STAGE ENSEIGNER LES SVT EN LIEN AVEC L’ENVIRONNEMENT LOCAL : MAURICE DOCUMENTS POUR LA SORTIE DE TERRAIN 11 au 13 novembre 2014 Laurence COMTE, EEMCP2 de SVT, AEFE 1 EXTRAIT CARTE ROUTIERE DE MAURICE EXTRAIT CARTE DU RELIEF 2 Annexe 1 : Extraits de la carte géologique de Maurice Région de Port Louis 3 4 Région de Pointe aux Piments 5 Annexe 2 : Volcanisme et roches volcaniques La classification des roches volcaniques repose sur plusieurs critères. En premier lieu, l'observation à l'œil nu des roches conduit à utiliser une classification basée sur leur faciès. Mais il existe également une classification minéralogique (d'après les minéraux contenus dans les produits volcaniques), chimique (d'après le chimisme des laves) ou génétique (d'après le mode de mise en place). Document 1 : LA CLASSIFICATION D’APRES LE FACIES : Source : http://www2.brgm.fr/volcan/classification.htm On distingue deux grandes catégories : Les roches d'aspect massif Les roches d’aspects bréchiques : elles sont constituées exclusivement ou en partie de particules d'origine volcanique dont le mode de fragmentation est lié ou non à l'activité volcanique. Les pyroclastites les plus communes résultent de l'expansion rapide d'un magma qui se désintègre lors d'un dégazage. Ce sont donc des fragments de verres, de cristaux ou de roches produits au cours d'éruptions volcaniques explosives. D’autres proviennent de l'interaction d'un magma avec l'eau de surface (aquifère, lac, eau de mer, glace). Document 2 : L’origine des roches pyroclastiques Source : http://www2.brgm.fr/volcan/classification.htm Les dépôts volcaniques peuvent s'associer à différentes catégories de modes éruptifs. Ces associations recoupent la classification fondée sur les divers types d'écoulements volcaniques possibles. les éruptions PLINIENNES les éruptions stromboliennes 6 Les roches pyroclastiques sont le résultat de la lithification des tephra. Le terme tephra est synonyme de dépôt volcanoclastique, c'est-à-dire d'accumulation de matériaux éjectés par une éruption. Document 3 : Les différentes produits volcanoclastiques (source : Marie Dubernet UJF Grenoble) 7 Document 4 : Fragmentation et éruption phréatomagmatiques (source : Le volcanisme : cause de mort et source de vie – De Wever et al. éd. Vuibert 2003) Une éruption phréatomagmatique implique l’intéraction physique du magma avec une source externe d’eau à l’intérieur de la terre ou en surface (aquifère, système hydrothermal) ou en surface (lac, sous la mer/océan, au bord de la mer/océan, sédiments saturés en eau, glacier, pluie). (…) Ainsi les éruptions phréatomagmatiques contiennent, en général, une proportion variable mais plus importante de matériaux non juvéniles provenant de l’encaissant (roches, sédiments) que les dépôts issus d’une fragmentation explosive. (…) Les dépôts phréatomagmatiques sont constitués d’un mélange de fragments de verre, de cristaux et de fragments non juvéniles des formations volcaniques ou non volcaniques de l’encaissant, allant de tailles micrométriques à décimétriques. Les textures de surface et les textures internes de ces matériaux, en particulier les fragments juvéniles de magma, reflètent la diversité des processus de fragmentation, de transport et d’altération en contexte phréatomagmatique, et permettent de les distinguer des fragments d’origine purement magmatique. Document 5 : LA CLASSIFICATION MINERALOGIQUE Source : http://www.geologues-prospecteurs.fr Il est possible d'établir la classification et la nomenclature des roches cristallines microgrenues en considérant les proportions en minéraux. 8 Document 6 : Quelques basaltes Source : http://lithotheque.ens-lyon.fr Basalte porphyrique à olivine et pyroxène (ankaramite) Les olivines sont altérées (iddingsite). Basalte porphyrique à olivine (jaune verdatre)et pyroxène (noir) (ankaramite) Les olivines sont altérées (iddingsite). Basalte à Plagioclases olivine (verdâtre) Basalte riche en olivine Basalte aphyrique 9 (blanc)et Document 7 : quelques roches pyroclastiques Tuf volcanique en anglais tuff : Roche pyroclastique à lapillis dominants, formée par accumulation de projections volcaniques de fragments millimétriques, avec, parfois, des blocs et des cendres et consolidée dans l’eau. Les tufs volcaniques se montrent en niveaux généralement bien stratifiés, dans lesquels on peut observer deux types de granoclassement : - granoclassement vertical : la base des bancs est plus grossière que le sommet (ce dernier étant plus riche en cendres ; - granoclassement horizontal : les tufs sont de plus en plus fins lorsque l’éloignement du cratère émissif augmente. Les tufs volcaniques alternent avec des niveaux à blocs et des lits de cendres, ainsi que, selon les lieux de dépôts, avec des horizons pédologiques, ou des couches sédimentaires marines ou lacustres. Source : www.geowiki.fr Cinérite : Roche pyroclastique à grain 2 mm, de teintes blanche, grise, brune, noirâtre, généralement tendre et poreuse. Elle se forme par accumulation de cendres volcaniques en milieu le plus souvent continental (lacs), mais aussi marin, en niveaux généralement bien stratifiés. Les cinérites peuvent alterner avec des couches sédimentaires ou avec des horizons pyroclastiques plus grossiers, tels des tufs. Source : http://bddsvt.ac-reunion.fr/lithotheque_oi/index.php/joomla-fr/histoire-geologique/92petrographie/84-cinerite 10 Document 8 : Quelques structures volcaniques intrusives source : Cours de géologie Master 1 / Marie Dubernet UJF Grenoble Document 1 : mise en place des produits d’une éruption Document 2 : Schématisation des structures intrusives à l’affleurement Document 3 : Exemples