes géophysiques enregistre les signatures des matériaux et permet de connaître la composition, la structure du globe terrestre et ses ressources naturelles. - Méthode électrique - Méthode électro- magnétique - Méthode magnétique - Méthode gravimétrique - Méthodes sismiques (sismique réflexion, sismique réfraction) - Méthode radiométrique. 6- Les disciplines de la géologie Lessor ces dernières décennies de la technologie, de linformatique, des outils de mesures physiques et danalyse spectrométrique et des différentes branches des sciences exactes et naturelles, a largement contribué à la diversification des disciplines des sciences de 4 la Terre ou géoscience. Les différentes disciplines ou spécialités (Figure 1) se repartissent dans cinq thématiques. * Etude des géomatériaux - La cristallographie - La minéralogie - La pétrographie * Etude de lhistoire et de lévolution de la Terre (Géologie historique) - La paléontologie - La stratigraphie - La sédimentologie - La paléogéographie - La géochronologie * Etude de la structure et mouvement de la matière (géodynamique) - La tectonique (géologie structurale) - La géodynamique interne (sismologie, volcanologie) - La géodynamique externe (hydrologie, océanographie, glaciologie, cryologie) - Géophysique. * Etude des ressources du sol et sous sol (géologie appliquée ou géologie économique) - Hydrogéologie (sciences de leau) - Pédologie (sciences des sols) - Métallogénie (sciences minières) - Géologie de laménagement (Génie civil, géotechnique) * Etude de lespace (Géologie de lespace) - Planétologie - Cosmologie (Chimie, physique) - Astronomie (Univers, mathématiques) - Astrophysique * Inter action géosciences et autres sciences De nouvelles disciplines forment une passerelle entre les géosciences et les sciences exactes et naturelles et aussi les techniques de linformation et de la communication. Les plus significatives de ces disciplines sont : - La géomorphologie - La géochimie - La géophysique 5 - La géostatistique - La paléontologie - La géobotanique - La géo -informatique - La géo- information 7- Intérêt de la géologie La géologie appliquée ou économique a pour vocation première, la prospection, lévaluation, la valorisation et la gestion des ressources naturelles (Minéraux, eau, énergie). Les applications des géosciences couvrient les domaines de laménagement et de lenvironnement. Sur ce plan de laménagement la connaissance du terrain, du sol et du sous sol est une condition nécessaire pour linstallation de tout ouvrage (bâtiment, route, pont, barrage, canalisation) qui relève du génie civil ou de la géotechnique. Létude de la pollution naturelle ou artificielle et leur impact sur lenvironnement, les prévisions et gestion des risques naturels (géorisque) en loccurrence les risques sismiques, volcaniques, hydrologiques, gravitaires et les contaminations des eaux souterraines ou de surface, relève de plusieurs disciplines dont la géologie joue un rôle déterminant. 6 II- LA TERRE DANS LUNIVERS Lunivers est selon les théories cosmogéniques, le résultat dune explosion ou dune éclosion chimique complexe qualifiée de « BIG BANG » ou les éléments (Protons, neutrons, neutrinos, électrons) ont formé une nébuleuse primitive riche en gaz. Sous une forte température, ces éléments sont entrés dans une intense agitation contrôlée par des forces électro- statiques. La baisse de température qui est survenue dans le milieu va favoriser une nucléosynthèse avec apparition datomes légers et rares (He, Li, H). Des réactions chimiques nucléaires avec formations déléments chimiques nouveaux et plus denses (C, O, N Na, Mg, Si) se poursuivent avec lélévation de la température et avec des forces de gravitation. Ces conditions étaient propices à la naissance de galaxies et détoiles par condensation de ces éléments. Lapparition de lunivers chaotique est estimée à environ 15 milliards dannées. Il est constitué damas de galaxies, elles mêmes formées damas détoiles (constellation !) composées de planètes avec des satellites, des astéroïdes, des anneaux, comètes et des poussières inter- stellaires ou poussières solaires. 7 1- Les galaxies Les galaxies sont des super structures regroupant des amas de plusieurs dizaines ou milliers dunités de taille variable. Une galaxie comprend des milliards détoiles, cas de figure de la voie lactée, notre galaxie qui se présente comme un disque de 100 000 années lumières (1AL=1013km) de diamètre. Elle est formée dune centaine de milliard détoiles dont le système solaire est une composante périphérique. Les étoiles sont constituées de plasma, c'est-à-dire de nuage de gaz et de poussières ou les particules sont chargées et électrisées. Le soleil est une étoile correspondant à une énorme boule de gaz de 2.1030kg dont le coeur est le siège de réactions thermonucléaires et de production dimportants flux dénergie et de chaleur. Le soleil est une boule incandescente qui se trouve au centre du système solaire. 2- Le système solaire Il comprend un ensemble de planètes, de satellites, anneaux, astéroïdes et comètes en rotation autour du soleil central 2-1- Les planètes On distingue dans le système solaire deux catégories de planètes, les planètes telluriques ou terrestres (Mercure, Venus, Terre, Mars) dune part les planètes joviennes (Jupiter, saturne, uranus, Neptune) dautre part. a- Les planètes telluriques Ces planètes internes sont les plus chaudes du système car les plus proches du soleil. Elles se distinguent des planètes joviennes par leur petite taille (Figures 2a et 2b), leur densité élevée (3 à 5) (Tableau 1) due à une composition dominée par des éléments chimiques relativement denses (Si, Fe, Mg, Ca, Al, O, C..). Dans ce groupe, la Terre avec un rayon de 6378 km est la plus volumineuse des planètes telluriques, mais il est dix fois plus petit que celui de Jupiter ( 71398km), cent fois par rapport au soleil (Tableau 1) . A la différence des planètes joviennes, les planètes telluriques sont solides, structurées avec une croûte ou écorce de roches en surface, recouvrant dautres types denveloppes internes (manteau, noyau !) mais ne disposent pas danneaux en périphérie. (Figure 2a) b- Les planètes joviennes 8 Planètes externes et géantes, elles sont les plus froides car éloignées du soleil (750.106 à 5.109km) (Tableau 1). Elles se caractérisent par leur grande dimension (R>60.103km, cas de Jupiter et saturne). Leur nature essentiellement gazeuse, entourées par plusieurs dizaines danneaux et de satellites dont la structure se rapproche de celle des planètes terrestres. Les anneaux périphériques de ces planètes ont un caractère tantôt diffus, tantôt transparent ou brillant. Elles ont une composition dominée par lhydrogène, lhélium et la glace (H2O, NH3, CH4, CO2) (Tableau 1), ce qui explique leur densité relativement faible (0,7 à 1). c- Cas particulier de pluton Découverte il y a une cinquantaine d’années environ, cette planète solide se singularise par sa position et distance extrême par rapport au soleil, son isolement des planètes telluriques et sa petite taille (R≈ 2500km). 2-2- Les satellites On a dénombré dans le système solaire, plus dune soixantaine de satellites de taille (10<R<100km) et de densité (1,9-3,6) variables. La majorité des satellites gravite autour des planètes géantes et plus rarement autour des planètes type terrestre. La lune par exemple est le seul satellite de la Terre, tandis que phobon accompagne Mars dans sa rotation. Planètes et satellites exercent des attractions physiques de toute sorte (cas de vagues marines). 2-3- Les astéroïdes Les astéroïdes sont des corps solides de nature rocheuse, de forme irrégulière et de petite taille, contemporains de la formation des planètes. Ils représentent les matériaux les mieux conservés du système solaire et les plus intéressants du point de vue des investigations géo- scientifiques. On dénombre plus de dix milles astéroïdes dans le système de diamètre compris entre 5 et 100km, concentrés dans une ceinture entre Mars et Jupiter. Il arrive que leur trajectoire croise celle des planètes (Terre, Neptune) entraînant souvent des collisions et chutes de météorites. Le bombardement des planètes (Terre ) et de leur satellite (lune) fut intense durant le premier milliard dannées qui à succédé à la formation du système solaire. Les nombreux cratères lunaires dus aux impacts des météorites sont un témoignage patent. 2-4- Les comètes 9 De minuscules corps ou noyaux de taille variable mais atteignant 1 année lumière (1AL) de rayon, forment le système des comètes. Leur nombre est de l'ordre de mille milliards déléments parmi lesquels on peut citer la comète de Halley parfois visible et spectaculaire à certaines circonstances. Les comètes sont composées dun agrégat de glaces, de gaz gelé, de poussières solides qui évoquent les vestiges des nébuleuses primitives qui par condensation ont généré le système solaire dont elles sont une composante. 3- La Terre dans lunivers La Terre est une géoïde, c'est-à-dire un ellipsoïde de révolution caractérisé par un aplatissement polaire. Cette planète est une composante du système solaire dont lâge de formation se situerait autour de 4,6Ga (4 milliards, 600 millions dannées) daprès les mesures radio métriques réalisées sur des météorites synchrones. Sa singularité dans ce système tient aux caractéristiques suivantes. - Densité la plus élevée (5,5) des planètes, due à la présence dun noyau volumineux composé de Fe, Ni, S - Existence dun champ magnétique et dun champ de pesanteur (gravité g) contrôlés par le noyau - Planète active avec des séismes et volcanismes réguliers - Existence dune hydrosphère, dune biosphère et dune atmosphère dominée par lazote et loxygène ou le CO2 est rare, contrairement aux autres planètes (Mercure, Venus) dans lesquels subsiste un effet de serre dû à une température extrêmement élevée. - Interaction judicieuse, équilibrée et harmonieuse entre latmosphère, la biosphère et lhydrosphère grâce au processus régulateur dévaporation, évapotranspiration, photosynthèse, condensation et précipitation. - Existence dune température moyenne ambiante (25°c) judicieuse. III- STRUCTURE DU GLOBE TERRESTRE La Terre se distingue des autres planètes par la présence de deux catégories de géosphères, les géosphères externes dune part, et les géosphères internes dautre part. 1- Les géosphères externes La Terre est entourée par trois enveloppes externes : une enveloppe gazeuse ou atmosphère, une enveloppe liquide ou hydrosphère et une enveloppe organique ou biosphère. 