Livres de référence - Cercle de Géographie et de Géologie

Initiation à la GEOLOGIE (GEOL-001)
Livres de référence :
• Dercourt & Paquet – Géologie et méthodes – Ed. DUNON.
• M. Mattauer – Ce que disent les pierres – Biblio. Pour la Science.
I. La notion du temps en géologie : le temps profond.
Pourquoi introduire une notion de temps ? Car c’est l’un des buts premiers des géologues,
c’est-à-dire reconstituer l’histoire de la Terre depuis son origine à maintenant. Pour ce faire
les notions de temps sont vitales. La géologie étudie la Terre dans le temps et dans l’espace
(géographiquement).
I.1 Echelle de temps
La Terre à approximativement 4.6 milliards années. La Terre, comme les autres planètes
internes (solides) s’est formée par agrégation de planètisimaux (planètes primaires formée par
agrégation de matière de l’Univers primitif, de 1 à 10km de diamètre). Il a fallut environ
100Ma pour ce faire.
La dernière hypothèse en date pour expliquer la formation de la Terre telle qu’elle est ainsi
que la Lune consiste en :
• Entre 4.6 et 4 milliards d’années il y a eu des bombardements massifs de la Terre dus
à la forte concentration de planetisimaux dans l’espace à cette époque là..
• La Lune serait apparue lors d’un choc avec un objet d’un volume faiblement inférieur
à celui de la Terre. Cet objet était probablement composé de deux sphères
concentriques, l’une, le manteau serait devenu la Lune et l’autre, le coeur, se serait
agrégé à la Terre (4.5 milliards d’années).
Pourquoi y a-t-il une coupure de l’échelle de temps à 540 Ma ?
La période regroupant l’histoire de la Terre de 540Ma à aujourd’hui s’appelle le
PHANEROZOIQUE1.A partir de cette date, la vie laisse de nombreuses traces sous forme de
fossiles . On commence à y voir des fossiles car les êtres vivants se dotent de squelettes
internes ou externes et laissent donc des traces dans la roche.
Stromatolites (+- 3500 Ma), algues bleues vertes. Ne permettaient toujours pas de savoir d’où
vient la vie, on pose donc toutes les hypothèses : la vie vient de l’espace (exemple).
Dans la vue en horloge de 24h du temps :
• 1h = 191.667 Ma.
• 1min = 3.194 Ma.
• 1sec = 53241 ans.
o A 0h apparaît la Terre.
o Entre 0h et 20h49 – Précambrien ou Aphanerozoïque2.
o Entre 20h49 et 22h43 – Paléozoïque.
1 Phaneo = visible, Zoique = être vivant, Période à laquelle on voit des êtres vivants.
2 A = non, Période à laquelle on ne voit pas d’êtres vivants. Ce terme n’est pas approprié. La vie n’a pas laissé de
fossiles faciles à identifier (pas de squelette dans les organismes)
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o Entre 22h43 et 23h40 – Mésozoïque.
o Entre 23h40 et 23h59m29s – Tertiaire.
o 31 dernières secondes – Quaternaire.
L’apparition de la vie hors de l’eau sur Terre se fait au Silurien et Dévonien. On retrouve des
organismes marins, coraux, coquillages au Paléozoïque et les grands organismes au
Mesozoïque. La Terre à subit de nombreuses extinctions massives de la vie à sa surface :
o 245Ma – Extinction en masse, 80 %des familles disparaissent (cas école des
extinctions).
o 65Ma –Extinction des grands reptiles (Dinosaures) – Probablement un impact de
météorite de 25 à 30 km de ∅ à Chixulub (Yucatan).
o Fin Dévonien – Extinctions – Frasnien / Faménien.
o Ordovicien – Extinctions.
I.2 Méthodes d’établissement de cette échelle.
Il existe deux méthodes :
1) Méthode Physique et Chimique : datation absolue
On utilise la radioactivité naturelle de certains éléments qu’on trouve dans les roches. Ce
procédé n’est applicable que depuis la seconde guerre mondiale(pas de spectromètre avant).
Valable pour les roches magmatiques et métamorphiques et rarement sur les roches
sédimentaires. Pour appliquer cette méthode on a recourt à la chronologie ou datation absolue.