Dyke basaltique du Piton des Neiges (La Réunion) Sill de trachyte, Rivière Fleurs jaunes, Cirque de Salazie (La Réunion) 11 Annexe 3 : GLOSSAIRE DU VOLCANISME Source : http://www2.brgm.fr/volcan/glossaire.htm avalanches de débris : correspond au déplacement sur une pente d'un volume important de roches variées. Ce phénomène résulte de l'écroulement partiel de la région sommitale d'un édifice volcanique. bombe volcanique : Lambeau de lave qui s'il est suffisamment fluide peut prendre, dans son trajet aérien, en tournoyant, une forme fuselée ou s'écraser au sol en galette (en "bouse de vache") ; plus visqueux, en retombant au sol, il verra sa croûte superficielle se craqueler (en "croûte de pain"). Taille variant de quelques centimètres à plusieurs mètres. brèches : terme très général désignant toutes les roches pyroclastiques comportant une certaine proportion d'éléments grossiers, mêlés à des éléments fins constituant le ciment (ou matrice). caldeira : cavité d'origine volcanique plus ou moins circulaire due soit à des explosions soit à des effondrements par soutirage du magma. cinérite :(du latin cinis, cineris "cendre") roche pyroclastique stratifiée, souvent tendre et poreuse, formée par l'accumulation de cendres volcaniques en milieu marin ou continental. cumulo-dôme : Volcan de type explosif, formé de dômes superposés, juxtaposés ou emboîtés, dû à l'irruption de laves visqueuses et de téphras provenant d'explosions violentes. décrochement dextre : faille verticale le long de laquelle coulissent en sens inverse deux compartiments ;dans un décrochement dextre, le compartiment qui fait face à celui sur lequel on se trouve se déplace vers la droite. décrochement senestre : Dans ce cas, le déplacement observé se fait vers la gauche. diatrème : creux cylindrique d'explosion volcanique, de dimension hectométrique, comblé par les matériaux de cette explosion, partie superficielle d'une cheminée volcanique remplie de brèches. dôme :édifice de forme hémisphérique dans la plupart des cas, il existe différentes formes de dômes. dyke : intrusion de roche volcanique en forme de mur, recoupant les strates de l'encaissant. les dykes "fossilisent" les conduitd'alimentation du magma. édifice monogénique : se dit d'un volcan dont la construction résulte d'une seule phase d'activité volcanique ;ce type de volcan a donc une taille relativement réduite (c'est le contraire d'un édifice polygénique). filon : intrusion en couches rectilignes plus ou moins tabulaires de roches ignées qui recoupent d'autres roches (aussi appelé "sill"). fissural (volcanisme de type) : un volcan fissural est un volcan très plat. La lave très fluide s'échappe par de petites fractures à la surface du sol. Ce sont des volcans linéaires qui forment une longue fissure dans la croûte terrestre. ces volcans sont peu redoutables. graben : fossé d'effondrement limité par deux failles. horst : c'est le contraire d'un graben ; une structure tectonique haute flanquée de chaque côté par des failles normales limitant des compartiments effondrés. hyaloclastites : terme englobant une grande variété de roches fragmentées par l'effet d'un contact brutal d'une lave fluide (le plus souvent, un basalte) avec de l'eau, dont l'origine peut être marine, lacustre ou glaciaire. 12 ignimbrite : Roche formée par l'accumulation de débris de laves soudés à chaud, à aspect de ponce ou de lave un peu fluidale. Ces formations proviennent d'éruptions explosives catastrophiques (nuées ardentes) et peuvent couvrir des surfaces importantes (20.000 km2 ou plus). intrusion : dans le cas du volcanisme, mise en place d'un magma dans une formation géologique préexistante (encaissant). Ce magma, en refroidissant lentement, donne des roches plutoniques. lahar : coulée boueuse maar : cratère d'explosion en forme de cuvette large de quelques dizaines à quelques centaines de mètres, entouré d'un rempart mince et bas de débris volcaniques (tufs, ponces, cendres....). Souvent, ces cratères sont occupés par des lacs. neck : ( de l'anglais "cou") remplissage ou comblement vertical de matériel intrusif ou bréchique (ignimbrite et agglomérat) d'une cheminée volcanique recoupant la roche encaissante. En général, le neck demeure en relief suite à l'érosion du cône. neptunisme : les roches ignées et métamorphiques dérivent d'une origine marine. nuées ardentes : grand volume de gaz brûlants à très forte pression transportant, suite à une violente explosion, des masses considérables de débris de lave ( des cendres aux blocs en passant par les scories) et se déplaçant à grande vitesse (100 km/h et plus). orgues volcanique : colonne prismatique, e,n champ, à section pentagonale ou hexagonale, formée perpendiculairement à la surface ou à la base d'une coulée de la lave lors du refroidissement. pipe : ( de l'anglais "tuyau") cheminée cylindrique verticale remplie de lave. pépérite : roche pyroclastique, de teinte grisâtre à roussâtre, constituée par des granules globuleux de lave basaltique vitreuse liés par un ciment de composition marno-calcaire. péridotite : roche magmatique grenue, lourde, de teinte variant du jaune sombre au vert noirâtre constituée à plus de 50 % par des cristaux de péridot (= olivine). phréatique : se dit d'une éruption où la vaporisation explosive de l'eau imprégnant les formations poreuses ou fissurées d'un appareil volcanique (nappe phréatique) est le facteur déclenchant. Les produits des éruptions phréatiques ne sont constitués que de matériaux anciens arrachés par l'explosion à l'encaissant. phréatomagmatique : se dit d'une éruption qui résulte de l'interaction d'un magma ascendant avec une nappe d'eau (nappe phréatique, lac, eau de mer...). Il en résulte une éruption fortement explosive qui fragmente à la fois matériaux anciens (encaissant) et juvéniles (magma frais). planèze : ancienne coulée ou nappe volcanique mise en relief par l'érosion, nappe de lave disséquée par les ravins ou les vallées.: ponce :Roche volcanique vitreuse, très poreuse, d'ou une faible densité (elle peut flotter sur l'eau). Elle se forme à partir de fragments de magma visqueux ( rhyolitique, dacitique, ou andésitique) qui, projetés en l'air par un volcan, subissent une brutale chute de pression, ce qui produit un dégazage et la formation de bulles séparées par de minces parois de verre volcanique. Ces roches, de teinte claire, sont friables et les fragments (de 1 à 15 cm environs), d'abord anguleux s'émoussent rapidement. protrusion : construction volcanique constituée par l'ascension verticale d'un piston de lave semirigide : la viscosité de la lave est telle qu'elle ne peut subir aucune expansion latérale et conserve à l'extérieur de l'orifice le diamètre acquis dans la cheminée. pyroclastite : roche formée par l'accumulation de débris volcaniques éjectés (projections). 13 rift : fossé d'effondrement de l'écorce terrestre à l'échelle continentale bordé de failles normales. scorie : fragment de lave vacuolaire de faible densité, à surface irrégulièrement poreuse, apparaissant dans les projections volcaniques ou sur des coulées dont la surface est craquelée. sill : voir filon. stratovolcan : édifice volcanique composite, de longue durée, de forme plus complexe qu'un simple cône, constitué par une alternance plus ou moins régulière de coulées de lave et de couches pyroclastiques de compositions variées. système filonien : ensemble de lames de roche épaisse de quelques centimètres à quelques decamètres, et recoupant le plus souvent les structures des terrains encaissants. Un filon correspond le plus souvent au remplissage d'une fracture. thermoluminescence : émission de lumière par des substances sous l'influence de la chaleur. tufs : roche formée par accumulation de projections volcaniques en fragments millimétriques consolidée sous l'action de l'eau. xénolites : fragment de socle arraché lors de la montée du magma dans la cheminée volcanique. Annexe 4 : Quelques propriétés des roches Document 1 : Structure, texture et dureté Description à l'oeil nu : - La roche semble formée d'un seul matériau : c'est une roche homogène. - La roche est formée de plusieurs éléments différents : c'est une roche hétérogène. - La roche est entièrement composée de grains (= cristaux) visibles à l’œil nu : c’est une roche entièrement cristallisée (grenue). - La roche est composée d’une pâte (matrice mate) dans laquelle on distingue des cristaux : c’est une roche non entièrement cristallisée (microlithique). Elle est d’origine volcanique. Couleur de la roche : Déterminez la couleur de la roche. Cohérence de la roche : Frottez chaque roche avec vos doigts : si des grains s'en détachent, c'est une roche friable, sinon, c'est une roche cohérente. Dureté de la roche : - Si la roche est rayée par l'ongle, c'est une roche tendre. - Si la roche est rayée par l'acier, c'est une roche dure. - Si la roche raye le verre, c'est une roche très dure. 14 Document 2 : Comportement des roches vis à vis de l’eau Matériel à disposition : récipient à fond plat, pissette d’eau, échantillons de chaque roche, pelle, entonnoir, un peu de coton, flacon d’eau d’eau acidifiée (représente l’eau ayant traversée le sol), cale. Cette roche peut-elle contenir de l’eau - est elle poreuse ? La porosité est la propriété d’un corps de pouvoir contenir un fluide (gaz ou liquide) à l’intérieur d’interstices : les pores Cette roche peut-elle être traversée par l’eau – est elle perméable ? La perméabilité est la propriété d’un corps de pouvoir se laisser traverser par un fluide (gaz ou liquide). Cette roche peut-elle être fragmentée par l’eau – est elle désagrégeable ? La roche peut être constituée d’éléments assemblés de manière plus ou moins cohésive, si l’eau désagrège les éléments c’est que le « ciment » qui les soudait a été détruit par l’eau. Cette roche peut elle être dissoute par l’eau ? Dans cette expérience on utilisera de l’eau acidifiée, cette acidification est une conséquence du passage de l’eau à travers l’atmosphère ou/et la couche de sol qui recouvre les roches, cette acidification accélère les processus chimiques qui pourraient, certes, se réaliser mais plus lentement. Les éléments de cette roche peuvent ils être mobilisés par l’eau ? Tu réalises place l’échantillon dans le récipient à fond plat. verse de l’eau de manière régulière à la surface de l’échantillon. Tu observes -> tu conclues l’eau pénètre dans la roche -> la roche est poreuse. place un morceau de coton au fond de l’entonnoir. dispose l’échantillon sur le coton. verse suffisamment d’eau à la surface de l’échantillon afin de pouvoir vérifier que l’eau le traverse ou non. l’eau traverse la roche -> la roche est perméable place l’échantillon de roche dans le récipient. arrose l’échantillon avec un jet de la pissette suffisamment fort. l’eau ne pénètre pas dans la roche -> la roche n’est pas poreuse. l’eau ne traverse pas la roche -> la roche n’est pas perméable. de petits fragments de roche se séparent de l’échantillon -> la roche est désagrégée par l’eau la roche reste compacte -> la roche n’est pas désagrégée. place l’échantillon de roche dans la cuvette. arrose-le abondamment. la roche se creuse avant de se fragmenter et/ou la couleur de l’eau change. -> la roche est dissoute par l’eau. la roche n’est pas affectée par l’eau -> l’eau ne dissout pas la roche. place l’échantillon de roche à l’une des extrémités du récipient. incline ce dernier en plaçant une cale à l’extrémité où est placé l’échantillon, vérifie que l’angle permette le ruissellement de l’eau et des fragments de roches mais n’entraine pas la mise en mouvement de l’échantillon. arrose l’échantillon avec un jet de la pissette suffisamment fort et soutenu. 