10 1-1- Atmosphère Elle comprend trois niveaux concentriques organisés dans lordre suivant de bas en haut (Figure 3). - Troposphère : 0-10km - Stratosphère : 10-50km - Mésosphère : 50-80km - Thermosphère : 80-120km Sa masse est considérable ( 5,2.1021g), mais sa densité est par contre faible (0,013 au sol). La troposphère est la zone où se déroulent les phénomènes atmosphériques. Elle est caractérisée par une importante mobilité de masses dair, une teneur variable de vapeur deau et dhumidité et constitue la principale source de précipitation. La couche dozone qui protège les êtres vivants des irradiations solaires UV, se situe dans la stratosphère. La composition de latmosphère est marquée par la prédominance de lazote (N) (78%) et de loxygène (O) (21%) combinés à de très faible quantité dargon (Ar) (0,9%), de gaz carbonique (CO2) et dhydrogène (H) et de gaz rare. Dans lair, loxygène est un élément fondamental pour la vie organique. Lessentiel de cet oxygène provient des processus photo synthétiques des plantes vertes par lesquelles, le gaz carbonique fournit le C à lorganisme et libère loxygène par décomposition. Contrairement à lazote, loxygène diminue avec laltitude. Le CO2 est fourni par les volcans en activité, les sources thermales, la combustion des substances carbonées, la respiration, la décomposition des organismes (putréfaction). Le CO2 joue un rôle de régulation de température, par sa transparence vis-à-vis des rayonnements lumineux, son pouvoir de rétention et de restitution de la chaleur. Loxygène joue un rôle dans laltération des minéraux et des roches (oxydation) 1.2- Hydrosphère La sphère des eaux de surface (lac, mer, océan, glacier) occupe 71% soit les 2/3 de la superficie du globe contre 29% de terres émergées (bouclier, couverture sédimentaire) ce qui permet de qualifier la terre de planète marine. Lhydrogène et loxygène constituent les éléments chimiques prépondérants dans ce milieu. Leau joue un rôle important dans la vie des organismes. En géologie, elle est un puissant agent de la dissolution des roches, dérosion et de transport de la matière minérale, voire de la sédimentation et de la diagenèse. Elle est sur le plan climatique fondamental dans le cycle dévaporation, de condensation et de précipitation. 11 1-3- Biosphère Elle correspond à la sphère de la vie, domaine privilégié de la matière organique ou des êtres vivants (flore, faune) qui peuplent lhydrosphère et une partie des terres émergées (Ecorce, sol) et de latmosphère. Le carbone est lélément fondamental de la biosphère, mais se trouve à létat de traces dans latmosphère, lhydrosphère et la lithosphère (croûte + manteau). Il provient du CO2 de lair et de leau. La décomposition de la matière organique (flore, faune) dans les conditions géologiques propices, favorise la formation de gisement de charbons et de pétrole qui sont les principales ressources énergétiques actuelles. Les isotopes du carbone et de loxygène, combinés en CO2 participe à lélaboration des coquilles de mollusques et à la genèse des roches carbonatées. 2- Les géosphères internes Daprès les investigations sismologiques (variation de la vitesse de propagation des ondes P et S) (Figure 4), la Terre est une planète structurée en trois couches ou enveloppes concentriques, emboîtées et symétriques, comprenant de la surface vers la profondeur dune croûte ou encore écorce, dun manteau et dun noyau (Figure 4). Ces enveloppes représentent à la fois des entités géophysiques et géochimiques. Lécorce est séparée du manteau par le miroir sismique de Mohorovicic ou discontinuité de MOHO dont la profondeur varie dun point à un autre alors que la discontinuité majeure de WiechertGutenberg à 2 900km de profondeur assure la transition manteau- noyau. Au sein du noyau a été mise en évidence, la discontinuité interne de Lehman à 5 100km. - La croûte ou écorce Les caractéristiques sismologiques amènent à distinguer une croûte ou écorce continentale (terres émergées) constituée de boucliers pénéplanés et de chaînes de montagne et une écorce océanique submergée par leau. Lépaisseur de la croûte terrestre est relativement faible mais variable selon les contextes. Lécorce continentale est de 35km sous les zones pénéplanées et denviron 80km sous les chaînes de montagne (cas de lHimalaya). Lécorce océanique, montre une épaisseur comprise entre 5 et 12km selon les océans. Les deux types décorce sont structurés en trois couches distinctes. La croûte continentale (Figure 5) comprend du sommet à la base une couche de sédiment/ méta sédiment, une couche intermédiaire de granitoïdes (granites, gneiss) et une couche de roches très métamorphiques de haute pression et température (amphibolite- granulite). La 12 croûte océanique comprend à la base, une couche océanique formée de gabbro et de péridotite (Roche ultrabasique), superposée par une couche de basalte, coiffée au sommet par une couche de sédiments chimiques et biochimiques dominants. - Le manteau Cette enveloppe se subdivise en trois parties. Au sommet, le manteau supérieur rigide ou toit, le manteau intermédiaire a caractère visqueux ou zone des magmas « volcaniques », appelé asthénosphère ou rhéosphère ou encore pyrosphère. Il est le siège des courants de convection, moteur du déplacement des plaques lithosphériques. Le manteau supérieur rigide et lécorce solide sassocient pour former la lithosphère soit continentale ou océanique en fonction de la nature de lécorce. En tectonique des plaques, on conçoit que le domaine océanique et le domaine continental sont susceptibles dêtre compartimentés ou découpés en blocs ou en plaques lithosphériques de puissance variant entre 80 et 150km. Le manteau supérieur repose sur un manteau inférieur puissant appelé mésosphère. - Le noyau Le noyau de la Terre avec près de 3 500km de rayon est lenveloppe la plus volumineuse. Il comprend un noyau interne solide ou graine et un noyau externe liquide (Figure 4). Ce noyau joue un rôle important dans les manifestations du champ magnétique et du champ de pesanteur, qui sont caractéristiques de la Terre. 3- Importance de la croûte dans lactivité humaine La croûte terrestre continentale constitue un réservoir de ressources naturelles renouvelables et non renouvelables, vitales pour lhomme. Elle concentre en effet les ressources en eau superficielle et souterraine (nappes phréatiques des bassins sédimentaires, aquifère des socles granitiques), les ressources énergétiques (Hydrocarbure dans les bassins sédimentaires, uranium dans le socle granito- gneissique). Le sous sol recèle dénormes réserves de substances minérales métalliques (Au, Pt, Cu, Zn, Pb, Fe, Mn) et non métalliques appelées substances utiles (Argile, évaporites, carbonates et talc). Les matériaux de construction sont exploités dans les dépôts alluvionnaires des réseaux hydrographiques, dans les formations supergènes résiduelles (latérite), dans le socle granito- gneissique et dans les formations sédimentaires détritiques (grès) ou chimiques (calcaire). La décomposition des roches cristallines et métamorphiques du socle et de la couverture sédimentaire, développe des sols diversement valorisés en agriculture. Les fertilisants minéraux (carbonates, phosphates, évaporites) accroissent le rendement des sols 13 pauvres en agriculture. La connaissance géologique du terrain et des et paysages associés, sol et sous sol en particulier est un préalable pour linstallation et la stabilisation des ouvrages de génie civil et divers travaux daménagement. La croûte emmagasine lessentiel des géo ressources et peut être qualifiée de nourricière. IV- DISTRIBUTION, AGENCEMENT ET ORGANISATION DE LA MATIERE DANS LES MATERIAUX 1- Distribution des éléments chimiques naturels Les cristaux, les minéraux et les roches sont des matériaux naturels (géo matériaux) dont la composition chimique est fondée sur les éléments répertoriés en chimie (cf tableau périodique) évalués à environ une centaine. Les abondances relatives de ces éléments ont déterminé la distinction de deux grandes familles. Les éléments majeurs au nombre dune dizaine (O, Si, Al, Fe, Mg, Mn, Ca, Na, K, Ti) (Tableau 2a) se trouvent dans les matériaux sous forme doxyde en quantité importante dune part et dautre part les éléments à létat de trace appelés traces, oligoéléments ou éléments mineurs, exprimés en PPM (Partie Par Million ou g/t). On entend par « Clarke », la concentration moyenne dun élément dans lécorce. Si sa teneur est plus élevée que le Clarke, on tend vers une concentration anormale ou économique susceptible dêtre un indice minéralisé. La notion de gîte et de gisement dépend de la teneur et de la quantité de lélément (Réserve) Dans lécorce terrestre, le distribution des Clarkes des éléments majeurs montre la prédominance de loxygène en terme de masse (pourcentage pondéral) (47,21%), de volume (93,8%), suivi du silicium dont la masse est de 28,2% contre 0,9% en volume. En troisième rang, se trouve laluminium respectivement à 8,20% et 0,5%, puis le magnésium, le calcium et les alcalins. Le silicium tétravalent (Si4+) est un élément fondamental de minéraux spécifiques appelés silicates, de la même manière que le C4+ dans les tissus. Au sein des éléments mineurs, on trouve des groupes proches du point de vue de leur comportement similaire au cours des processus géologiques (cristallisation) parmi lesquels, les platinoïdes (Pt, Ir, Os, Rh, Ru), les éléments de transition (Ni, Cr, Co, V), les terres rares (La, Pr, Sm, Nd, Eu, Lu, Ga, Hf) et les actinides (éléments radioactifs) (U, Th) Tableau 2b 2- Les affinités entre éléments chimiques 14 Au cours des traitements minéralurgiques ou métallurgiques et même dans la nature (Roches, minéraux) il sest avéré que le mode dassociation des éléments chimiques nétait pas fortuit mais au contraire contrôlé par leur affinité mutuelle. Sur cette base, quatre groupes daffinité ont été définis. - Le groupe des éléments chalcophiles pour ceux qui ont une affinité pour le cuivre et qui au niveau minéral se combinent au soufre (Cu, Zn, Ag, Pb). - Le groupe des éléments sédérophiles qui sallient au fer et forment les minéraux oxydés (Fe, Ni, Co, Cr, Pt). - Le groupe des éléments lithophiles qui présentent une affinité pour le silicium, élément fondamental des silicates (minéraux), constituants minéraux majeurs de la lithosphère. Ce sont les éléments majeurs comme le Si, Al, Ca, Mg, Na, K.. - Le groupe des éléments atmophiles ou atmosphériques qui ont une affinité pour les gaz rares (N, Ar) 3- Organisation de la matière Les atomes, les ions et molécules forment dans les minéraux, des liaisons complexes en équilibre dont les principaux types sont : les liaisons ioniques établies entre les ions de charge opposée (NaCl, KCl), les liaisons covalentes ou homopolaires entre atomes sous saturés de même nature (le diamant= C), liaisons métalliques entre cations et le nuage délectrons issu du processus dionisation (Métaux, alliages), liaisons faibles ou résiduelles ou de Van Der Waals, entre atomes ou molécules neutres (molécules deau, glace). 4- La composition chimique globale des enveloppes internes du globe terrestre Les investigations géophysiques confirmées par les données chimiques saccordent sur lexistence dunités ou dentités géochimiques corrélées aux principales enveloppes solides du globe terrestre. La première entité est lécorce terrestre a caractère chimique sialique (Si, Al) ou le silicium (Si) à létat de silice (SiO2) et laluminium (Al) à létat dalumine (Al2O3) forment les principaux constituants des minéraux type alumino- silicates. La deuxième entité est le manteau simatique (Si, Mg) ou le silicium est également à létat doxyde (la silice) et le magnésium sous forme oxydé (MgO) (la magnésie) constituent les principaux éléments des silicates ferro- magnésiens. La troisième entité correspond au noyau de composition ferro- nickélifère (Ni, Fe) déduite de sa signature géophysique. 