Cours G

ELEMENTS DE GEOLOGIE
+ NIT CSTC 228 et 163
P. VASSART / Bac Construc / IEPSCF – NAMUR
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CARACTERISTIQUES GENERALES DE LA TERRE
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Age : 4,6 milliards d'années.
Dimensions :
• diamètre : 12.700 km ;
• circonférence (équateur) : 40.000 km.
Poids : 5,96.1024 kg.
Surface : 510 millions de km2.
Température moyenne au sol : ± 14°C.
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Troisième planète du système solaire (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne,
Uranus, Neptune et Pluton).
Distance Terre – Soleil : 150 millions de km.
Durée de révolution autour du Soleil : 365,25 jours.
Durée de révolution sur elle-même : 23Hr 56 Min 4 Sec.
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Satellite : la Lune.
Distance Terre – Lune : 381.555 km.
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Atmosphère riche en oxygène.
Présence d'eau sur les 3/4 de sa surface.
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Présence de la vie sur Terre : apparue il y a 3,5 à 3,8 milliards d'années.
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STRUCTURE DE LA TERRE
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La Terre est constituée de couches distinctes, d'épaisseurs et de compositions très
différentes : la croûte, le manteau et le noyau.
Notons d'emblée que température et pression augmente avec la profondeur :
• La pression exercée par les couches sus-jacentes augmente avec la profondeur. Au
centre de la Terre, la pression atteint probablement près de 3.600.000 atm.
• En ce qui concerne la température, dans la partie supérieure de la croûte, elle
augmente de 15 à 50°C par km (gradient géothermique) ; à de plus grandes
profondeurs, ce taux diminue à 10°C par km ou moins. Personne n'a jamais mesuré
directement la température au centre de la Terre, mais des calculs récents suggèrent
qu'elle pourrait atteindre 4.700 °C.
La croûte
•
La croûte est l'enveloppe superficielle de la Terre. Les géologues font la distinction
entre deux types de croûte fondamentalement distincts : la croûte océanique qui
constitue le plancher des fonds marins et la croûte continentale qui est à la base des
continents.
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La croûte océanique
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Epaisseur comprise entre 7 et 10 km.
Constituée de couches assez uniformes :
• Au sommet, on a une couverture de sédiments, généralement de moins
d'1 km d'épaisseur, composée d'argile et de minuscules coquilles qui
se sont déposées au fond de la mer comme le neige tombe au sol.
• Sous cette couverture, la croûte océanique est constituée d'une couche
de basalte et, sous celle-ci, d'une couche de gabbro.
La croûte continentale
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La majeure partie de la croûte continentale a une épaisseur d'environ 35 à 40
km, mais son épaisseur varie beaucoup plus que celle de la croûte océanique.
Dans les régions appelées les rifts, les continents se sont étirés, leur épaisseur
s'est amincie et elle n'atteint plus que 25 km, alors qu'au sein de certaines
chaînes de montagnes, les continents se sont contractés et ont accru leur
épaisseur qui peut atteindre jusqu'à 70 km.
Contrairement à la croûte océanique, la croûte continentale contient une
grande variété de roches, de composition mafique à felsique mais, en général,
la croûte continentale est moins mafique que la croûte océanique de telle sorte
qu'un bloc de croûte continentale pèse moins qu'un bloc de croûte océanique
de même taille.
Composition chimique (en poids) :
• Oxygène : 46,6 % et 93,8 % en volume! (cette observation peut
surprendre car on se représente le plus souvent l'oxygène comme étant
le gaz incolore que nous inhalons quand nous respirons et non comme
une substance chimique intervenant dans la composition des roches ;
néanmoins, dés lors que l'oxygène se lie à d'autres éléments, il forme
une grande variété de minéraux qui forment à leur tour la majeure
partie des roches de la croûte terrestre – d'autre part, le fait que les
atomes d'oxygène sont relativement grands par rapport à leur masse,
implique que l'oxygène occupe en fait environ 93% du volume de la
croûte terrestre).