15 des éléments de roches sont emportés par le courant d’eau -> l’eau mobilise les éléments. la roche n’est pas affectée par l’eau -> l’eau n’a pas d’effet. Annexe 5 : Quelques éléments pour comprendre l’altération des roches Document 1 : L’influence du climat Source : http://www2.ulg.ac.be/geolsed/processus/processus.html Le climat est probablement le facteur le plus important dans le contrôle de l'altération chimique. Si l'on considère en effet l'aspect cinétique des réactions chimiques, il est clair qu'une température élevée va les favoriser. L'humidité est également importante, puisque beaucoup de réactions se passent en milieu aqueux. L'altération chimique est donc prééminente en climat chaud et humide. En climat froid, même si les précipitations sont abondantes, l'eau est à l'état de neige ou de glace, favorisant plutôt l'altération physique (Fig. II.2). D'autres facteurs occupent également une place importante, quoique plus indirecte: c'est par exemple le cas du drainage. Si les ions mis en solution ne sont pas évacués, un équilibre chimique sera atteint et les réactions d'altération vont s'arrêter. Le relief, également, contrôle la pente des réseaux fluviatiles et la rapidité des courants, donc l'intensité de l'évacuation des ions: on a pu montrer par exemple que pour des circulations faibles, l'albite est transformée en kaolinite, alors qu'avec une circulation plus rapide, elle est transformée en gibbsite (car l'acide silicique est évacué). Figure II.2: influence du climat sur le profil d'altération. En climat tempéré, l'altération mécanique domine. L'altération biochimique est faible et consiste surtout dans le départ de cations très solubles comme Na + et Ca++ des minéraux les moins stables (A). En climat aride, la pluviosité très faible et la forte évaporation permettent la précipitation sur place des cations solubles et la constitution d'un horizon induré (calcrete, silcrete, B). En climat tropical humide et en climat équatorial, l'altération est surtout chimique. L'eau abondante et chaude provoque une mise en solution de la plupart des minéraux, avec précipitation des ions Fe, Al, Si et développement d'une cuirasse latéritique. Un horizon riche en argile se met aussi en place et résulte de processus de néoformation à partir des minéraux de la roche-mère et à partir des ions venant des horizons supérieurs (C). 16 Document 2 : Zoom sur l’altération du basalte Extrait de http://pedagogie2.ac-reunion.fr/svt/siteapoi/apoi5/frame_accueil5.htm Fiches : Avec le temps le basalte se transformer en terre (auteur : Philippe Mairine) et Porosité, perméabilité en grand et en petit chez les basaltes (auteur : Jean-Luc Cheverry) Documents photographiques : Ile de La Réunion Remarque : Le terme « gratons » est l’appellation réunionnaise pour les laves aa qui se distinguent des laves pahoehoe qui ont une surface lisse ou plus ou moins plissées, mais d'un seul tenant. La morphologie des coulées aa correspond à un amoncellement de blocs décimétriques à métriques. Cette morphologie a pour origine une viscosité plus grande de la lave, plus grande que dans le cas de la morphologie pahoehoe. La surface de la coulée est déjà (relativement) solidifiée, alors que l'intérieur, déjà bien visqueux, coule et se déforme encore. Alors, la surface solide se casse en de multiples blocs sous l'effet des mouvements internes à la coulée, et ces blocs roulent les uns sur les autres. En résulte cette morphologie caractéristique. (http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/objets/img_sem/XML/db/planetterre/metadata/LOM-Img224-200802-04.xml) Document 2c : coulée massive de Basalte au fond de la rivière des Remparts 17 Document 2d : modélisation de l’effet du refroidissement et de la solidification d’un matériau fluide : Surface de caramel solidifié Document 2e : surface d’une coulée massive un peu érodée Comme le caramel, quand un basalte massif se solidifie, il se « rétracte » car le volume du solide est inférieur à celui du liquide correspondant. Des fentes « de retrait », plutôt verticales, perpendiculaires aux surfaces de refroidissement (air et sol) découpent la coulée massive sur toute son épaisseur. Celle-ci est aussi cassée par des fissures horizontales. Ces cassures découpent le basalte en « cubes » irréguliers. Sur ce document, on observe l'intersection des fentes verticales avec la surface. Document 2f : L’altération du basalte - L'eau qui imprègne les roches réagit chimiquement avec celles-ci ; par exemple le fer du basalte donne un hydroxyde de fer comparable à la rouille. - L'altération commence là où sont en contact l'eau et la roche, c'est-à-dire au niveau des fissures. Les faces du "cube" sont moins vite détruites que les arêtes ou les sommets. Le cube de roche solide s'arrondit (doc 6a) : c'est « l'altération en boules ». sont moins vite détruites que les arêtes ou les sommets. Le cube de roche solide s'arrondit (doc 6a) : c'est « l'altération en boules ». - Pour pourrir un basalte massif et le transformer en terre sur plusieurs mètres d'épaisseur, il faut environ 300 00 ans à La Réunion. Boule de basalte peu altérée Boule de basalte très altérée 18 Doc 2g : Analyses d'eaux et de basaltes Pour les basaltes altérés : Matière organique contenue dans