15 V- LES MINERAUX DES ROCHES 1- Introduction La minéralogie est la science qui étudie les minéraux en vue de leur identification et leur classification. Les minéraux sont des corps solides naturels, caractérisés par des propriétés physiques et une composition chimique. Ils forment à des proportions variables et selon des modes dassociation divers, les constituants majeurs des roches magmatiques métamorphiques et sédimentaires. Dans la nature, avec lessor des techniques dinvestigation, on a identifié plus de 2000 espèces minérales dont certaines constituent des minerais métalliques ou non encore appelés substances utiles (Argile, Talc) par concentration. 2- Propriétés physiques Les minéraux possèdent des propriétés physiques caractéristiques souvent liées à leur composition chimique et leur structure. A linstar des critères organoleptiques (sens humains), elles servent également à lidentification et à la discrimination des phases minérales entre elles. On retiendra les propriétés fondamentales suivantes : - La conductivité thermique (le quartz= SiO2) - La conductivité électrique (les métaux : Au, Cu, Ag) - La piezo et pyro -électricité (Le quartz) - La luminescence, fluorescence, phosphorescence, thermoluminescence (fluorine= Ca F2, scheelite (Ca WO4) - Radioactivité (uraninite/ pechblende= UO2 ) - Magnétisme (Magnétite= Fe3 O4) 3- Composition chimique Toute espèce minérale dispose dune composition chimique globale, susceptible de changer dun pôle à un autre dès linstant ou se passe un phénomène de substitution atomique au sein dune même phase ou dêtre modifiée par altération. Chaque espèce présente une composition qui détermine sa nomenclature. Des minéraux usuels suivants présentent une composition typique. - Les silicates Le quartz= SiO2 (silice) 16 Le feldspath potassique (orthose)= Si3O8 Al K Le feldspath sodique (Albite) =Si3 O8 Al Na Le feldspath calcique (Anorthite)= Si2 O8 Al2 Ca Les feldspaths sodiques (Albite) et calciques sont regroupés sous le terme de feldspath sodicalciques plagioclase ou lalbite et lorthose forment le groupe des feldspaths alcalins. - Les non silicates La blende = ZnS La galène= PbS La pyrite = Fe S2 Lhématite= Fe2O3 La magnétite= Fe3O4 Létain= Sn O2 Ces espèces parmi les non silicates bien que certaines contiennent du soufre et dautres de loxygène, portent des noms différents au sein du même groupe ou la nature du cation détermine la composition. 4- Critères de reconnaissance La reconnaissance macroscopique des minéraux sappuie sur des critères organoleptiques (Vue, odorat, toucher, goût) et implique aussi des critères physiques qui dépendent souvent de la composition chimique. Les plus importants critères didentification des minéraux sont : - La forme géométrique (cubique, hexagonale) - La couleur naturelle - La densité - La dureté (échelle de dureté relative de Mohs, graduée de 1 (talc) à 10 (Diamant) - Léclat - La transparence Lobservation visuelle est déterminante dans cette identification mais elle nest pas suffisante et doit être complétée par des tests physiques (radioactivité, magnétisme, luminescence) ou par des tests chimiques à lacide. La détermination microscopique implique des outils de microscopie polarisante et aussi la microscopie électronique (à balayage ou à transmission) et dautres techniques analytiques sophistiqués (Diffraction des Rx, microsonde, infrarouge). 17 5- Mode de formation La genèse des minéraux dépend du contexte géologique et des facteurs et processus physico- chimiques parfois complexes. Les minéraux ignés résultent de la cristallisation par refroidissement dun magma (liquide silicaté chaud). Les minéraux métamorphiques sont issus de la recristallisation de minéraux préexistants à la suite de contraintes thermodynamiques. En contexte exogène ou sédimentaire, ils émanent de la précipitation chimique ou biochimique et de laccumulation déléments consolidés par la diagenèse (compaction). 6- Classification Les minéraux naturels sont classés en deux grandes familles de référence, les silicates dune part et les non silicates dautre part. Au sein de ces familles, se trouvent des groupes et sous groupes despèces ayant en commun la même structure ou une composition chimique identique. Les silicates se reconnaissent par leur structure dont le motif chimique comprend un atome de silicium occupant le site crée par lempilement de quatre atomes doxygène placés au sommet dun tétraèdre. On classe les silicates sur la base du mode dassociation et dagencement dans lespace tridimensionnel des tétraèdres Si O4 (Figure 6). Les non silicates différent par labsence de ce type de structure et leur classification seront fonction de leur composition chimique. A- Classification des silicates (Figure 6) - Les nésosilicates= silicates à tétraèdres isolés ou indépendants Les espèces représentatives sont - Les péridots (olivine). SiO4 (Fe, Mg) Les grenats (composition chimique variable) Topaze : (SiO4) Al2 (OH, F)2 Les silicates d alumine (Andalousite, sillimanite, disthène): Si Al2O5 Les sorosilicates Leur structure est définie par des paires de tétraèdres partageant un de leur sommet. Dans ce groupe, les espèces sont rares dans la nature dont les espèces suivantes : Epidote (minéral hydraté de composition variable) 18 Vésuvianite - Les cyclosilicates La structure est cyclique sous forme danneaux de trois, quatre à six tétraèdres. Certaines espèces représentatives développent des pierres gemmes. La cordierite La tourmaline Le béryl - Les inosilicates Les tétraèdres sont associés en chaînes simples, en chaînes doubles ou encore en chaînes superposées ou condensées donnant une structure en ruban. La première structure concerne le groupe des minéraux appelés « pyroxènes », espèces anhydres tandis que la seconde intéresse le groupe des amphiboles, minéraux hydratés (présence deau sous forme [OH]-) ou hydroxylés. Le groupe des pyroxènes Les pyroxènes ferro-magnésiens : Hypersthène (Fe, Mg) Les pyroxènes calco-ferro- magnésiens : Augite (Ca, Fe, Mg) Les pyroxènes sodiques : Aegyrine (Na) Le groupe des amphiboles Amphiboles ferro- magnésiennes : Gédrite, anthophyllite Amphiboles calco- ferro-magnésiennes : Hornblende, actinote, trémolite Amphibole sodique : Riebeckite, Arfvedsonite - Phyllosilicates Ce sont des silicates en feuillet ou chaque feuillet résulte de la soudure de rubans de tétraèdres SiO4. En règle générale, les phyllosilicates sont hydratés ou hydroxylés. Leur composition chimique est variable et on distingue plusieurs groupes structuraux, des sous groupes et une diversité despèces qui expliquent léventail dapplication de ces minéraux. Les principaux groupes de phyllosilicates sont : Le groupe des serpentines et du talc La chrysotile : Mg3 [Si2 O5] (OH)4 Lantigorite : idem Le talc : Mg3 (Si4 O10) (OH)2 Le groupe des micas 19 Micas noirs : biotite= K2 (Mg, Fe) [Si2 AlO10 (OH, F)2]2 Micas blancs : muscovite= K2 Al4 [(Si3 AlO10 (OH)2]2 Micas vert : Chlorite (composition chimique variable) Le groupe des argiles Kaolinite : Al4 (OH)8 [Si4 O10] Montmorillonite Na (Al, Mg) [Si4O10 (OH)2]2 Vermiculite (même composition) La montmorillonite et la vermiculite sont des argiles qui se chargent deau en période humide et la libèrent en période sèche, entraînant une variation de volume du matériau. On les qualifie dargile gonflante, matériau préjudiciable aux ouvrages en génie civil. - Les tectosilicates Dans ces silicates, des anneaux de tétraèdres SiO4 édifient des charpentes stables. Le quartz= SiO2 Le feldspath potassique (orthose) Le feldspath sodi- calcique (Plagioclase) La liaison Si-O de la silice est forte ce qui rend le quartz « invulnérable » à laltération et présent à létat dans les sédiments. B- Les non silicates Sur la base de dénominateurs chimiques communs, plusieurs groupes de minéraux sont classés dans la famille des non silicates. - Le groupe des éléments natifs Or= Au Platine= Pt Diamant = C Graphite = C Soufre= S Arsenic= As Ces espèces sont naturelles monoatomiques et plus ou moins stables dans la nature vis-àvis de laltération. Certaines sont polymorphes avec une composition chimique identique et invariable mais des formes variables (Diamant cubique, graphite hexagonal). - Le groupe des sulfures Le soufre constitue lélément chimique commun des minéraux sulfurés ou sulfures. 20 Pyrite = Fe S2 Chalcopyrite= Cu Fe S2 Galène = Pbs Blende = Zns Arsénopyrite= FeAs S Cinabre = HgS Réalgar= As S Orpiment= As2S3 La chalcopyrite, la galène et la blende sont respectivement les minéraux de cuivre, plomb, zinc. - Le groupe des oxydes et hydroxydes Les minéraux représentatifs partagent en commun, soit loxygène et ou le radical [OH]pour la forme hydratée. Hématite : Fe2 O3 Magnétite : Fe3 O4 Chromite : Cr2 O3 Goethite : Fe O (OH) Diaspore : AlO (OH) - Le groupe des halogénures Il comprend les chlorures et les fluorures, groupe de minéraux qualifiés dévaporites Halite : NaCl Sylvite : KCl Fluorine: Ca F2 - Le groupe des carbonates Les carbonates sont des minéraux caractérises du point de vue chimique par des radicaux chimiques [CO3]2-. - Calcite= CaCO3 - Dolonite : Ca (CO3)2 Mg - Le groupe des sulfates Dans ce groupe, tous les minéraux sont composés de radicaux [SO4]2-. Anhydrite : Ca SO4 Gypse : CaSO4 2H2O Barytine= Ba SO4 21 - Le groupe des phosphates La composition chimique des espèces représentatives est fondée sur la présence de radicaux [PO4]. - Apatite= Ca5 (PO4)3 (OH, F, Cl) - Le groupe des tungstates Loxyde de tungstène [WO4) entre dans la composition de rares minéraux dont les plus importants sont : - Scheelite= Ca WO4 - Wolframite= (Fe, Mn) WO4. 7- Utilité des minéraux Les minéraux constituent la principale source des matières premières minérales dans divers secteurs dont lartisanat, le commerce, lindustrie, la santé, lagriculture et lénergie. Lindustrie de chimie produit des acides à partir de chlorures (NaCl) et de sulfures (Pyrite), des insecticides et autres peintures à base dargile ou de carbonate (chaux). Dans le domaine de lagriculture on valorise essentiellement les phosphates, les carbonates et les chlorures (évaporites) pour la fertilisation des sols pauvres. La production de plâtres par échauffement du gypse, lutilisation de métaux précieux (Au, Pt) en médecine dentaire et de largile en pharmacie et cosmétique montre lintérêt des minéraux dans le domaine de la santé. Lalimentation animale et humaine implique des produits minéraux spécifiques (chaux/dolomite, NaCl.). Le commerce de la joaillerie fondée sur la valorisation des pierres gemmes et fines (Rubis, saphyr, émeraude) est pour certains pays, source dimportantes devises. Les minéraux radioactifs sont les principales sources de matières premières des centrales nucléaires dans la production dénergie. 