• Silicium : 27,7%
• Aluminium : 8,1 %
• Fer : 5 %
• Calcium : 3,6 %
• Sodium : 2,8 %
• Potassium : 2,6 %
• Magnésium : 2,1 %
• Autres : 1,5 %
Le manteau
•
•
Le manteau de la Terre forme une couche de ± 2800 km d'épaisseur entourant le
noyau. En terme de volume, il constitue la plus grande partie de la Terre.
Contrairement à la croûte, le manteau est entièrement constitué d'une roche
ultramafique appelée péridotite. Cela signifie que la péridotite, bien qu'elle soit rare à
la surface de la Terre, est la roche la plus abondante de notre planète.
Le manteau est divisé en deux sous-couches : le manteau supérieur et le manteau
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inférieur.
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Le noyau
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Le noyau est divisé en deux parties : le noyau externe (entre 2885 et 5155 km de
profondeur) et le noyau interne (dont la profondeur varie de 5155 km jusqu'au centre
de la Terre, à 6371 km).
Le noyau externe est un alliage de fer liquide (composé essentiellement de fer et de
nickel).
Le noyau interne est également un alliage de fer et de nickel mais il est solide. Bien
qu'il soit plus chaud que le noyau externe, le noyau interne est solide car il est plus
profond et soumis à de plus grandes pressions.
Les discontinuités
•
Deux discontinuités importantes séparent croûte, manteau et noyau : la discontinuité
de Mohorovicic (appelée le Moho) qui marque un contraste de densité entre la croûte
et le manteau et la discontinuité de Gutenberg qui marque également un contraste
important de densité entre le manteau et le noyau . Enfin, une troisième discontinuité
sépare noyau externe et noyau interne : la discontinuité de Lehmann.
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La lithosphère et l'asthénosphère
•
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La couche plastique du manteau supérieur est appelée asthénosphère.
Les deux couches solides qui la surmontent, soit la partie supérieure du manteau
supérieur et la croûte forment la lithosphère.
La limite entre la lithosphère et l'asthénosphère se trouve là où la température est
d'environ 1280 °C puisque c'est à cette température que la roche devient
suffisamment molle pour s'écouler.
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LA TECTONIQUE DES PLAQUES
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D'après la théorie de la tectonique des plaques, la lithosphère est divisée en une vingtaine de
plaques qui se déplacent les unes par rapport aux autres (elles glissent sur l'asthénosphère)
suite aux courants de convection régnant au sein de l'asthénosphère (« ce qui est chaud
monte, ce qui est froid descend ») . Le mouvement des plaques se produit à une vitesse de 1
à 15 cm par an.
C'est la distribution des tremblements de terre qui définit les limites entre les plaques.
Lorsque les plaques bougent, les continents qui en font partie bougent également : c'est ce
que l'on appelle la dérive des continents.
•
On définit trois types de limites de plaques, à partir des mouvements relatifs des plaques
situées des deux côtés de la limite :
• Une limite au niveau de laquelle deux plaques s'éloignent est appelée limite
divergente.
• Une limite au niveau de laquelle deux plaques se rapprochent est appelée limite
convergente.
• Une limite au niveau de laquelle une plaque coulisse le long d'une autre est appelée
limite transformante.
•
Limites divergentes
•
Les zones de démarrage du mécanisme de mouvement des plaques se trouvent au
fond des océans au niveau des dorsales médio-océaniques. Ce sont des limites
divergentes où se crée la croûte océanique (limite divergente constructrice). C'est
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dans ces zones que l'asthénosphère remonte à la surface, commence à fondre,
produisant de la roche en fusion ou du magma qui va produire la nouvelle croûte
océanique (expansion des fonds marins), provoquer l'écartement des plaques et à
l'autre bout, l'enfoncement des plaques dans le manteau.