un basalte très altéré : 15 g / 100 g ions N om f er s odium magnésium calcium aluminium s ilice mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L Foc Foc Pluie Baril 130m 0 0 1,62 5,93 1,17 0,37 2,30 0,56 0 0 0,00 0,00 Pluie Baril 1200 Moyenne des pluies 0 0 2,13 3,23 0,38 0,64 0,62 1,16 0 0 0,00 0,00 0 0 0 5 ,73 8 ,56 6 ,62 2 ,81 3 ,80 7 ,01 3 ,85 4 ,48 8 ,87 0 0 0 5 4,44 7 8,51 2 6,87 Relevés de pluies Sources Casala (Riv. des Remparts) C ap Blanc (Riv. Langevin) G abriel (Plaine des Grègues) Analysesderoches Laves non altérées Lave de 1981 S te Rose 1977 sommet Laves très altérées (moyenne) oxydes de ox ox ox ox fer sodium magnésium calcium aluminium g /100g g /100g g /100g g /100g g /100g 1 1,36 2 ,75 7 ,10 1 1,70 1 4,70 1 3,62 1 ,80 2 4,20 7 ,20 9 ,00 12,03 2 ,75 7 ,50 11,10 14,70 oxydes de oxydes (sodium + ox fer magnésium + calcium + ...) aluminium 35 10 30 silice g/100g 4 8,40 4 2,50 47,80 silice 10 Document 3 : Extrait de Histoire géologique des îles Mascareignes, Serge Bochiellini, éd. Orphie 2013. « Il y a près de 200 000 ans* le volcan s’éteint définitivement. L’érosion et l’altération vont alors profondément modifier le paysage, et, au cours des millénaires suivants, une grande partie des laves seront transformées en argiles et autres produits d’altération. Parfois cette altération donne naissance à des phénomènes curieux et spectaculaires. C’est le casa à Chamarel où l’on peut observer les célèbres terres de couleur. Ce phénomène naturel est le produit de la profonde décomposition des basaltes qui, sous un climat chaud et humide, a donné naissance à des argiles. L’attaque chimique des minéraux par l’eau a permis aux éléments solubles d’être lessivés et transportés ai loin. Il ne reste sur place qu’une forte concentration de fer et d’aluminium qui constituent un sol ferralitique. Les oxudes de fer (Fe2O3) ont une couleur anthracite et rouge alors que les oxydes d’aluminum (Al2O3) ont des couleurs variant du bleu violacé au vert. Le vent et la pluie jouent sur ces terres pour inventer des tableaux multicolores. » * Cette datation est remise en cause actuellement. Les travaux de datation les plus récent donne une estimation de 30 000 ans pour les émissions de lave les plus récente à Maurice. 19 Document 4 : Compléments sur l’altération des roches silicatées Document 4a : L’altération différentielle des roches silicatées D’après http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/objets/img_sem/XML/db/planetterre/metadata/LOMImg151-2006-02-27.xml L'eau, acide car chargée de CO2 dissous, d'acides humiques … attaque les silicates situés dans et sous le sol. Il y a substitution partielle de certains cations des minéraux par des ions H+ (hydrolyse), et mise en solution de ces cations dans l'eau. Cela se traduit par deux phénomènes : 1. Un départ des ions mis en solution, parce que solubles dans les eaux aux conditions de la surface. Parmi les éléments majeurs, ce sont principalement les ions calcium, magnésium, sodium, potassium et fer ++ qui sont mis en solution, ainsi qu'une partie de la silice. 2. Ce qui n'est pas exporté, principalement l'aluminium, le fer+++ et une partie de la silice se réorganise pour former un nouveau réseau cristallin stable aux conditions de la surface, le plus souvent pour former des phyllosilicates hydratés, dont les plus connus sont les argiles Document 4b : Hydrolyses, résistance des minéraux à l’altération et minéraux formés (adapté d’après http://www.u-picardie.fr/~beaucham/mst/alter.htm) L'hydrolyse est totale lorsque le minéral est détruit en plus petits composés possibles ( hydroxydes, ions). L'hydrolyse est partielle lorsque la dégradation est incomplète et donne directement des composés silicatés (argiles). Lorsque les nouveaux minéraux argileux sont formés à partir des micas (muscovites, biotites et chlorites), le réseau cristallin est plus ou moins conservé, on parle de transformation. Lorsqu'ils sont formés à partir de silicates qui ne sont pas en feuillets (feldspaths, amphiboles, olivine...), le réseau cristallin du minéral d'origine est complètement détruit, on parle de néoformation. * Muscovite Elle est assez stable. Sa fragmentation donne des petites paillettes de même composition chimique appelées séricite. Son altération chimique se fait par perte progressive d'ion K+; elle donne de l'illite, puis des argiles de 2 types selon les conditions de drainage du milieu: la kaolinite en milieu lessivé, les smectites en milieu confiné. Schématiquement: * Feldspaths Leur altération est comparable à celle de la muscovite. Cas d'un feldspath sodique, l'albite: Na Al Si 3 O 8 + 8 H 2 O -------> Al (OH) 3 + 3 H 4 SiO 4 + Na+ OH albite + eau ------------------------> gibbsite + acide silicique + ions précipité +solution de lessivage 20 * Biotite Sa résistance à l'altération dépend de la teneur de Fe++ dans le cristal; son état d'altération est exprimé par la quantité de K+ extraite du réseau. La biotite peu oxydée (surtout à Fe++) est très altérable et se comportent comme les autres minéraux ferro-magnésiens (pyroxènes...); elle donne en particulier des vermiculites et smectites et de l'oxyde ferrique qui précipite. La biotite plus oxydée (Fe+++ surtout) est plus stable. * Autres ferromagnésiens Leur altération est semblable à celle de la biotite peu oxydée; ils donnent des vermiculites, des smectites, des chlorites ou des argiles magnésiennes si le milieu est très confiné. Résistance d'un minéral à l'altération L'énergie de liaison varie selon le type d'ions concernés. Le K+ est faiblement lié à l'oxygène, le Fe++ et le Mg++ le sont moyennement; le Si4+ établit au contraire des