8- Minéraux et environnement De nombreux minéraux participent à la pollution de lenvironnement à létat naturel par altération ou par lintermédiaire de lactivité anthropique (Mines, carrière). Le groupe des sulfures intégrant les espèces à arsenic (Arsémopyrite, réalgar, orpiment) à mercure (Cinabre) ou à plomb (galène) constitue les sources potentielles de pollution (sols, eaux souterraines ou de surface). Il faut inclure aussi larsenic natif ou combiné aux oxydes, aux phosphates et carbonates. Lamiante est une variété de phyllosilicates longtemps exploité dans lindustrie du bâtiment comme isolant thermique sest avéré comme un matériau toxique pour la santé humaine (maladies respiratoires latentes, problème de santé publique des 22 temps modernes). Létude des argiles revêt une certaine importance en ce sens que certaines espèces présentent des structures susceptibles de piéger des métaux lourds liés aux déchets industriels (Boue industrielle). VI- LES PRINCIPALES FAMILLES DE ROCHES DE LA LITHOSPHERE La lithosphère terrestre (croûte+ manteau supérieur) est constituée selon les investigations géochimiques, géophysiques et pétrographiques de trois principales familles de roches. - la famille des roches magmatiques - la famille des roches métamorphiques - la famille des roches sédimentaires Les deux premières familles de roches, prennent naissance en profondeur et la dernière se forme à la surface de lécorce terrestre. On les qualifie respectivement de roches endogènes et exogènes. Roches magmatiques et métamorphiques constituent le socle des boucliers et sont associées dans les chaînes orogéniques tandis que les roches sédimentaires occupent les bassins ou se déposent à la surface de lécorce. Les roches magmatiques ou ignées sont issues de la cristallisation par refroidissement dun magma (liquide silicaté chaud) formé par la fusion partielle (anatexie) de roches pré existantes. Leur mise en place dans lécorce est brutale ou soudaine et on leur attribue le qualificatif de roches éruptives avec des variantes intrusives (intrusion, pluton) ou extrusives (extrusion, volcans). Les roches métamorphiques proviennent de la recristallisation sous laction de la pression et de la température de roches pré-existantes (anciennes roches sédimentaires, ignées ou métamorphiques. Les roches exogènes résultent de la sédimentation par précipitation chimique ou biochimique et par accumulation détritique ou organique. Au sein de ces familles de roches, la classification des différents faciès utilise des critères divers comme la composition minéralogique et chimique, lorigine, la profondeur et le mode de formation ou de mise en place. A- Les roches magmatiques 1- Modes de classification Il existe une diversité de roches magmatiques dans la nature et leur classification sappuye sur des critères géologiques suivants 1-1- Classification selon le mode de mise en place 23 La profondeur de mise en place et le mode de refroidissement déterminent la classification des roches ignées en trois groupes. - Le groupe des roches plutoniques Le refroidissement lent des magmas génère des massifs plutoniques ou plutons en profondeur correspondant soit à des batholites ou à des laccolites. - Le groupe des roches volcaniques Les roches volcaniques sexpriment sur les continents et dans les fonds marins sous forme dépanchement (coulées, laves) ou de projections. Elles résultent de la solidification par refroidissement rapide et brutal du magma en contact avec latmosphère. - Le groupe des roches subvolcaniques Leur mise en place se déroule en milieu souterrain par refroidissement moins rapide ou modéré du magma à travers les fissures ou fractures de lécorce. Elles forment généralement des filons dextension variable. 1-2- Classification en fonction de la texture La texture qui est le reflet de la taille et de la forme des grains minéraux est un critère discriminant des roches ignées et entre ces dernières et les autres types de roches de la lithosphère. - Les roches plutoniques Roches holocristallines, elles se caractérisent par une cristallisation complète de toutes les phases minérales à létat de grain (Reconnaissable à loeil nu). La texture est grenue dans ce groupe de roches (granite, granodiorite, syénite), mais selon la taille du grain, elle est peut être apolitique (grains fins/ minéraux de taille inframillimérique) ou pegmatitique (grenu grossier/ minéraux de taille >1cm) ou porphyroïde (mélange de fins cristaux et des cristaux grossiers > 0,5cm). - Les roches volcaniques Le taux de cristallisation étant nul ou faible, peu ou de rares minéraux ont cristallisé à léchelle macroscopique. A cette échelle, on distingue la texture aphanitique ou aphyrique (Pâte homogène). La texture porphyrique avec des phénocristaux (<1cm) pris dans une pâte où fond où mésostase aphanitique. La texture vitreuse ou hyaline est associée aux verres volcaniques (obsidienne). A léchelle microscopique, la texture est microlitique (agrégat de microlites/ fines baguettes ou aiguilles de minéraux/ Plagioclase et ferromagnésiens) ou microlitique porphyrique en présence de cristaux grossiers dans la pâte, toutes caractérisent les roches volcaniques (Rhyolite, andésite, basalte). 24 - Les roches subvolcaniques Leur texture est microgrenue ou microgrenue porphyrique a l'oeil nu, le grain reste dans lensemble très fin mais tout de même identifiable au microscope. Les roches représentatives ont des noms précédés du terme micro (microgranite, mcirodiorite, microgabbro) 1-3. Classification en fonction de la composition chimique Les roches magmatiques peuvent être classées en fonction de leur acidité, en relation avec leur teneur en silice (SiO2%) ou en fonction de leur alcalinité (Na2O%= Soude et K2O% (Potasse), oxydes obtenus par analyse * Selon lacidité SiO2% On distingue 4 catégories de roches ignées - Les roches acides : SiO2% > 65% (granites, granodiorites, ryhyolite, rhyodacite) - Les roches intermédiaires ou neutres 50% ≤ SiO2% ≤ 65% (Diorite, tonalite, andésite, dacite) Les roches basiques 50% ≤ SiO2% ≤45% (Gabbro, basalte) Les roches ultrabasiques SiO2% < 45% (Péridotite, pyroxénite) - Selon de l’alcalinité On distingue deux groupes - Le groupe des roches alcalines (granite alcalin, syénite, phonolite, trachyte) - Le groupe des roches non alcalines, pauvres en alcalins (Na2O+ K2O) (Tonalite, andésite, diorite gabbro) 1.4- Classification en fonction du pourcentage des minéraux Elle est basée sur le pourcentage des minéraux colorés ou sombres ou ferro- magnésiens (biotite, amphibole) pour les roches plutoniques acides, pyroxène et olivine pour les roches plutoniques basiques à ultrabasiques. Il en découle, cinq principales catégories de roches. - les roches hololeucocrates (0-10% de minéraux colorés (cas des granites alcalins, syénites) - les roches leucocrates (10-35%) de minéraux colorés (Monzogranite, granodiorite) - les roches mésocrates (35-65%) (Diorite, tonalite) - les roches mélanocrates (65-90%) (Gabbro) 25 - les roches holomélanocrates (90-100%) (Roches ultrabasiques) Dautres classifications minéralogiques tiennent compte de la présence et de labondance et association des minéraux clairs (quartz, plagioclase, feldspath potassique, feldspathoïde (Tableau 3). 2- Description de quelques roches magmatiques - Le granite Roche très répandue dans la nature, il forme des massifs plutoniques de forme et de taille variables, localisés à des profondeurs variables au sein de lécorce terrestre. Sa composition minéralogique est dominée par le quartz et les feldspaths (orthose ± plagioclase), minéraux caractéristiques des roches acides. Les micas (biotite, muscovite) et les amphiboles sont présents en quantité moindre. Sa texture est grenue isogranulaire à hétéro granulaire (porphyroïde). Les granites intrudent les séries sédimentaires ou volcano- sédimentaires et les transforment en roches métamorphiques de contact. Ils sont traversés par des filons de quartz, aplite et pegmatite. La rhyolite à texture microlitique est léquivalent volcanique tandis que le microgranite correspond au terme subvolcanique des granites. Granite, rhyolite et microgranite ont la même composition minéralogique et chimique mais diffèrent par leur mode de formation et profondeur de mise en place. Ils appartiennent à la même famille des granitoïdes. - Le basalte Les basaltes à linstar des granites, forment de puissants épanchements fluides dans les fonds océaniques et sur les continents (basaltes des plateaux). Le basalte est une roche sombre dense et présente une texture aphanitique ou porphyrique ou encore microlitique. Sa composition minéralogique déterminée au microscope est marquée par la richesse des minéraux ferro-magnésiens (Pyroxène ± olivine ± amphibole) associés à des plagioclases calciques. La magnétite (Fe3O4= oxyde de fer) est le principal minéral accessoire à l’état disséminé dans la roche. Cette composition minéralogique inscrit les basaltes parmi les roches basiques 50% ≤ SiO2% ≤45%. 26 B- Les roches métamorphiques 1- Définition Le métamorphisme est lensemble des transformations subies par une quelconque roche pré existante soumise à des conditions P.T différentes de celles qui ont présidé à sa formation initiale. Il saccompagne de transformations minéralogiques et de modifications de texture par recristallisation. 2- Les facteurs du métamorphisme Quatre facteurs inter- agissent à des intensités variables et à un moment donné pour générer des roches métamorphiques - la température - la pression - les fluides géologiques (CO2, H2O) - le temps 3- Les différents types de métamorphisme Les facteurs P, T déterminent trois principaux types de métamorphisme - Le métamorphisme de contact Il est principalement induit par la température émise par les plutons granitiques intrusifs dans les sédiments et dautres formations géologiques. - Le métamorphisme régional Contrairement au métamorphisme de contact qui a un caractère local car exclusivement développé autour des plutons, le métamorphisme régional est associé aux chaînes orogéniques de grande extension. Dans tous les cas, ces deux types de métamorphisme se rencontrent dans les chaînes plissées anciennes ou plus jeunes, sous le contrôle constant de la pression et de la température. - La métamorphisme dimpact La pression exercée par la chute de météorites sur les roches de lécorce terrestre, entraîne un métamorphisme dimpact avec recristallisation de nouveaux minéraux de haute pression et formation de roches spécifiques (impactites, tectites). 4- Critères de reconnaissance 27 Les roches métamorphiques sidentifient par leur paragenèse minérale (minéraux formés dans les mêmes conditions P, T) et aussi par leur texture et structure. - Texture Une variété de texture se développe avec la recristallisation minérale dans les roches métamorphiques. La texture la plus classique est granoblastique ou cataclastique pour les roches soumises à la déformation ductile ou cassante. - Structure On observe dans les roches métamorphiques plissées trois types de structure affectés à des faciès précis. La foliation, la schistosité, la linéation. * La foliation se traduit par lalternance de rubans clairs composés de minéraux blancs (quartz, feldspath) et de rubans sombres formés de minéraux ferro magnésiens (Biotite, amphibole). Cette structure est typique des roches appelées « gneiss ». * La schistosité Cette structure caractérise les roches feuilletées ou à débit en feuillet comme les schistes. * La linéation Cette structure linéaire sexprime par lorientation préférentielle de minéraux aciculaires (en aiguille) ou en baguette (amphibole, silicates d'alumine) 5- Classification des roches métamorphiques régionales Peu de critères de classification est mis en oeuvre pour la classification des roches métamorphiques, toutefois selon les conditions P,T de formation et de la profondeur, on peut distinguer trois groupes de roches métamorphiques régionales - Les roches métamorphiques de l'épizone Dans cette zone, se développent des roches du faciès schiste vert formées dans les conditions de basse P et T (cas des schistes) à faible profondeur, dérivés du métamorphisme des sédiments ou danciennes roches ignées. - Les roches métamorphiques de la mésozone Ensemble de roches formées dans la zone intermédiaire de lécorce sous les conditions du facies amphibolite, c'est-à-dire moyenne pression et température. Les amphibolites sont des roches métamorphiques formées dans ces conditions aux dépens des roches basiques (basalte, gabbro) et les gneiss aux dépens des granites et sédiments fins (pélite). - Les roches métamorphiques de la catazone 28 Elles appartiennent à la zone profonde du métamorphisme ou les conditions P et T sont très intenses, conduisant à la formation de roches hautement métamorphiques (granulite, charnockites). 