•
Limites convergentes
•
•
La Terre étant un volume fini, le fait que les plaques grandissent aux frontières
divergentes implique qu'il faudra détruire de la lithosphère ailleurs. Cette
« destruction » se fait au niveau des limites convergentes.
La destruction de plaque se fait par l'enfoncement dans l'asthénosphère d'une plaque
sous l'autre.
• Convergence de deux plaques océaniques : une des deux plaques (la plus
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•
•
dense, généralement la plus vieille) s'enfonce sous l'autre pour former une
zone de subduction.
Convergence d'une plaque océanique et d'une plaque continentale: la plaque
océanique plus dense s'enfonce en-dessous de la plaque continentale.
Convergence de deux plaques continentales : le moteur du déplacement n'est
pas assez fort pour enfoncer une des deux plaques dans l'asthénosphère à
cause de la trop faible densité de la lithosphère continentale . Il y a
soulèvement et création de chaînes de montagnes.
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LES ROCHES
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Composition élémentaire de la Terre
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Le fer (35%), l'oxygène (30%), le silicium (15%) et le magnésium (10%) constituent
la majeure partie de la masse de la Terre.
Les 10% restants sont constitués par les 88 autres éléments .
Catégories de matériaux terrestres
•
Les éléments (atomes) qui composent la Terre se combinent pour former une grande
variété de substances . Parmi celles-ci, on distinguera notamment :
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Les minéraux
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Substance au sein de laquelle les atomes sont arrangés suivant une structure
ordonnée (structure cristalline).
Les minéraux se forment soit par solidification d'un liquide, soit par
précipitation à partir d'une solution aqueuse (cas du sel qui se forme par
précipitation à partir de l'eau de mer, quand l'eau s'évapore).
Les propriétés physiques d'un minéral (par exemple, la forme de ces cristaux,
sa dureté) et sa manière de réagir chimiquement avec d'autres substances
dépendent à la fois de l'identité des éléments qui le constituent et de la façon
dont ces éléments sont arrangés et disposés au sein de la structure cristalline.
Quand on examine la composition de la croûte, deux éléments seulement, Si
et O, comptent pour prés de 3/4 de l'ensemble des éléments, il n'est pas
étonnant que les minéraux les plus courants contiennent de la silice (SiO 2) qui
est mélangée selon des proportions variables avec d'autres éléments
(typiquement du fer, du magnésium, de l'aluminium, du calcium, du
potassium et du sodium). En fait, le bloc de construction de base d'un minéral
silicaté est le groupe anionique formant tétraèdre composé d'un atome de
silicium entouré de quatre atomes d'oxygène.
On peut identifier une énorme variété de minéraux silicatés qui différent les
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uns des autres d'après la manière dont les tétraèdres se lient et en fonction des
autres éléments entrant dans leur composition.
•
•
Le tableau ci-après donne les principales caractéristiques des silicates.
•
Les carbonates constituent également un groupe de minéraux que l'on
rencontre fréquemment . Ils sont un des principaux constituants des roches
sédimentaires.
Les verres
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•
Substance au sein de laquelle les atomes ne sont pas arrangés selon une
structure ordonnée ;
Le verre se forme quand un liquide solidifie si vite que les atomes n'ont pas le
temps de s'organiser suivant une structure définie.
Les roches
Les roches
•
Une roche est un solide cohérent que l'on trouve naturellement dans l'environnement
et qui est constitué d'un agrégat de minéraux ou d'une masse de verre.
• Cohérent : un ensemble de grains indépendants comme par exemple, les
grains de sable sur une plage , ne constitue pas une roche. Une roche
constitue un tout et elle doit être brisée pour être séparée en morceaux. Etant
donné sa cohésion, la roche peut former des falaises et être sculptée.
• Présente naturellement : les matériaux manufacturés tels que bloc de béton et
briques ne sont pas des roches.
