Chapitre 7. Le rôle de l`eau dans la transformation des roches

7. Le rôle de l’eau
dans la transformation des roches
A. L’EAU DANS L’ALTÉRATION ET L’ÉROSION
Quelle que soit la nature des roches à la surface du globe, elles subissent les actions
conjuguées des fluides atmosphériques et océaniques, des organismes vivants (animaux
et végétaux) et des conditions climatiques. Il en résulte des transformations qui sont à
l’origine des roches sédimentaires.
L’eau est l’agent fondamental de ces transformations et provoque l’altération et
l’érosion des roches et des minéraux. Les processus d’altération sont de deux types :
l’altération chimique et l’altération mécanique ou érosion.
1. L’altération chimique
Elle permet le développement des sols à partir des roches sous-jacentes dites roches
mères. L’eau est un excellent solvant et permet la dissolution d’éléments chimiques
présents dans les roches et leur évacuation par drainage dans les sols ou encore leur
précipitation. La dissolution des minéraux est d’autant plus importante qu’une roche
est constituée de petits grains ou cristaux autour desquels l’eau peut s’infiltrer. La
surface d’échange totale est plus grande autour de nombreux petits cristaux qu’autour
de gros cristaux pour un même volume de roche. La nature de la roche intervient donc
dans son altération.
Falaise avec poches d’argile rouge (Le Havre)
Profil d’un sol en région tempérée
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2. L’altération mécanique ou érosion
Elle agit par entraînement des particules et
diminue l’épaisseur des sols. Les éléments
sont emmenés par un ruissellement plus ou
moins prononcé en fonction de la pente du
terrain et de la couverture végétale présente.
Les températures basses provoquent le gel
de l’eau au sein des fissures présentes dans
les roches, ce qui entraîne leur fracturation.
L’eau liquide augmente de volume en gelant. La
glace, jouant comme un coin, force l’ouverture
de chaque fissure. L’action répétée du gel et
du dégel par l’alternance de nuit et de jour
entraîne la fracturation des roches : on parle
de gélifraction.
Galet fracturé par le gel
Gélifraction en lames
Les deux processus sont complémentaires :
l’altération mécanique fragmente la roche et
facilite l’altération chimique. L’érosion au cours
du temps façonne les paysages.
Érosion dans des schistes alpins du Col du
Lautaret (05)
Canyon Jokulsa en Islande
Érosion de la berge de la rivière Kacbeni
(Népal) avec habitat troglodytique
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7. Le rôle de l’eau
dans la transformation des roches
B. LES ACTIONS DE L’EAU SUR LA CROÛTE OCÉANIQUE
À chaque étape de l’histoire de la croûte océanique, l’eau est présente :
- dès sa mise en place au niveau des dorsales,
- dans son évolution au cours des temps géologiques au sein de la lithosphère
océanique,
- dans sa disparition dans les zones de subduction.
1. Présentation et origine de la lithosphère océanique
La Terre est structurée en enveloppes concentriques d’épaisseurs, de compositions
chimiques et de densités différentes. L’eau va interférer avec l’enveloppe la plus
superficielle du globe : la croûte océanique. La croûte océanique se met en place au
niveau des dorsales, long relief de 75 000 km qui
parcourt le globe et constitue une frontière entre
deux plaques tectoniques. Ces zones se caractérisent
par des activités sismiques superficielles et
volcaniques dues à des mouvements de divergence
des plaques lithosphériques ; une remontée de
magma y est possible. La lave proche de 1 200° C
qui s’épanche au fond des océans se met en place
sous forme de coussins ou polochons de basalte qui
témoignent d’un refroidissement brutal au contact
d’une eau à quelques degrés (2°C).
L’eau intervient donc dès la mise en place des
basaltes à l’axe des dorsales en provoquant leur
refroidissement rapide et leur débit caractéristique
en coussins.