Roches Magmatiques :
- Magma – Liquide extrêmement visqueux soumis à des pressions extrêmes
sous la lithosphère (dans l’asthénosphère). Les magmas se dégazent
lorsqu’ils montent et arrivent à la surface..
- Volcanique – Celles qui arrivent en surface et qui se répandent par coulée
ou par explosion , refroidissement rapide – Exemples : Basalte, andésites,
…
- Plutoniques – Celles qui arrivent par épandage dans le sous-sol, se
forment en profondeur => refroidissement lent – Exemple : Granites, …
Roches Sédimentaires :
- Roches formées par l’érosion (rivières,…). Il y a des sédiments (=roches
provenant de la destruction des continents) dans le fond de toutes les
mers. L’accumulation des sédiments forme des roches sédimentaires.
- 2 types de roches sédimentaires :
1) Terrigènes ou détritiques :accumulation de roches préexistantes qui ont été
arrachées aux terres émergées (érosion) et déplacées mécaniquement.
2) Biogènes :origine du vivant
Roches Métamorphiques :
- Magmatiques ou sédimentaires qui ont subi de nouvelles conditions de P
et/ou T, recristallisation à l’état solide – Exemple : Gneiss.
En Belgique on trouve presque exclusivement des roches sédimentaires.
Un tout petit peu de roche Volcanique : dans le Calédonien, à la tendite de la Nelle au Mont
Riggi et à Quenast.
Ainsi qu’un peu de métamorphique en Ardennes et Brabant.
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2) Méthode basée sur la paléontologie.
Technique basée sur l’observation des événements biologiques dont les témoins sont les
fossiles. Cette méthode est donc valable pour les 550 derniers Ma. Pour appliquer cette
méthode on à recourt à la chronologie ou datation relative. Les âges ne sont pas exprimés en
valeurs temporelles, juste en « plus jeune » / « plus vieux ». On remarque donc l’importance
de la, ou des couches où l’on trouve les fossiles.
On applique donc la méthode naturaliste. Elle se compose de deux éléments, l’analyse de la
géométrie et du contenu en fossiles. L’élément de base est donc le terrain. Grâce à cette
méthode on arrive à l’échelle stratigraphique (résultat d’un travail commun entre plusieurs
pays industrialisés), c’est-à-dire l’établissement d’une zonation couche à couche. C’est la
méthode où l’élément de base est le terrain. 1) Observation de la géométrie et du contenu
fossile et 2) Conclusion, affinage de l’échelle stratigraphique.
Historique
D’un point de vue historique les fondements de cette échelle ont été établis par des géologues
anglais à la fin du 18ième siècle.
- Hutton – Un des premiers à comprendre que ce qu’on regarde aujourd’hui
est une clé pour comprendre le passé. [Principe des Causes Actuelles – ou –
Actualisme]. « si l’on regarde ce qui se passe actuellement ,c’est la même
chose qu’avant »
- Smith & Leyll – 1839, ils publient un livre : « Elements of Geology »
reprenant un tableau général des « Fossiliferous Strata ». S&L ont jeté les
bases de ce qui est utilisé aujourd’hui.
 Tertiary
• Newer Pléocène
• Older Pléocène
• Miocène
• Eocène
 Cretaceous
• Chalk
• Greensand
• Wealden
 Olitic
• Upper
• Middle
• Lower
• Lias
 Upper New Red
• Sandstone
• Muschelkalk
 Carboniferous
 Primary Fossiliferous
• Upper silurien
• Cambrien
Cette échelle correspond approximativement à l’échelle que nous connaissons aujourd’hui !
La méthode naturaliste ne pourrait pas être plus précise alors que celle-ci peut encore évoluer.
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I.3 La géochronologie absolue
a) Définition
On appelle géochronologie absolue l’ensemble des méthodes de datation des minéraux et des
roches par les techniques radiométriques basées sur la désintégration radioactive d’éléments
naturels. !! La datation absolue s’applique plus facilement aux roches magmatiques et
métamorphiques qu’aux roches sédimentaires.
Les âges sont dits « absolus » car ils sont exprimés en unité de temps (Ma, 100ka). C’est le
temps exact qui c’est écoulé entre la formation d’une roche (/minéral) et le temps présent
(1950). On peut dater soit la roche soit les minéraux, constitutifs de la roche.