liaisons très fortes. On comprend ainsi que le quartz, tectosilicate ne comportant que des liaisons fortes entre le silicium et l'oxygène, résiste mieux à l'altération; l'olivine en revanche, contenant des cations moins liés (Fe++ et Mg++) a un réseau cristallin plus fragile. GOLDICH (1938) a établi l'ordre de résistance des minéraux à l'altération: Labile olivine ...................................................................plagioclases Ca augite .............................................plagioclases Ca-Na hornblende ................plagioclases Na-Ca biotite .........plagioclases Na feldspaths K muscovite Résistant ............................................quartz Cet ordre évoque les suites de BOWEN (suite de cristallisation des minéraux lors du refroidissement d'un magma): ce n'est pas un hasard. Dans un magma, l'olivine cristallise à haute température, elle est donc particulièrement instable dans les conditions de surface; elle est la plus labile. Le quartz, en revanche est formé à une température moins élevée, il est plus stable. Solubilité des ions Le lessivage des ions dans le sol dépend de leur solubilité. Figure : classification de Goldschmidt. 21 Annexe 6 : Clé de détermination simplifiée des roches sédimentaires (d’après manuel SVT 5ème, Magnard) friable peu friable 22 Lignite Annexe 7 : Quelques éléments pour comprendre l’altération et la formation des roches sédimentaires Document 1: RAPPEL DES PROCESSUS DIAGENETIQUES Source : http://www2.ulg.ac.be/geolsed/processus/processus.html Les principaux processus diagénétiques sont la cimentation, la dissolution, la recristallisation et le remplacement. - La cimentation correspond à la précipitation de matière sur un substrat et à l'accroissement progressif des cristaux ainsi formés. La cimentation a pour conséquence la disparition progressive de la porosité. - La dissolution d'un substrat ou d'une phase diagénétique préexistante a évidemment comme conséquence une augmentation de la porosité. Ce phénomène joue à diverses échelles, depuis celle du système karstique jusqu'à la porosité intraparticulaire. Un processus de dissolution implique toujours le passage par une étape où existe un vide: ce vide peut être ensuite rempli par des sédiments internes, cimenté... - La recristallisation implique un changement de cristallinité de la phase préexistante, sans modification chimique. Exemples: augmentation de la taille moyenne des cristaux par coalescence dans une masse déjà cristallisée; "inversion" de l'aragonite en calcite: l'aragonite (=2,94) étant 8% plus dense que la calcite (=2,71), du CaCO3 est dès lors disponible pour des processus de cimentation). - Le remplacement implique quant à lui, non seulement un changement de cristallinité, mais également un changement chimique d'un substrat préexistant. La dolomitisation dite secondaire en est un exemple fréquent, comme la silicification. Notons que les minéraux constituant les éléments figurés peuvent être remplacés sans que leur morphologie soit affectée. Document 2 : Processus chimique de dissolution de la roche par l’eau L’eau (de pluie) va se charger de dioxyde de carbone (CO2). Celui-ci provient en partie de l’atmosphère mais majoritairement du dioxyde de carbone contenu dans le sol et qui, lui, est d’origine biogénique (respiration des êtres vivants ou décomposition de la matière organique). La réaction chimique est la suivante : 2H2O + 2CO2 ⇄ 2 H2CO3 (acide carbonique) ⇄ 2H+ + 2 HCO3 - (ion hydrogénocarbonate) La combinaison du CO2 et de l'eau donne donc naissance à l'acide carbonique (H2CO3), un acide faible (ph6 environ) qui peut solubiliser la calcite (ou un autre carbonate): H2CO3+ CaCO3 →Ca++ + 2 HCO3Globalement, on peut résumer ces réactions ainsi : CO2 (dioxyde de carbone) + H2 O + CaCO3 (carbonate de calcium) → Ca2+ + 2HCO3- (hydrogénocarbonate) Document 3 : Processus chimique de précipitation des carbonates Lorsque une eau chargée en ions Ca2+ (c’est le cas de l’eau qui circule dans les massifs karstiques ; c’est aussi le cas de l’eau de mer) subit des changements physico-chimiques, un phénomène inverse de la dissolution va se produire : la précipitation du carbonate de calcium ou calcification. Cette réaction peut s’écrire ainsi : Ca2+ + 2HCO3- → CaCO3 + CO2 + H2O Cette réaction se produit lorsque l’eau perd une partie de son dioxyde de carbone (dégazage, prélèvement par photosynthèse) ou si une partie de l’eau s’évapore (évaporation). Les ions calcium précédemment en solution vont précipiter en se transformant en carbonate de calcium, calcite ou aragonite. Un certain nombre de facteurs peuvent donc influer sur le mécanisme dissolution-transport-calcification donc sur l’équilibre des carbonates: 2 HCO3– + Ca2+ CaCO3 + CO2 + H2O 23 Document 3 : La sédimentation littorale carbonatée Source : http://www.u-picardie.fr/~beaucham/cours-sed/sed-8.htm Les sédiments littoraux des régions de basses latitudes sont à dominance carbonatée. La raison en est le faible apport silico-clastique venant du continent, dû aux conditions topo-graphiques et climatiques, et surtout l'intensité de la production de carbonates d'origine biologique. Sous ces latitudes, les organismes marins côtiers prolifèrent et précipitent l'ion calcium prélevé de l'eau de mer sous forme de carbonate qui s'accumule puisque moins soluble dans les eaux chaudes. Le bilan du calcium en solution dans l'eau de mer reste plus ou moins équilibré : les fleuves apportent des ions calcium issus de l'altération continentale, une partie des carbonates marins est dissoute en eau froide. La précipitation biologique de carbonate de calcium se fait de diverses