Les basaltes constituant le fond des océans se
mettent en place à l’axe des dorsales et sont
repoussés de part et d’autre de cet axe au cours
du temps par de nouvelles arrivées de magma.
Sous les basaltes, les magmas refroidissent plus
lentement en profondeur et donnent des gabbros de
même composition mais de structure entièrement
cristalline. Les magmas sont issus de la fusion des
péridotites du manteau sous-jacent. Cette fusion
est rendue possible lors de la remontée du manteau
asthénosphérique par la baisse de la pression
exercée sur les roches. La croûte océanique et
la partie supérieure du manteau ont un même
comportement cassant face aux contraintes : on les
associe au sein de la lithosphère océanique (LO).
Pillow lava Géotime (Oman)
Pillow lava Chenaillet
(Hautes Alpes - France)
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2. Évolution de la lithosphère océanique
En s’éloignant de l’axe des dorsales sous les océans, la lithosphère océanique s’hydrate
et se refroidit. Elle s’épaissit par sa base aux dépens de l’asthénosphère.
L’évolution de la lithoshère océanique au cours du temps, d’après T. Juteau
LITHOSPHÈRE OCÉANIQUE
0 M. A.
6 000 m
DORSALE
60 M. A.
• HYDRATATION
• REFROIDISSEMENT
• ÉPAISSISSEMENT
LITH
OSP
HÈR
E
100 Km
AS
TH
EN
OS
PH
ÈR
E
≈ 1 200° C
isotherme
Plus froide, elle devient plus cassante et se fracture. Une circulation d’eau de mer se
fait au sein des systèmes de fractures : de l’eau froide pénètre, descend, se réchauffe
au contact de la chambre magmatique, se charge en métaux dissous. Un fluide
hydrothermal de faible densité remonte vers la surface en évacuant de la chaleur. On
parle de circulations hydrothermales.
La circulation hydrothermale d’après T. Juteau
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De telles circulations déposent par précipitations de nombreux minéraux et construisent
des fumeurs noirs. Certains peuvent être observés sur des fonds océaniques obduits,
en Oman par exemple.
La circulation hydrothermale au niveau d’une dorsale
et formation d’un fumeur noir
La lithosphère océanique sous l’action de
l’eau se refroidit, s’épaissit, s’hydrate et donc
augmente en densité en s’éloignant de l’axe
de la dorsale.
Fumeurs noirs fossiles à Zuha Oman
Pyroxène + feldspaths + eau
+ épidote + eau
Les roches changent donc de conditions
physico-chimiques : la température diminue
et la teneur en eau augmente. Les espèces
minérales perdent leur stabilité et évoluent
en d’autres minéraux plus hydratés et stables
à température plus basse.
hornblende + feldspaths + eau
chlorite + actinote
Mg2 Si2 O6 + Ca Al2 Si2 O8 + H2O
Na Ca2 (Mg, Fe) 4 Al3Si 6O22 (OH) 2 + Ca Al2 Si2 O8 + H2O
(Mg, Fe, Al) 6 (Si, Al) 4 O10 (OH) 8 + Ca 2 (Mg, Fe) 5 Si O22 (OH) 2 + H2O
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L’interaction de l’eau de mer avec la croûte océanique provoque un métamorphisme
océanique : la composition minéralogique et chimique du basalte est profondément
modifiée. La lithosphère océanique âgée est hydratée et dense, les minéraux qui la
composent contiennent de l’eau.
L’eau présente dans la lithosphère océanique est à l’origine du magmatisme des zones
actives de subduction.
3. La disparition de la lithosphère océanique dans les zones de
subduction
Plus la lithosphère océanique s’éloigne de l’axe des dorsales et plus son épaisseur
et sa masse volumique augmentent. La densité devient telle que, si au cours de son
déplacement la lithosphère océanique est opposée à une autre plaque lithosphérique,
soit continentale soit océanique, elle plonge en profondeur dans le manteau.