6- Exemples de roches métamorphiques a- Roches métamorphiques de contact Les cornéennes se reconnaissent par leur nature compacte et massive, leur couleur sombre, le grain fin et la cassure conchoïdale. Les quartzites se distinguent des précédentes par leur couleur claire et leur aspect granuleux. Ces termes existent aussi en contexte du métamorphisme régional. b- Roches du métamorphisme régional (Tableau 4) On entend par séquence métamorphique, une série de roches métamorphiques formées dans des conditions P, T variables à partir dune même roche mère. Si la roche mère est dorigine sédimentaire, la séquence métamorphique est dite « para dérivée » et si elle ignée on parle « dortho dérivée ». - Les schistes : la schistosité est la structure commune aux schistes. Selon la nature des minéraux dominants, on distinguera les talcschistes (minéral dominant= talc) les séricitoschistes ou schiste à séricite (variété de micas blanc), micaschiste ou schiste à deux micas (muscovite+ biotite). - Les gneiss : le rubanement ou foliation discrimine ce groupe de roches des autres. Les minéraux essentiels sont le quartz, les feldspaths, micas et amphiboles. Les minéraux purement métamorphiques associés à ces espèces minérales sus- citées sont le grenat et le disthène (silicate dalumine). - Les amphibolites. Ce sont des roches métamorphiques à grain fin, de couleur verte ou noire et denses Le minéral dominant est lamphibole verte. c- Les roches sédimentaires Dans les bassins, (Mer, océan, lac) les sédiments se déposent par ordre chronologique et forment des séquences et des séries caractérisées par leur structure litée ou stratifiée. La stratification ou le litage sont les marqueurs structuraux des roches sédimentaires. Le processus de formation, le milieu de formation, la nature et la composition chimique ou 29 minéralogique, la taille du grain servent de critères didentification et de classification des roches sédimentaires ou exogènes. 1- Classification 1-1- Selon le mode de formation Les roches sédimentaires émanent de trois lignées ou processus de formation (Figure 6). La lignée détritique, la lignée chimique, la lignée biochimique/ organique qui conduisent à la distinction de trois catégories de roches exogènes. - Les roches sédimentaires détritiques formées par accumulation de débris de minéraux et de roches. Elles sont soit meubles (sable) ou consolidées (grès) - Les roches sédimentaires chimiques qui résultent de la précipitation de substances chimiques à létat dissous (cas des carbonates) ou par évaporation de solutions salines (Roches salines ou évaporites). - Les roches sédimentaires biochimiques et organiques dérivent de laction des êtres vivants ou de laccumulation directe de restes dorganismes (tests de radiolaire), diatomites (les diatomées), les phosphates (ossements de poisson) ou par la transformation bactérienne et physico- chimique de la matière organique (charbon, pétrole). 1-2- Classification selon la composition chimique Les différents types de roches sédimentaires chimiques quelque soit leur source sont les suivants : - Roches siliceuses (silex, sable, grès, radiolarite) - Roches carbonatées (calcaire, dolomie) - Roches argileuses (argile) - Roches salines (halite= NaCl, Sylvite =KCl, Gypse) - Roches phosphatées (phosphate calcique) - Roches ferrifères (bauxite, latérite) - Roches carbonées (tourbe, lignite, houille, schiste bitumineux, charbon, pétrole) 1-3- Classification spécifique des roches sédimentaires détritiques Elle revêt une importance capitale pour les travaux daménagement car elles constituent la principale source de matériaux de construction, mais à lopposé forment des 30 terrains dune grande instabilité géotechnique. Leur classification se fonde sur la granulométrie (taille du grain), leur caractère meuble ou consolidé et la nature du ciment ou du liant des grains. Les trois classes granulométriques essentielles ont été distinguées. (Tableau ) - La classe des rudites (débris grosseirs : galet, gravier, bloc, poudingue, conglomérat). - La classe des arénites (débris fins : sable, grès) - La classe des lutites (débris très fins, microscopiques : vase, shale, argile, pélite). 2- Mode de formation des roches résiduelles ou ferrugineuses On les regroupe sous le terme de roches ferro- alumineuses ou alumineuses connues sous les noms de « latérite » et de « bauxite » respectivement exploitées pour la production de pierres dimensionnelles ou pour le fer ou laluminium. Sous climat tropical humide, les roches cristallines et cristallophylliennes (basalte, granite, syénite, gneiss) constituées de feldspath et minéraux ferromagnésiens), subissent une hydrolyse active qui entraîne une libération complète et mise en solution totale des alcalins, alcalino-terreux et partielle pour le Si, Fe et Al. La concentration du fer à létat doxyde et dhydroxyde au détriment de laluminium en période sèche donne par induration des carapaces et cuirasses ferrugineuses ou latéritiques pauvres en laluminium. Un lessivage intense élimine pratiquement tous les éléments dont le fer et laisse in situ de laluminium qui par des processus dinduration forme la bauxite. La « latérite » est de couleur rouge brique car composée doxyde de fer (hématite) et dhydroxyde de fer (goethite) plus ou moins associés au quartz et kaolinite de néoformation en faible proportion. La bauxite est de teinte rose ou blanchâtre, pauvre en quartz, en argile et en oxyde de Fe- Ti, mais riche en aluminium. 3- Critères de reconnaissance des roches sédimentaires Elles se déposent en couches, bancs ou en strates de puissance (épaisseur) et géométrie variables (direction, inclinaison). Litage et stratification sont des structures caractéristiques des roches exogènes. Pour les roches détritiques, leur caractères meuble ou consolidé, la taille du grain, la nature de ciment qui varié selon les contextes géologiques facilitent leur reconnaissance. VII- LA DEFORMATION DES ROCHES Introduction 31 Les formations géologiques de lécorce terrestre malgré leur rigidité apparente se déforment de façon cassante ou fragile par rupture ou fractures appelées « faille », ou de façon ductile ou souple exprimée par des plis provoqués par des contraintes physiques (force, pression) exercées dans les trois dimensions de lespace. La déformation des roches est fonction de leur compétence et de lintensité des contraintes. Pour lessentiel, elle se déroule dans les premiers niveaux de lécorce terrestre. Létude de la déformation relève de la géologie structurale ou de la tectonique. 1- Déformation cassante Une faille est un accident qui se traduit par une rupture ou une cassure affectant les formations géologiques compétentes en un point ou zone de lécorce terrestre. Elle peut avoir une extension locale, régionale ou continentale. Elle saccompagne dun déplacement relatif dun bloc ou dun compartiment suivant une direction donnée appelée « rejet » qui selon le type de failles peut être oblique, vertical, latéral ou horizontal. Lextension du rejet est soit métrique ou kilométrique. Le déplacement des blocs se passe le long dune surface ou plan qualifié de miroir de faille. Les failles normales ou directes à déplacement oblique ou vertical, marqué par un affaissement ou effondrement relatif de blocs en surface (Figure 8) - Les failles inverses ou chevauchement avec les mêmes types de rejet, mais avec une remontée relative des blocs. - Les failles décrochantes ou failles de coulissement ou tout simplement décrochement liées à des mouvements ou déplacements horizontaux des blocs (rejet horizontal). 2- Déformation souple Par les mécanismes de flexion ou de torsion, les roches peu compétentes ou incompétentes forment des plis dextension variable sur le terrain (mm, m, km). Un pli se définit par une charnière (zone de courbure maximale) et des flancs. La classification des plis est fonction de la géométrie du plan axial ou plan bissecteur passant par la charnière, ou de lépaisseur relative de la cette charnière et du flanc du pli ou encore du caractère symétrique ou dissymétrique de ce dernier. La classification la plus courante à léchelle macroscopique est celle qui utilise la géométrie du plan axial par rapport à lhorizontal. Ce critère permet de distinguer quatre types de plis (Figure 9). - Les plis droits marqués par un plan axial vertical - Les plis déjetés avec un plan axial oblique 32 - Les plis déversés avec un plan axial faiblement incliné - Les plis couchés caractérisés par un plan axial horizontal. 3- Déformation à léchelle mégascopique Dans les chaînes orogéniques, la déformation souple de grande extension développe des structures régionales caractérisées par des alternances de plis synclinaux et anticlinaux. Un pli anticlinal se reconnaît par une concavité tournée vers le bas et un pli synclinal par une concavité tournée vers le haut. En recherche appliquée, les plis anticlinaux sont les piéges potentiels des gisements dhydrocarbures. De même dans certaines régions ou la déformation cassante est très active et marquée par une fracturation intense, lassociation de failles normales et inverses, développe des mégastructures correspondant respectivement à des grabens (fosses) et à des horsts (Bombement) (Figure 10). Les rifts continentaux entraînent la formation de graben et linstallation de lacs (cas des rifts Est- Africains) et des mers à un stade avancé du rifting (formation de rift). VIII- EROSION ET ALTERATION DES ROCHES, FORMATION DES SOLS Introduction Les roches exposées aux agents atmosphériques (eau, vent, glaciers) et aux facteurs physiques (température, gravité) subissent une désagrégation soit physique ou chimique communément appelée érosion ou altération. Ces mêmes agents jouent un rôle important dans le transport et le dépôt des éléments chimiques ou minéraux et participent à la genèse des roches sédimentaires et à la formation des sols ou pédogenèse. Certaines formes de relief résultent de ces processus de désagrégation. 1- Désagrégation mécanique 1-1- Action de la température Elle est liée aux amplitudes thermiques (variation diurne et nocturne) qui entraînent des dilatations et des contractions des roches homogènes et hétérogènes et leur dislocation. Dans les premiers, léclatement des minéraux provoque une fragmentation et dans les seconds la desquamation (écaillage des roches). 1-2- Action de l'eau 33 Leau gelée dans les pores ou les fissures des roches accentue leur éclatement au moment du dégel et par conséquent leur désagrégation. La perte deau des argiles gonflantes en période sèche a pour corollaire lapparition de fentes de dessiccation ou de retrait. Les eaux courantes ou de ruissellement érodent les roches et créent des ravinements, élargissent et creusent les lits des cours deau en emportant la matière minérale. 