façons. * Des animaux fixés fixent le calcium dans leur squelette et édifient des constructions carbonatées (bioconstructions): c'est le cas des coraux (coelentérés), des bryozoaires, de certaines éponges. * des animaux benthiques fabriquent des coquilles ou tests calcaires qui sont transportés, brisés et accumulés après leur mort, par exemple: mollusques littoraux (gastéropodes, bivalves), oursins, foraminifères benthiques. * des micro-organismes et organismes planctoniques accumulent le carbonate de calcium dans leur test ou leur coquille qui tombent sur le fond après la mort: exemple des foraminifères planctoniques, des coccolithophoridés (à l'origine de la craie), des ptéropodes (gastéropodes pélagiques). Leur contribution devient prépondérante en haute mer. * des algues et des cyanobactéries (ou "algues bleues") précipitent le carbonate autour de leur thalle et agglomèrent les particules calcaires par des mucilages pour former des constructions appelées stromatolites. Il existe également une précipitation purement chimique du carbonate autour de particules en suspension, quoique l'intervention de micro-organismes ne peut pas être exclue (formation des oolites). Enfin, les sédiments carbonatés peuvent provenir du remaniement par les vagues de roches calcaires préexistantes. Les sédiments calcaires littoraux comprennent donc des constructions autochtones massives (récifs) ou réduites (stromatolites), des accumulations d'éléments brisés provenant de restes d'organismes ou de roches calcaires érodées, des vases calcaires formées des particules fines d'origine détritique, chimique ou biochimique, des précipitations carbonatées localisées autour de particules quelconques. Document 4 : Zonation bathymétrique de la plate-forme continentale Source : http://www2.ulg.ac.be/geolsed/processus/processus.html On distingue ainsi l'arrière-plage ou encore la zone supratidale, au-dessus du niveau moyen de la marée haute, l'estran ou zone intertidale, correspondant à la zone de balancement des marées, l'avant-plage ou zone infratidale, en-dessous du niveau des basses mers. La frontière entre l'avant-plage et le large est définie par la limite d'action des vagues de beau temps. 24 Document 5: DIAGENESE PRECOCE ET ENVIRONNEMENTS DIAGENETIQUES (source Source : http://www2.ulg.ac.be/geolsed/processus/processus.html d'après Purser, 1973) Les environnements diagénétiques L'existence de divers phénomènes diagénétiques syn-sédimentaires comme la lithification est bien établie. En termes de diagenèse, on peut définir trois environnements fondamentaux: les milieux infratidal, inter- et supratidal, continental. Les facteurs les plus importants dans la diagenèse syn-sédimentaire de ces trois milieux sont d'une part, la composition de l'eau: eau de mer dans les zones tidales; eau météorique en milieu continental et d'autre part le contact ou non du sédiment directement avec l'air. Ce dernier facteur nous permet de subdiviser les milieux diagénétiques en deux zones: zone phréatique toujours noyée et zone vadose au-dessus du plan d'eau. Ces deux variables simples sont liées aux trois milieux sédimentaires, l'ensemble de ces rapports étant exprimés figure suivante. Figure: profil schématique localisant les types de ciments précoces et leur environnement de formation. A: subtidal (=zone phréatique marine): ciment aragonitique fibreux à disposition régulière; B: intertidal (=zone vadose marine): ciment aragonitique fibreux à tendance microstalactitique; C: supratidal (=zone vadose marine): aragonite micritique à disposition microstalactitique, associée à des particules à la partie supérieure des cavités; D: continental (=zone vadose météorique): calcite sparitique non magnésienne et silt vadose. Milieu intertidal et diagénèse précoce Les périodes d'exondation et d'ennoyage se marquent par des dépôts et des faciès typiques, parfois rythmiques. L'énergie des dépôts y est souvent élevée; toutefois, suivant l'ampleur des marées, la direction des vents et des courants, la présence ou non d'une barrière, les sédiments seront grossiers ou fins. C'est un milieu où la vie est généralement abondante, mais où les conditions écologiques sont extrêmement difficiles du fait des alternances entre émersion et immersion, des variations de température, d'insolation, de salinité, de pH, de chimisme des eaux. Seuls des organismes spécialement adaptés peuvent y survivre. L'influence du climat est toujours importante, par exemple en ce qui concerne le développement des tapis algo-microbiens, localisés dans l'intertidal en climat aride, dans le supratidal en climat plus humide. C'est dans ce milieu intertidal que l'on 25 rencontre les plages, chenaux de marée, levées, mangroves, etc. C'est aussi avec le milieu supratidal un environnement privilégié de la diagenèse précoce. Une des formations les plus remarquables de la zone intertidale est le "beach-rock" ou "grès de plage" qui résulte de l'induration rapide des sédiments par précipitation de ciment carbonaté entre les grains; Dans la zone de battement des marées, les facteurs diagénétiques sont voisins de ceux du milieu sous-marin, au moins en ce qui concerne l'eau. Néanmoins, l'émersion du littoral implique le contact du sédiment avec l'air et l'existence d'un plan d'eau qui fluctue avec les marées. De plus, l'émersion entraîne l'augmentation de la température des eaux interstitielles et en même temps peut provoquer leur évaporation. Ces facteurs physiques donnent un caractère particulier à la diagenèse. Le "beach-rock" se développe mieux le long des littoraux à agitation modérée; il est rare sur les plages constamment balayées par les vagues