La roche :
- Assemblage, agrégat de minéraux.
- Il n’y a jamais un grand nombre de minéraux différents (4-5) dans une roche
magmatique. Les causes sont les lois de la thermodynamique.
Eléments Majeurs : >1%
- SiO2 , TiO2 , Fe2O3 , Al2O3 , MgO , CaO , Na2O , K2O , (H2O) composent ~98%
Eléments Mineurs :
- S et P ( entre 0.1% et 1%)
Eléments de trace :
- Au. Présents à l’état de traces : < 0.1%. On compte aussi en ppm (part par million)
(1g/tonne).
Minéral :
- Substance naturelle qui possède une structure atomique ordonnée (nom + formule
chimique).
Exemple :
Minéral Nom Roche Syst. cristallin Remarque
NaCl Halite Cubique Face à haute symétrie
CaCO3 Calcite Calcaire (100%) Rhomboédrique
CaMg(CO3)2 Dolomite Dolomie Origine : De Dolomien
SiO2 Quartz Très résistant. Dureté 7
Le granite est une roche formée par 5 ou 6 minéraux majeurs ( 5 ou 6 ϕ)
Minéral Composant Clivage Remarque
Quartz SiO2 Pas de clivage
cassure conchoïdale
Aspect glauque
Feldspath Aluminosilicates Al,
Si,
[
K2OAl2O3 6SiO2
]
Bons clivages ????? Vaste famille, un ou
deux
p
ar roche.
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Mica Blanc : Muscovite Phyllosilicates
Noir : Biotite
Pyroxène
Amphiboles
Exemples :
- Le granite rose (roche magmatique) :
C’est une roche qui a été refroidie lentement dans le temps – 1 temps de cristallisation
- 2 temps de cristallisation (roche volcanique) :
Les grands cristaux se forment dans la chambre magmatique et les petits se forment lors du
brusque refroidissement lors d’une éruption.
- Obsidienne :
C’est un verre volcanique de composition basaltique refroidie extrêmement rapidement. Les
cristaux n’ont pas eu le temps de se former.
On notera qu’il est possible d’avoir des zonations dans les cristaux (ex : Feldspaths, …).
Une zonation est un changement chimique de la composition du cristal au cours de sa formation
Dans les minéraux mineurs qui composent les roches granitiques on notera : l’apatite et les
sulfures, on les nomme « minéraux accessoires ».
Bref Historique
Fin 19ième on pensait que la Terre avait entre 10 et 100 Ma.
La première méthode utilisée pour dater était de se baser sur l’épaisseur des couches, et ainsi
estimer le temps que prenait une couche pour se former. Cette méthode était fausse car on sait
que les dépôts dans les fonds marins ne se font pas de manière uniforme et il existe des séries
condensées et compréhensives.
La seconde méthode établie par Lord Kelvin était basée sur le degré géothermique, on savait
que dans les mines la température augmente de 30°C / 1000m, il a donc estimé le
refroidissement des roches en partant du postulat que la terre avait une surface liquide à sa
naissance : 80 Ma. L’erreur dans le calcul de Kelvin provient du fait que la terre ne chauffe
pas car elle est en fusion, mais parce qu’elle subit la désintégration radioactive de K, Th et U
en son centre.
Le troisième raisonnement = recyclage du NaCl consistait à partir du postulat suivant : à
l’origine il n’y avait pas de sel dans la mer, en calculant la quantité de sel dans la mer et en
faisant le rapport avec la quantité de sel dans les cours d’eau, on peu estimer le temps.
L’erreur commise était qu’une grande partie (50%) du Cl des rivières à subit l’évaporation
avant d’atteindre la mer. La seconde erreur est que il y a beaucoup de Cl piégé dans les
sédiments (évaporites).
En 1905 Rutherford fait le lien entre la radioactivité et la désintégration. Il estime
rapidement l’âge de la terre >500Ma.
En 1910 Baltwood estime le carbonifère à 340Ma et le Dévonien à 370 Ma, il a aussi trouvé
des minéraux précambriens >1 milliard d’année. Il effectue ses calculs sur des gisements
d’Uraninite (UO2  PbO2).
Jusque dans les années 1950 on effectue des datations par des raisonnements indeppas( ??)
sur le U, Th, …