1-3- Action du vent Lérosion éolienne est active dans les régions désertiques ou arides dont le couvert végétal est médiocre ou absent. Laction du vent se résume à un balayage des éléments fins, produits de désagrégation superficielle des roches en abandonnant les fragments lourds qui constituent les regs ou hamadas. La corrasion consiste à la désagrégation des roches (création de crevasses, alvéoles) par des chocs répétés de projectiles minéraux entraînés par le vent. 1-4- Action de la gravité Le déplacement de masse rocheuse est contrôlé par laction conjointe de plusieurs agents. Leau facilite le déplacement de la matière, la pente du relief accentue laction de la gravité. Dans les terrains abrupts à pente forte et sous laction de la gravité, des fragments de roche de taille variable, se détachent et saccumulent vers le bas pour former des éboulis. Dans les mêmes circonstances, pour des terrains fortement diaclasés ou reposant sur des niveaux saturés deau, il se produit un déplacement brutal de masse importante de roches vers le bas qualifié déboulement. On parle de glissement lorsque le déplacement de cette masse est lent et discontinu. On appelle « solifluxion » le glissement de sol imbibé deau, formé en zone polaire par le processus de désagrégation mécanique (gel et dégel). Les coulées de boue correspondant à des glissements de matériaux fins argileux en particuliers, saturés en eau après de fortes pluies successives. 2- Désagrégation chimique ou altération chimique Les eaux dinfiltration jouent un rôle déterminant dans laltération chimique des roches dautant plus efficace quelles sont acides, chargées doxygène ou de CO2. Les principales actions inhérentes aux agents atmosphériques sont : - Oxydation Elle affecte les minéraux ou le fer est un élément important ou prépondérant, notamment dans les sulfures de fer, en les transformant en oxyde. Dans le processus de 34 cuirassement latéritique, l'oxygène joue un rôle fondamental dans laltération des minéraux ferro-magnésiens (biotite, amphibole, pyroxène). - Hydratation Elle consiste à labsorption deau par des phases minérales et leur transformation en nouvelle phase « stable » Anhydrite + eau = gypse Ca SO4+ nH2O = CaSO4 nH2O - Hydrolyse Avec l'hydrolyse, les roches cristallines et cristallophylliennes subissent un lessivage avec mobilisation des éléments chimiques majeurs (Na+, K+, Ca2+) à faible potentiel ionique pour les cartions solubles (Figure 11a) accompagné d'hydratation et formation dhydrolysats (Fe, Mg, Si). On a une néoformation de silicates riches en aluminium à partir dautres phases comme les feldspaths transformés en argile, les micas noirs transformés en chlorite, les pyroxènes et amphiboles transformés en talc et en chlorite, les péridots en serpentine. Ce type daltération dit « sialique » se produit sous laction deau riche en gaz carbonique. - Dissolution Les chlorures (NaCl, KCl) et les sulfates de calcium (gypse et anhydrite) sont dissous par leau pure. Les eaux chargées de CO2 sont efficaces dans la dissolution des roches carbonatées (calcaire, dolomie). En climat tropical, l'agressivité de leau est amplifiée ce qui conduit à une destruction totale des feldspaths et favorise la formation des hydrates d'alumine (AlO(OH)= Diaspore). Ce type daltération appelée « alitique », complète laltération « sialitique » dans le processus de cuirassement ferrugineux. Eléments alcalins (Na+, K+) et alcalino-terreux (Ca2+, Mg2+) à létat dissous dans leau, précipitent pour donner des évaporites et carbonates et aussi des sulfates (Figure 11b). 3- Altération des granites En climat tempéré, les granites (quartz, plagioclase, orthose, micas) fissurés, sous laction de leau subissent une légère altération marquée par lhydrolyse partielle des feldspaths avec lessivage des cations Na+, K+, Ca2+ et leur fixation dans la structure des micas par substitution inter-atomique. L'hydratation des micas crée des micro contraintes internes qui provoquent la fragmentation mécanique des grains minéraux. La superposition d'une altération chimique même légère et une désagrégation mécanique entraînent une diminution 35 de la cohésion des minéraux des granites et les rendent meubles. Ce processus de désagrégation porte le non darénisation et les produits correspondent à des arènes, formations relativement meubles qui conservent globalement la composition de la roche mère. En climat tropical, lhydrolyse grâce à des eaux acidifiées et agressives est plus active dans les formations granitiques et donnent un profil daltération souvent épais de plusieurs dizaines de mètres, organisé en niveaux, couches ou horizons qui sordonnent de la façon suivante de bas en haut (Figure 11c) - Roche mère saine : granite sain - Roche désagrégée : altération mécanique dominante avec formation darène - Lithomarge : horizon à dominante argileuse avec néoformation dune phase kaolinitique importante (altération des feldspaths) et tacheté doxyde de fer. La structure et la texture de la roche mère sont encore reconnaissables. - Argile rouge : cet horizon est marqué par un lessivage complet des alcalins et alcalinoterreux, suite à une hydrolyse intensive avec concentration importante de laluminium (gibbsite= Al (OH)2) et du fer (Goethite = FeO (OH). - Cuirasse ferrugineuse à ferro- alumineuse : cet horizon se reconnaît par sa couleur rouge brique, riche en gibbsite, goethite et kaolinite. - Sol horizon daccumulation avec développement de sol à concrétion siliceuse, hydroxyde daluminium, kaolinite. 4. Notion de pédogenèse 4-1- Définition - La pédologie cest la science qui étudie les sols à travers l'analyse des caractères morphologiques, physico-chimiques et biologiques et les conditions générales de leur formation ou en dautres termes la pédogenèse. - Le sol : il se définit comme un complexe organo- minéral, un produit généralement meuble composé dune fraction minérale (quartz inaltérable, argile (kaolinte, montmorillonite, vermiculite, illite) et des substances chimiques (ions solubles ou fixés par les argiles) et de la matière organique dorigine végétale (feuille, racine, fruit), rarement animale, le tout transformé en humus ou en composé humique (acides humiques) et produits azotés. Cet humus se transforme ultérieurement en sels ammoniacaux par ammonisation et en nitrates par nitrification. 36 4.2- Mode de formation Les sols résultent de la désagrégation physique (Fissuration) et de laltération chimique dune roche mère sous laction de leau agressive riche en gaz ou acidifiée et des êtres vivants (végétaux, animaux) et de micro-organismes (mousses, lichens, champignons, bactéries). IX- ELEMENTS DE GEOMORPHOLOGIE La géomorphologie se charge de létude du paysage, formes et modèle qui dépendent de la nature des matériaux, de leur structure et de laction des agents atmosphériques. Chaque terrain a un modelé caractéristique des phénomènes géologiques et climatiques. 1- Les terrains sédimentaires Les terrains gréseux montrent un paysage ruiniforme (pic, enclume, cuesta), modelé lié à laction de leau en milieu fissuré et stratifié. Dans les terrains carbonatés, la dissolution est un processus majeur à la base de la formation dun système karstique (karst) dont le processus est désigné sous le terme de karstification. Ce système comprend des vallées, grottes ou cavernes. La dissolution superficielle crée des sillons étroits appelés lapiaz et des dolines disséminées, de petites dépressions en forme dentonnoir. La fusion de dolines donne des uvalas de grande extension (métrique à kilométrique) ou de taille intermédiaire appelées jamas ou abimes (puits béants). 2- Les terrains plutoniques et métamorphiques Les granites et gneiss présentent une variété de paysages ou modelés typiques - Les aiguilles : ce sont des massifs de roche saine, lisse, fracturée, hauts de plusieurs dizaines de mètres avec un débit cubique. - Les pains de sucre. Dans les régions tropicales, les massifs granitiques sont sculptes avec des formes courbes et plus ou moins désagrégées en pelure dorange. - Les tors : ce sont des accumulations de boutes arrondies reposant in situ sur les inselbergs granitiques. - Inselberg. Ce sont des buttes isolées de granite au sein de vastes aires darène (roche altérée) et de sable, modelé caractéristique des plaines granitiques. 37 3- Terrains volcaniques Le volcanisme est un phénomène complexe dont lactivité varie dans le temps et dans lespace. Les édifices sont fonction de la nature des produits accumulés et de lhistoire et dynamisme du volcan. Les coulées basaltiques tendent à cicatriser les vallées où à former des nappes ou des plateaux associés au volcanisme fisural. Les laves visqueuses généralement acides (rhyolite, trachyte) édifient des dômes ou des aiguilles. Les projections volcaniques de nature variée (cendres, scories, bombes) saccumulent autour du cratère et développent des cônes de pente variable. Les explosions volcaniques liées au comportement des gaz génèrent des cratères souvent occupés par des lacs. Les éruptions volcaniques répétées et intenses déposent un volume important de produits autour des cheminées creuses qui finissent par seffondrer pour donner des caldeiras, vaste dexpression circulaire. 4- Terrains déformés a- Terrains faillés Les associations de failles normales créent des dépressions appelées fosses ou grabens (Rhénan, Afrique de lEst) alors que les failles inverses développent des bombements ou horst (Vosges). Les failles radicales conduisent à des affaissements et à la formation de cratères deffondrement. b- Terrains plissés Les terrains plissés à grande échelle alternent des mégaplis anticlinaux et synclinaux correspondant du point de vue géomorphologique respectivement à des bosses ou à des dômes à des cuvettes ou vaux. X- NOTION DE GEOCHRONOLOGIE 38 Introduction Pour retracer lhistoire de la terre, objet de la géologie, la mesure du temps ou de lâge des roches revêt une importance capitale. Elle donne lieu à une science appelée « géochronologie » qui se subdivise en deux branches, la géochronologie relative et la géochronologie absolue, qui toutes utilisent diverses méthodes pour déterminer lâge des formations ou événements géologiques. 1- La géochronologie relative En géochronologie relative, la datation va consister à situer un événement géologique par rapport à un autre ou dune formation par rapport à une autre, la plus ancienne ou vieille ou la plus jeune et récente. Elle sappuie sur les méthodes et principes de la stratigraphie, en particulier la lithostratigraphie (chronologie des strates géologiques) la biostratigraphie (chronologie fondée sur les fossiles marqueurs du temps), la chronostratigraphie (chronologie des événements géologiques). La stratigraphie est une science qui étudie lorganisation des strates ou couches de terrain dans le temps et dans lespace, en vue détablir la chronologie des sédiments. 1-1- La lithostratigraphie Le principe de superposition ou dhorizontalité stipule que la formation ou la couche la plus ancienne dans un dépôt de sédiments se trouve à la base, la plus récente au sommet. Il ne sapplique pas aux terrains renversés ou verticaux ou basculés et aux terrasses alluviales. 1-2- La biostratigraphie La chronologie des couches géologiques est établie en utilisant les fossiles marqueurs du temps, encore appelés fossiles stratigraphiques dont les formes vivantes ont eu un laps de temps dexistence court et une extension régionale considérable : cas des trilobites (fossiles darthropodes) qui ont marqué lère primaire, les ammonites (fossiles du groupe des mollusques) pour lère secondaire, les mammifères pour lère tertiaire. 