et également rare dans les milieux intertidaux à sédiments boueux. Cette cimentation donne lieu à des croûtes indurées en surface, sous lesquelles s'observe le sédiment meuble. La croûte est souvent plus épaisse près de la limite supérieure des marées, c'est-à-dire dans la zone qui se trouve le plus souvent au-dessus du plan d'eau. Parfois en minces pellicules ou en forme de manchons autour des terriers, la lithification atteint une épaisseur d'un mètre environ sur certaines îles du Golfe Persique. Le ciment des "beach rock" est constitué soit d'aragonite, soit de calcite magnésienne fibreuse ou micritique. Les "beach-rocks" se caractérisent par: (1) la répartition irrégulière du ciment en forme de ménisques ou de microstalactites; (2) la présence de brèche sédimentaire; (3) des surfaces durcies irrégulières à l'échelle millimétrique (irrégularités dues à l'attaque algaire) mais avec des macro-perforations peu nombreuses. Beach rock en milieu intertidal (Australie). A: vue générale. B: détail montrant l'incorporation de coquilles et de fragments de grès (flèche). Document 6 : Les figures de stratifications http://www2.ulg.ac.be/geolsed/processus/processus.htm Le litage ("bedding") est l'expression de la stratification à l'échelle du banc (cm et plus) tandis que la lamination représente la stratification à l'échelle du mm et en deçà, au sein des bancs. Litage et lamination sont produits par des changements plus ou moins périodiques dans la sédimentation (variations de la granulométrie, de la composition des sédiments). Les contacts entre lamines successives peuvent être progressif, net ou érosif. 26 Annexe 8 : Les mécanismes de l'érosion marine http://www2.ulg.ac.be/geolsed/processus/processus.htm#L%27ALTERATION%20PHYSIQUE Les principaux agents de l'érosion marine sont les vagues et les courants, auxquels on peut ajouter l'action des embruns salés emportés par le vent ("haloclastie" due à la cristallisation de sel dans la porosité et les fractures). Formation de taffoni (cavités) sur une falaise de basalte, par l'action corrosive des embruns. Cap d'Agde, France. L'action érosive des vagues résulte des facteurs suivants: un mitraillage par le sable et gravier transportés; 2 la pression de l'eau contre les parois (elle peut atteindre 30 tonnes/m ); une succion lorsque les vagues se retirent (déplacement de blocs de plusieurs milliers de tonnes); des vibrations par suite de chocs successifs (phénomènes de résonance). Le matériel sédimentaire mobilisé subit ensuite un tri granulométrique efficace: le matériel fin est emporté vers le large ou déposé dans des zones calmes alors que le matériel grossier s'accumule à proximité de la côte. Les sédiments mis en suspension par les vagues peuvent être également transportés par les courants. Les grains de sable qui subissent l'action des vagues et des courants prennent un aspect luisant ("émoussé-luisant" par opposition au "rond-mat" du transport éolien). A: sable quartzeux éolien dont les grains ont un aspect "rond-mat" (Cervantès, Australie). B: sable marin, également quartzeux, dont les grains ont un aspect "émoussé-luisant" (Kalbarri, Australie). Ces différences reflètent la nature différente de l'agent de transport. 27 Annexe 9 : Eléments de morphoscopie des sables http://pedagogie.ac-montpellier.fr/disciplines/svt/sables/morphosc.htm L'analyse morphoscopique, réalisée sur un sable lavé, est l'examen de la forme et de l'aspect des grains. Elle permet la recherche de la nature de l'agent de transport donc d'usure. On répartit les grains en 3 grandes catégories : N.U. grains non usés, transparents ou colorés, anguleux ont subi un faible transport; E.L. grains émoussés luisants, ont des arêtes estompées par un transport hydrique; R.M. grains ronds mats sont dépoli et arrondis par un transport éolien <- Sable de l'Hérault (Ganges) ce sable fluviatile associe des grains variés EL et quelques grains de quartz NU. Sable côtier (Porquerolles) -> ce sable marin associe des grains de quartz EL et RM, témoignage de la pluralité des agents d'usure côtiers. L'analyse microscopique, d'un sable brut, peut se superposer à l'analyse morphoscopique. Elle permet d'en déterminer tous les constituants (pétrographie, microfossiles ...) et d'en déduire l'origine et les conditions de la mise en place du sédiment. Sur la série de photographies suivante, se lit l'histoire du sédiment, depuis la source jusqu'à l'embouchure du fleuve. Arène granitique (Aigoual) Sable de l'Hérault (Pézenas) Sable côtier (Grau d'Agde) Diversité de la taille et de la nature (quartz, feldspaths, micas, argiles) des particules NU de cette arène montrent la faiblesse de son transport. Les grains encore variés, mieux triés et (en majorité) EL de ce sable fluviatile révèlent l'impact du transport hydraulique sur le matériau d'origine. Ce sable calibré, ou dominent le quartz EL et apparaissent des grains RM, constitue le terme du transport par l'Hérault, sur une centaine de km ,de l'arène originelle. Sable Pliocène à foraminifère (Plaine de l'Hérault) Sur des échantillons plus variés, bien d'autres observations sont réalisables . Sable basaltique - Islande Sable récifal actuel - Antilles 28 Annexe 10 : Composition détritique du sable blanc et du Beach Rock des plages de La Réunion Source : http://bddsvt.ac-reunion.fr/lithotheque_oi/index.php/joomla-fr/histoire-geologique/24-la-lithotheque La taille moyenne des éléments (bioclastes) varie selon les conditions hydrodynamiques existantes sur le site (de 1 mm à St Gilles, 1,4 mm à la Saline et 2 mm et plus suivant les niveaux à Boucan Canot...) Dessins issus d'un document MAFPEN -B. Nourigat 29