Cette situation se rencontre dans un contexte de convergence entre deux plaques
lithosphériques. Dans ce déplacement en profondeur, le paramètre pression augmente
alors que la température évolue peu, la roche conduisant mal la chaleur. L’eau présente
dans les minéraux va être libérée à partir de 80 km de profondeur et va hydrater le
manteau péridotitique de la plaque chevauchante. Cette eau permet la naissance de
magmas à partir des péridotites en abaissant leur point de fusion. Le magma créé
dans ce contexte donne des diorites en profondeur et des andésites et des rhyolites en
surface au cours d’éruptions explosives et violentes. De ce fait, les zones de subduction
sont appelées des marges actives et se caractérisent par une activité sismique et
volcanique importante. Au cours de la subduction et par augmentation de pression, les
espèces minérales vont à nouveau changer et les minéraux vont se déshydrater. L’eau
ainsi libérée permet alors la fusion des péridotites qui la reçoivent.
chlorite + actinote + épidotes > glaucophane + eau > jadéite + grenat
(Mg, Fe, Al) 6 (Si, Al) 4 O10 (OH) 8 + Ca 2 (Mg, Fe) 5 Si O22 (OH) 2 + Ca (Fe 3 +) 3Si 3O12 (OH)
Na2 (Mg Fe) 3 Al 2 Si8 O22 (OH) 2 + H2O
NaAlSi 2O6 + X 3Y2 Si3 O12
C’est encore l’eau qui est à l’origine du magmatisme dans les zones de subduction.
En abaissant le point de fusion des péridotites, elle permet la formation de magma et
donc de volcanisme.
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Diagramme PTt (Pression, Température, temps)
présentant les transformations minéralogiques des roches de la croûte océanique au fur et à
mesure de l’éloignement de la dorsale et lors de la subduction.
Schéma localisant les différents matériaux générés en subduction
et présentant le couplage entre métamorphisme et magmatisme
mouvements
de convergence
mouvements
de convergence
0
500° C
Manteau
supérieur
30
800° C
SB
H2O
Lithosphère
océanique
15
Croûte océanique
SV
1200° C
60
E
1 200° C
Croûte continentale
Profondeur en Km
Diapir de granitoïdes
Stockage des magmas basaltiques
en base de croûte continentale
Domaine d'extraction des magmas
du manteau supérieur hydraté
SV Basaltes et gabbros à minéraux verts
formés par hydrothermalisme
océanique (SV : Schistes verts)
SB Métabasaltes et métagabbros
à glaucophanes (SB : Schistes bleus)
E Métabasaltes et métagabbros
à grenat et jadéite (E : Eclogite)
Isothermes
Source : complément au programme de SVT de Terminale S
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7. Le rôle de l’eau
dans la transformation des roches
C. LE RÔLE DE L’EAU DANS LA SÉDIMENTATION
Dépôt de bord de rivière
Les éléments dissous ou enlevés aux roches au
cours des processus d’érosion et d’altération sont
transportés par l’eau puis déposés.
La sédimentation a lieu en milieu aquatique
continental, lacs et fleuves, et en milieu marin. Les
éléments détritiques, sables et argiles transportés
par les fleuves, se déposent sur les plateformes
continentales. Ces masses de sédiments se
déplacent vers les plaines abyssales des fonds
océaniques. Une sédimentation de pleine mer
existe sous la forme de sédiments pélagiques,
constitués essentiellement de restes d’organismes
planctoniques
microscopiques,
formant
par
exemple des boues calcaires à foraminifères et
coccolithes.
Exemples de foraminifères
Globotruncana
Sur les basaltes des croûtes océaniques l’épaisseur
des sédiments augmente avec l’éloignement depuis
l’axe des dorsales.
Des éléments obtenus par précipitation se déposent
également sur les fonds marins. Au cours des temps
géologiques, les sédiments donnent par compaction les roches sédimentaires qui nous renseignent
sur les climats du passé et sur l’évolution du vivant.
Globigérine
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