2- Géochronologie absolue Un élément radioactif père ou parent ou ascendant (radiogène) instable se désintègre au cours du temps en produisant un élément fils (isotope radiogénique) généralement stable 39 avec émissions de particules α (Noyaux d’hélium), β- (électron), β- (positon) et des rayonnements électromagnétiques. La géochronologie absolue ou radio chronologie donne une datation chiffrée d’un événement en nombre d’années, basée sur le taux de désintégration radioactive impliquant les horloges isotopiques et chimiques. Elle applique les lois mathématiques et utilise une variété de méthodes. 2-1- Les lois et les paramètres Dans un système clos, si le nombre déléments radioactifs est N, la quantité dN qui se désintègre pendant un intervalle de temps dt telle que dN _______ dt = λN (équation 1) Soit No la quantité initiale à l’instant to de noyaux radioactifs. Le nombre de noyaux radioactifs au temps t, s’obtient en intégrant l’équation N= No e-λt (equation 2) No __________= 1/e-dt N On appelle période ou demie- vie, le temps nécessaire pour qu’une quantité initiale d’éléments radioactifs No diminue de moitié 1/2= 1/e-λt (équation 3) Ln (1/2)= ln (1/e-λt ) ln2 0,69 325 La période T=_________= _________ λ λ Chaque isotope radioactif se caractérise par sa période T et sa constante de désintégration λ par unité de temps qui est invariable quelque soit les conditions thermo-dynamiques et le contexte géologique. 2.2. Différents types de radioactivité 40 Chaque chronomètre radioactif dispose d’un type de radioactivité qui se traduit soit par des émissions de particules &, β+, β - ou une série de particules, lorsqu’il s’agit d’une famille radio active. - Radioactivité de type & : émission de particules d’hélium 24He du noyau de l’élément parent 147 Sm → 62 143 Nd + 24He 60 λSm= 6,54.1012 ans-1 T= 1,06 .1011 ans 87 Rb Radioactivité de type β- émission d’un électron par le noyau parent ou ascendant → 37 Sr + β- 87 38 λRb= 1,42.10ans-1 T= 48,8.109 ans - Radioactivité de type β+ ou type K : émission d’un position, par transformation d’un proton en neutron, suite à une capture d’un électron de la couche K. β+ 40K → 40 Ar T= 1 ,25.109 ans 2-3- Méthodes de datation Les noyaux radioactifs ou parents instables donnent par désintégration des éléments fils stables. Le couple parent- fils définit un chronomètre avec une constante et une période caractéristiques. Sur cette base, plusieurs méthodes de datation absolue ont été mises au point. - La méthode rubidium (Rb)- strontium (Sr) - La méthode Samarium (Sm)- Néodyme (Nd) - La méthode uranium (U)- Plomb (Pb) - La méthode potassium (K)- Argon (Ar) 2.4. Modes de datation Pour mesurer lâge absolu dun événement ou dune formation géologique, on procède par lanalyse des isotopes et on calcule les rapports isotopiques de cet élément chronomètre, sachant quil existe une relation entre les teneurs de ces éléments et le temps, donc lâge. Deux modes de datation sont utilisés pour obtenir lâge, âge conventionnel 41 (choix de paramètres arbitraires) peu précis et ponctuel et les âges par isochrone qui sont les plus fiables Les équations suivantes ont été établies. - Age conventionnel t= 1/λ ln (1+D/A) λ= constante de désintégration de l’élément radioactif D= quantité de l’élément radiogénique à l’instant t A= quantité résiduelle de l’élément radioactif à l’instant t Certains paramètres étant arbitraires dans la datation, l’âge obtenu est qualifié de ponctuel ou conventionnel. Il porte sur un échantillon (minéral, roche) - Age par isochrone Une isochrone est une droite dégal temps pour un groupe déchantillons de même âge et de même source ou origine. Il est déduit de léquation suivante, qui établit une relation entre lâge et les quantités relatives des noyaux radioactifs résiduels et radiogéniques accumulés. Cette équation radiométrique équivaut à une équation de droite dont la pente a=eλt-1 donne lâge de la formation ou de lévénement géologique avec une marge derreurs mesurée. D= Do+ A (eλt-1) D : quantité de lélément fils accumulé à linstant t Do : quantité initiale dun isotope non radiogénique de la famille de lélément fils A : quantité résiduelle à linstant t de lélément parent λ : constante de désintégration de l’élément parent 3- Echelle des temps géologiques Les échelles de temps géologiques sont établies par région (figure 12), continents ou blocs géologiques en utilisant les principes de la stratigraphie, paléontologie ou biostratigraphie, radio chronologie, de la pétrologie et les processus sédimentaires (transgression, régression) et orogéniques. Lunité de temps en géologie est le million dannées. Léchelle universelle des temps géologiques est subdivisé en Eres regroupant les systèmes ou périodes, constitués de séries ou époques elles mêmes organisées en étages ou âges. LEre est une coupure majeure (Tableau 6). 42 - Précambrien : 4,5 milliards à 1 milliard dannées - Primaire (Paléozoïque) : 570 à 230 million dannées - Secondaire (Mésozoïque) : 230 à 65 millions dannées - Tertiaire (Cénozoïque) : 65 millions à 2 millions dannées - Quaternaire : notre ère est subdivisée en deux périodes, le pléistocène et l'éocène récent. Le précambrien est une ère azoïque, c'est-à-dire sans trace ou avec une rareté de traces de vie alors que le phanérozoïque (Ere primaire) connaît une explosion de la vie par sa diversité de flore et faune daprès les nombreux vestiges de fossiles enregistrés par les sédiments. XI- LA TECTONIQUE DES PLAQUES Introduction La tectonique des plaques ou tectonique globale élabore des théories sur les mouvements de plaques lithosphériques rigides (croûte+ manteau supérieur) et les phénomènes associés dont les plus importants sont la déformation, le magmatisme, le métamorphisme, les séismes synthétisés par les processus orogéniques. La théorie de la 43 tectonique des plaques est née des concepts empiriques sur la dérive des continents et lexpansion des fonds océaniques proposés respectivement par A. Wegener (1912) et Hess (1962), mais elle sen démarque par une nouvelle approche fondée sur la notion de mobilité de la lithosphère conçue comme une entité déformable et flottante sur une asthénosphère visqueuse. 1- La dérive des continents A la fin de lère primaire ou paléozoïque, les blocs continentaux actuels formaient un super continent appelé « PANGEA », séparé par un océan unique le « PANTHALASSA ». La « PANGEA » comprenait deux unités, le « GONDWANA » (Inde, Antarctique, Australie, Amérique du sud, Afrique actuelle) et la LAURASIA (Amérique du Nord, Europe, Asie). La dislocation et le déplacement relatif des blocs continentaux a débuté au cours de lère secondaire ou mésozoïque connus sans le nom de « dérive des continents », hypothèse confirmée par les arguments suivants. - Sur le plan cartographique, les continents Africains et Sud Américain ont des contours au niveau des côtes conformes et complémentaires (Figure 13) - Existence dune analogie entre les fossiles végétaux et animaux des terrains sédimentaires de même âge dans les deux continents - Présence de boucliers avec de vieux noyaux géologiques et des chaînes paléozoïques communes entre plusieurs continents - Présence de tillites de même âge, formations caractéristiques dune époque de glaciation commune en Australie, Antarctique, Amérique du Sud, Afrique du Sud, Inde. 2- Expansion des fonds océaniques La Terre possède un champ magnétique dipolaire induit par sa rotation et des forces émises par le noyau ferro- nickelifère. Ce champ est enregistré par les minéraux magnétiques (magnétite) Fe3O4) inclus dans les laves basaltiques des fonds océaniques au cours du refroidissement et dans les sédiments au cours de leur diagenèse. Lorientation des particules magnétique selon le Nord magnétique (NM) du moment est conservée ou fossilisé dans les formations géologiques. La déclinaison qui découle de langle formé entre le NM et le Nord Géographique (NG) permet de définir la latitude dun continent à une époque de lhistoire de la Terre. Au cours des temps géologiques, on a mis en évidence des périodes dinversion du champ 44 magnétiques ou il était opposé au champ actuel et des périodes normales daprès les mesures et les datations radiométriques des laves des fonds océaniques. La « dérive » dun continent par rapport à un pôle magnétique découle des mesures du champ magnétique de série de laves relativement anciennes, dâge différent dune même zone. 3 Tectonique des plaques moderne Cette théorie uniformitariste ou unificatrice contrairement aux anciennes hypothèses développe des arguments sur les mouvements de plaques lithosphériques, mouvements verticaux, mouvements latéraux et horizontaux dont les courants de convection constituent le moteur essentiel de la mobilité de ces plaques. Lasthénosphère est le siège de ces courants de convection où se produit un brassage permanent de matières thermiques. Par son caractère visqueux et sa forte densité, né un contraste avec la lithosphère rigide et moins dense, disloquée en une mosaïque de méga plaques flottantes (Plaque africaine, Plaque Amérique du sud et du Nord, Plaque Antarctique, Australienne, Eurasienne, Pacifique). Les mouvements relatifs des plaques consistent soit à des soulèvements, soit à la séparation ou écartement appelé divergence, soit à un rapprochement ou convergence (Figure 14). En tectonique des plaques, on oppose les zones de divergence ou le mécanisme majeur est la distension aux zones de convergence ou le mécanisme majeur est la subduction (glissement ou enfoncement relatif de plaques) : cas de la subduction de la plaque Africaine sous la plaque Européenne, subductions de la plaque pacifique sous la plaque continentale sud- Américaine (Figure 15). a- Les Zones de divergence Les principales zones de divergence ou dextension lithosphérique sont : - les dorsales médio- océaniques, vastes chaînes volcaniques entaillées dans leur partie centrale ou médiane par des failles normales, qui parcourent les fonds océaniques. - Les rifts continentaux qui correspondent à des zones de fracturation intense et profonde caractérisées par des soulèvements ou affaissements de blocs. Leur élargissement crée des dépressions ou bassins deffondrement auquel sont associés des lacs, mers ou océans. - Les failles transformantes qui découpent littéralement ces dorsales et les déplacent sur plusieurs dizaines ou centaines de km. b- Les zones de convergence 45 La subduction correspond au glissement ou enfoncement dune plaque lithosphérique sous une autre plaque lithosphérique. On parle de marges actives (figure 15) une zone de confrontation qui implique une plaque océanique et une plaque continentale (plaque pacifique et plaque sud américaine) ou deux plaques continentales entre elles (plaque Africaine/ plaque européenne). On qualifie de subduction intra océanique, lorsquune rupture entraîne le glissement dune partie dune plaque océanique sous lautre (cas de la plaque pacifique). La subduction peut conduire à laffrontement de plaques continentales ou encore à la collision avec formation de chaînes. (Cas de lHimalaya= collision plaque Indienne/ plaque asiatique) Les chaînes pures de subduction sont de nature volcanique, connues