• Un agrégat de minéraux ou une masse de verre : la grande majorité des roches
sont constituées d'un agrégat de nombreux grains minéraux ou de cristaux
accolés. Certains types de roches qui se forment au niveau des volcans sont
constituées de verre.
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Roches détritiques et roches cristallines
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Roches silicatées
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•
Les grains d'une roche sont collés ensemble et forment une masse cohérente :
• soit parce qu'ils sont liés par un ciment naturel, c'est-à-dire une substance
minérale qui précipite à partir d'eau et qui remplit l'espace entre les grains →
roches détritiques ( grès) ;
• soit parce que les cristaux constitutif s'emboîtent les uns dans les autres
comme les pièces d'un puzzle → roches cristallines (granite).
Les minéraux les plus courants contenant de la silice, il est bien évident qu'il en va de
même pour les roches. Aussi la Terre est-elle constituée principalement de roches
silicatées.
Suivant la proportion de silice par rapport au fer et au magnésium , on distingue 4
classes de roches silicatées :
• felsique (ou silicique),
• intermédiaire,
• mafique,
• ultramafique.
A mesure que la proportion de silice augmente dans la roche, sa densité diminue. De
ce fait, les roches felsiques sont moins denses que les roches mafiques.
Classification des roches
•
•
Les roches sont classées en 3 groupes suivant la façon dont elles se sont formées :
• les roches magmatiques ou ignées qui se forment par refroidissement
(solidification) du magma qui est la substance en fusion qui existe sous la
surface de la Terre ;
• les roches sédimentaires qui se forment par la cimentation de fragments, de
coquilles provenant d'organismes vivants (calcaire), de grains qui proviennent
de la désagrégation des roches préexistantes sous l'effet du vent et de l'eau ;
• les roches métamorphiques qui se forment à partir d'une roche préexistante
qui subit des changements (une « métamorphose ») en réponse à des
modifications des conditions de pression et de température et/ou suite à des
contraintes d'écrasement, d'étirement ou de cisaillement.
V.P.L.
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LES ROCHES MAGMATIQUES
•
Les roches magmatiques constituent la totalité de la croûte océanique (en excluant la couche
de sédiments sus-jacente) et la majeure partie de la croûte continentale.
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Roches magmatiques intrusives et extrusives
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Principaux types de magmas
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•
Tout magma contient de la silice. Pour spécifier les différentes catégories de magma,
les géologues spécifient simplement les proportions relatives de la silice que les
magmas contiennent. Les types de magmas se classifient comme suit :
• le magma felsique : 66 à 76 % de silice → granite - rhyolite
• le magma intermédiaire : 52 à 66 % de silice → diorite – andésite
• le magma mafique : 45 à 52 % de silice → gabbro – basalte
• le magma ultramafique : 38 à 45 % de silice → péridotite
Le basalte
•
•
•
Elles résultent de la solidification du magma qui est la substance en fusion qui existe
sous la surface de la Terre. Cette solidification peut avoir lieu :
• sous la surface de la Terre :solidification du magma injecté dans les roches
préexistantes de la croûte → roches magmatiques intrusives (ou plutoniques)
à gros cristaux généralement bien visibles dus à un refroidissement lent
(texture phanéritique : granite, diorite, gabbro, péridotite) ;
• en surface : solidification de la lave (magma éjecté) après qu'elle se soit
répandue en surface (ou dans l'océan) → roches magmatiques extrusives
(volcaniques) à fins cristaux non visibles à l’œil nu dus à un refroidissement
rapide (texture aphanitique : rhyolite, andésite, basalte).
Roche magmatique extrusive (volcanique) la plus fréquente. Il constitue la plus
grande partie de la croûte océanique.
Riche relativement pauvre en silice (magma mafique), riche en sodium, en calcium et
en éléments ferro-magnésiens, ces derniers donnant à la roche sa teinte sombre.
Le granite
•
•
•
Roche magmatique intrusive (plutonique) la plus commune. Il constitue la plus
grande partie de la croûte continentale.