sous le nom darc insulaire ou arc volcanique. En profondeur, la lithosphère plongeante est résorbée et disparaît avec le processus danatexie (fusion partielle) par lequel naissent les magmas. c- Conséquence sur la dynamique du globe 1- Les séismes a- Nature des séismes Un séisme ou tremblement de Terre est un ébranlement vibratoire brusque et instantané en réponse à une rupture (faille, rejeu de faille) provoquée par des contraintes tectoniques en un point donné du globe. Il saccompagne dune libération dondes sismiques (ondes P, S, L) qui se propagent dans toutes les directions en surfaces (ondes L) et à lintérieur du globe à partir du foyer situé à profondeur variable et dont lépicentre est le point localisé à la verticale ou à son aplomb en surface. Lintensité du séisme est estimé par léchelle empirique de MERCALLI, (Figure 16) graduée de 1 (microséisme) à 12 (cataclysme), fondée sur limportance des dégâts commis sur le terrain. La magnitude (M) dun séisme correspond à lénergie (E) libérée dont la valeur est exprimée sur léchelle logarithmique de Richter. Les relations entre M et E sont données par la formule. E aM= log ___________ Eo a= 1, 5 Eo= 2,5 1011erg 46 M= 8,9 (Richter) correspond à lintensité I= 11 de léchelle de Mercalli. La distribution cartographique des foyes sismiques à travers le globe, montre une nette corrélation avec les zones de divergence de plaques (dorsales médio-océaniques, rifts continentaux, transformantes) et les zones de convergence de plaques (ceinture de feu du Pacifique) et les chaînes de collision. La sismicité du globe est largement contrôlée par les mouvements des plaques (Figures 16). b- Effets sur lenvironnement Les tremblements de terre sont les principales causes de destruction de lenvironnement, évidente dans les terrains ou régions dintense activité sismique régulière. Les dégâts ou dommages commis sur le terrain varient suivant lintensité du séisme, la nature du sol et sous sol (liquéfaction des sols sableux), la structure de lhabitation, la taille de lagglomération, de la qualité des matériaux et maçonnerie des ouvrages. Dans le secteur du bâtiment, les immeubles enregistrent des dommages allant des fissures à des basculements et à des ruines. Les sols, réez et chaussées se fendillent, se décalent ou se soulèvent tandis que les ponts seffondrent. Le réseau hydrographique est perturbé avec déviation de la trajectoire des rivières et parfois des captures. Au stade des séismes violents, les glissements de terrain ont été observés et les pertes de vie humaine de plus en plus nombreuses. Le cas du Tsunamis Indonésien en 2004 est très éloquent. c- Prévision Les séismes sont des phénomènes difficilement prévisibles en raison de leur caractère spontané, toutefois une mobilisation efficiente des ressources et des compétences, permet de les circonscrire. Lexamen des données suivantes est une condition préalable. - connaissance de lhistoire sismique de la région - surveillance sismologique par les géophysiciens de la matière (séismographes/ sismologues) - établissement des cartes tectoniques et cartes des risques naturels - éducation et sensibilisation des populations sur les risques sismiques - implantation des ouvrages de génie civil basée sur lanalyse des cartes de géorisque 47 - construction de bâtiments anti- sismique respectant les techniques élémentaires de maçonnerie et de fondation ainsi que la qualité des matériaux. 2- Volcanisme c- Activité volcanique La distribution des volcans actifs ou éteints sur le globe est également contrôlée par les mouvements des plaques, en dautres termes par la tectonique ou géodynamique globale (Figure 17). A linstar des séismes, le volcanisme est un phénomène majeur des zones de divergence et de convergence des plaques lithosphériques. Les dorsales médio-océaniques et les rifts continentaux constituent le siège dintenses activités volcaniques génératrices de la croûte océanique et continentale (basaltes des plateaux). Les zones de subduction péricontinentale ou marges actives (ceinture de feu du Pacifique) ou saffrontent des plaques océaniques et continentales, le volcanisme est un phénomène prépondérant et régulier. A lexception des zones orogéniques, le volcanisme affecte lintérieur des plaques océaniques et continentales à partir dun réservoir magmatique fixe localisé à la base de la lithosphère, par le mécanisme des « hot spots » ou points chauds. d- Impact sur lenvironnement Le vocalisme explosif de type vulcanien ou peléen déverse dénormes quantités de projections volcaniques ou de nuées ardentes meurtrières. Dans cette catégorie figure les lahars, coulées de boue volcanique propulsées à grande vitesse qui modifient certains paysages et engloutissent des agglomérations entières. Le volcanisme présente cependant des atouts au niveau touristique, fournit des produits minéraux nutritifs (cendres volcanique) exploités en agriculture. Il développe des sources thermales à vocation curative dans le domaine de la santé et libère des substances utiles (acide chlorhydrique, soufre natif). La géothermie sest développée ces trois dernières décennies avec les techniques de recherche et dexploitation des eaux chaudes et vapeurs deau des réservoirs géothermiques formés à partir des aquifères réchauffés par les volcans. e- Prévision Les risques volcaniques existent dans les zones instables du globe terrestre. La prévention des éruptions volcaniques est souvent basée sur diverses appréhensions et par la recherche dindices sur le terrain. 48 - Etude micro sismique - Etude de la déformation du sol - Analyse des variations des niveaux de nappe deau - Analyse des gaz rares (Rn, Ra) des eaux souterraines - Cartographie des géorisques (séisme) XII - GEOLOGIE APPLIQUEE La croûte terrestre concentre la quasi-totalité des ressources naturelles vitales pour lactivité humaine. La géologie appliquée en économique se charge de l'exploitation, la valorisation et la gestion des ressources aquatiques, minérales et énergétiques classées comme ressources fossiles ou non renouvelables. Elle utilise les méthodes classiques de la géologie et les techniques de lingénieur (géophysique, sondage, Télédétection, SIG). 1- Les principales disciplines La géologie appliquée regroupe selon les thématiques, quatre disciplines et spécialités de la géologie. - Les sciences de l'eau - Les sciences des sols - Les géosciences de l'environnement - Le génie minier et énergétique - Le génie géologique 2- Les ressources de la croûte a- Les ressources en eau La prospection, lexploitation, la gestion et la prospection des eaux souterraines constituent le centre dintérêt de l'hydrogéologie. La recherche des nappes libres ou captives repose sur une meilleure connaissance des caractéristiques géologiques, hydrogéologiques et physiques du terrain. Les formations gréso-carbonatées, les formations alluviales et supergènes (cuirasse latéritique) et le socle fissuré constituent en règle générale de bons réservoirs d'eau. Lhydrogéologie se préoccupe aussi de la problématique de la pollution des eaux souterraines par des déchets organiques et industriels et autres éléments toxiques naturels. 49 b- Les ressources pédologiques La pédologie étudie les sols en vue de dégager ses caractéristiques minéralogiques, chimiques et physiques dans une perspective de classification déterminante en matière de valorisation dans les secteurs de lagriculture. Elle aborde également la problématique de la pollution des sols et leur gestion dans le temps et dans lespace. Différents types de sols ont été répertoriés parmi lesquels, les lithosols, vertisols, sols bruns eutrophes, sols ferrugineux tropicaux et sols ferralitiques connus dans les zones soudano- sahéliennes en climat tropical. c- Les ressources minérales et énergétiques Les sciences et techniques minières (gîtologie, métallogénie, géophysique, géotechnique, génie minier) sont mises en oeuvres pour la recherche de matières premières minérales et énergétiques. Au niveau minier, lextraction des métaux (Fe, Cu, Mn, Al) alimente la sidérurgie et la métallurgie et les industries connexes. Lindustrie du bâtiment consomme des géo matériaux de toute nature dont les granulats, les pierres dimensionnelles ou matériaux céramiques (briques cuites) utilisant les terres argileuses. Les argiles kaolinitiques sont valorisées dans lindustrie du caoutchouc, du papier et de chimie (insecticide, peinture). Argile et carbonates entrent dans la production du ciment dont lindustrie (cimenterie) prospère dans le monde. Les évaporites, phosphates et les sulfures sont les principales matières premières de lindustrie de chimie pour la production dacides chlorhydrique, sulfurique et phosphorique. Phosphates et évaporites servent dengrais dans le domaine de lagriculture et daliments à bétail (NaCl, KCl). Les matériaux siliceux (sable) constituent la principale ressource de lindustrie de verrerie. Au niveau énergétique, les réserves dhydrocarbures (pétrole, gaz et autres combustibles (charbon minéral, lignite, tourbe) et les gisements duranium sont quantifiés comme source de production énergétique des temps modernes. Dans certaines pays développés, on exploite lénergie géothermique sous forme deaux chaudes pour le chauffage domestique ou les vapeurs deau pour la production de lélectricité (France, Italie) d- Aménagement Le génie civil et la géotechnique sont deux spécialités de lingénierie géologique. Dans les projets daménagement et détude de leur impact sur lenvironnement, la connaissance du terrain notamment le sol et le sous sol est une nécessité impérieuse et déterminants dans la 50 viabilisation des ouvrages. Dans une approche pluridisciplinaire, la géologie est interpellée pour la cartographie des terrains, lidentification des matériaux, lanalyse des géorisques, létude géomorphologique. Le rôle de la géotechnique consiste à des travaux de caractérisation mécanique des sols, à linstallation des sondages et galeries de reconnaissance. Limplantation des grands travaux (routes, immeubles) et grands ouvrages dart (pont, barrage, tunnel) doit disposer au préalable de toutes les données géologiques et géotechniques sur la qualité des sites. 2- Environnement Lactivité anthropique à travers lindustrie en particulier lindustrie extractive ou minière et dans une moindre mesure agro-alimentaire, est la principale source de pollution de lenvironnement (atmosphère, nappes aquifères, sols). La pollution de latmosphère par le CO2 anthropique est à lorigine des effets de serre et à terme des grands bouleversements climatiques (réchauffement). Cette atmosphère est également contaminée par les émissions volcaniques riches en SO2 et les émanations dacide avec lactivité volcanique fumerollienne. Les poussières siliceuses et damiante émises par certains types dindustrie dans latmosphère, les eaux de surface ou souterraines ainsi que les sols, de même que les substances radioactives pour les centrales nucléaires, ou les explosions nucléaires artificielles et par certaines éléments toxiques traditionnels (plomb, arsenic, antimoine, mercure, cadmium, cyanure) sont à lorigine des maladies cancérigènes en plein essor ces dernières décennie dans le monde. Les géosciences de lenvironnement peuvent contribuer à leur détection, à la cartographie des zones de pollution potentielle et proposer des stratégies de traitement et de gestion. 51