Aspect grenu.
Roche riche en silice (magma felsique), en aluminium et en potassium, pauvre en
calcium et en éléments ferro-magnésiens.
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LES ROCHES SEDIMENTAIRES
•
Un sédiment est, en général, constitué de fragments de roches ou de minéraux détachés de la
roche mère principalement sous l'effet du vent et de l'érosion et de coquilles provenant
d'organismes vivants.
•
Une roche sédimentaire est une roche formée par la cimentation de ces sédiments.
•
Bien que ne constituant que moins de 1 % de la masse terrestre, les sédiments et roches
sédimentaires occupent plus de 3/4 de la surface des continents. Ils forment une couverture
au-dessus des roches magmatiques et métamorphiques qui constituent les fondations de la
croûte . Cette couverture présente une épaisseur variable. A certains endroits, elle est
absente, lorsque les roches magmatiques et métamorphiques affleurent à la surface terrestre.
En d'autres endroits, elle peut atteindre jusqu'à plusieurs km d'épaisseur.
•
Les roches sédimentaires détritiques
•
•
Le sable
•
•
Elles sont constituées de grains qui proviennent de la désagrégation de roches
préexistantes et qui sont :
• emportés vers un autre endroit : l'air, l'eau ou la glace en mouvement
transportent les sédiments,
• déposés et ensevelis,
• lithifiés → la lithification est la transformation de sédiments meubles en une
roche solide. La formation de roches sédimentaires requiert généralement
l'ensevelissement des sédiments sous l'action d'autres sédiments. Dans ce cas,
la pression causée par les sédiments sus-jacents expulse l'eau et l'air qui
étaient piégés entre les débris et ces derniers se pressent fortement les uns
contre les autres. Cette compaction jointe à la cimentation (certains minéraux,
généralement du quartz ou de la calcite, précipitent çà partir d'eau → ils vont
former un « ciment ») est responsable de la formation des roches
sédimentaires détritiques.
Produit de la décomposition des granites. Le sable des rivières, des lacs et des océans
est constitué d'une myriade de grains de qurtz issus de la destruction des granites
continentaux.
Principales roches sédimentaires
•
•
le grès ;
le calcaire.
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LES ROCHES METAMORPHIQUES
•
•
Une roche métamorphique est une roche qui se forme à partir d'une roche préexistante, qui
subit des changements de minéralogie et de texture suite à la modification de son
environnement.
Ceci signifie qu'au cours du métamorphisme, c'est-à-dire au cours du processus de formation
des roches métamorphiques, de nouveaux minéraux peuvent se former au dépens des
anciens, mais aussi que la forme, la taille et l'arrangement des grains peuvent changer au
sein de la roche.
•
Les roches subissent le métamorphisme lorsqu'elles sont soumises à une augmentation de
température et/ou de pression.
•
Métamorphisme dû à la chaleur
• Lorsque l'on fait cuire de la pâte à gâteau, la pâte se transforme en un nouveau
matériau : le gâteau.
• Même principe pour les roches
•
Métamorphisme dû à la pression
•
•
A proximité de la surface terrestre, les minéraux présentent des structures cristallines
relativement ouvertes, c'est-à-dire présentant des espaces relativement larges entre
les atomes.Par contre, si on soumet ces minéraux à une pression extrême, ces espaces
vont raccourcir et se faisant, des minéraux plus denses auront tendance à se former.
Classification des roches métamorphiques
• On subdivise les roches métamorphiques en 2 classes générales :
• les roches métamorphiques foliées caractérisées par la répétition de surfaces
ou de couches planes → ardoise, schiste ;
• les roches métamorphiques non foliées → marbres.
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LE CYCLE DES ROCHES
(extrait cours Université Laval « La Planète Terre »)
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CARTES ET COUPES GEOLOGIQUES
Voir site service géologique de Wallonie
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