Institut d’Enseignement de Promotion Sociale de la CommunautéFrançaise

IEPSCF Namur Cadets Place de l’Ecole des Cadets, 6 – 5000 NAMUR

Eléments de géologie

Chargé de cours : Pierre VASSART – pierre.vassart @ iepscf-namur.be

Année scolaire 2017/2018

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ELEMENTS DE GEOLOGIE

Bibliographie

• Terre, portrait d'une planèteEditions De Boeck

Sites consultés et à consulter

• Site CSTC :◦ NIT 163 : Les roches et les minéraux◦ NIT 228 : Les pierres naturelles

• Site Université Laval www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/intro.pt/planete_terre.html

idem /s1/tectonique.pl.html

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CARACTERISTIQUES GENERALES DE LA TERRE

• 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.

• 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.

• Satellite : la Lune.• Distance Terre – Lune : 381.555 km.

• Atmosphère riche en oxygène. • Présence d'eau sur les 3/4 de sa surface.

• 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

• La Terre est constituée de couches distinctes, d'épaisseurs et de compositions trèsdifférentes : 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 grandesprofondeurs, ce taux diminue à 10°C par km ou moins. Personne n'a jamais mesurédirectement la température au centre de la Terre, mais des calculs récents suggèrentqu'elle pourrait atteindre 4.700 °C.

• La croûte

• La croûte est l'enveloppe superficielle de la Terre. Les géologues font la distinctionentre deux types de croûte fondamentalement distincts : la croûte océanique quiconstitue le plancher des fonds marins et la croûte continentale qui est à la base descontinents.

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• La croûte océanique

• Epaisseur comprise entre 7 et 10 km.• Constituée de couches assez uniformes :

• Au sommet, on a une couverture de sédiments, généralement de moinsd'1 km d'épaisseur, composée d'argile et de minuscules coquilles quise sont déposées au fond de la mer comme le neige tombe au sol.

• Sous cette couverture, la croûte océanique est constituée d'une couchede basalte et, sous celle-ci, d'une couche de gabbro.

• La croûte continentale

• La majeure partie de la croûte continentale a une épaisseur d'environ 35 à 40km, mais son épaisseur varie beaucoup plus que celle de la croûte océanique.Dans les régions appelées les rifts, les continents se sont étirés, leur épaisseurs'est amincie et elle n'atteint plus que 25 km, alors qu'au sein de certaineschaînes de montagnes, les continents se sont contractés et ont accru leurépaisseur qui peut atteindre jusqu'à 70 km.

• Contrairement à la croûte océanique, la croûte continentale contient unegrande variété de roches, de composition mafique à felsique mais, en général,la croûte continentale est moins mafique que la croûte océanique de telle sortequ'un bloc de croûte continentale pèse moins qu'un bloc de croûte océaniquede 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 étantle gaz incolore que nous inhalons quand nous respirons et non commeune substance chimique intervenant dans la composition des roches ;néanmoins, dés lors que l'oxygène se lie à d'autres éléments, il formeune grande variété de minéraux qui forment à leur tour la majeurepartie des roches de la croûte terrestre – d'autre part, le fait que lesatomes d'oxygène sont relativement grands par rapport à leur masse,implique que l'oxygène occupe en fait environ 93% du volume de lacroûte 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 lenoyau. En terme de volume, il constitue la plus grande partie de la Terre.Contrairement à la croûte, le manteau est entièrement constitué d'une rocheultramafique appelée péridotite. Cela signifie que la péridotite, bien qu'elle soit rare àla 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.

• Le noyau

• Le noyau est divisé en deux parties : le noyau externe (entre 2885 et 5155 km deprofondeur) et le noyau interne (dont la profondeur varie de 5155 km jusqu'au centrede la Terre, à 6371 km).

• Le noyau externe est un alliage de fer liquide (composé essentiellement de fer et denickel).

• Le noyau interne est également un alliage de fer et de nickel mais il est solide. Bienqu'il soit plus chaud que le noyau externe, le noyau interne est solide car il est plusprofond et soumis à de plus grandes pressions.

• Les discontinuités

• Deux discontinuités importantes séparent croûte, manteau et noyau : la discontinuitéde Mohorovicic (appelée le Moho) qui marque un contraste de densité entre la croûteet le manteau et la discontinuité de Gutenberg qui marque également un contrasteimportant de densité entre le manteau et le noyau . Enfin, une troisième discontinuitésépare noyau externe et noyau interne : la discontinuité de Lehmann.

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• La lithosphère et l'asthénosphère

• 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 devientsuffisamment molle pour s'écouler.

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LA TECTONIQUE DES PLAQUES

• D'après la théorie de la tectonique des plaques, la lithosphère est divisée en une vingtaine deplaques 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 chaudmonte, ce qui est froid descend ») . Le mouvement des plaques se produit à une vitesse de 1à 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 plaquessituées des deux côtés de la limite :

• Une limite au niveau de laquelle deux plaques s'éloignent est appelée limitedivergente.

• Une limite au niveau de laquelle deux plaques se rapprochent est appelée limiteconvergente.

• Une limite au niveau de laquelle une plaque coulisse le long d'une autre est appeléelimite transformante.

• Limites divergentes

• Les zones de démarrage du mécanisme de mouvement des plaques se trouvent aufond des océans au niveau des dorsales médio-océaniques. Ce sont des limitesdivergentes 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 croûteocéanique (expansion des fonds marins), provoquer l'écartement des plaques et àl'autre bout, l'enfoncement des plaques dans le manteau.

• Limites convergentes

• La Terre étant un volume fini, le fait que les plaques grandissent aux frontièresdivergentes 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 plaquesous 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 unezone de subduction.

• Convergence d'une plaque océanique et d'une plaque continentale: la plaqueocéanique plus dense s'enfonce en-dessous de la plaque continentale.

• Convergence de deux plaques continentales : le moteur du déplacement n'estpas assez fort pour enfoncer une des deux plaques dans l'asthénosphère àcause de la trop faible densité de la lithosphère continentale . Il y asoulèvement et création de chaînes de montagnes.

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LES ROCHES

• Composition élémentaire de la Terre

• Le fer (35%), l'oxygène (30%), le silicium (15%) et le magnésium (10%) constituentla 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 grandevariété de substances . Parmi celles-ci, on distinguera notamment :

• Les minéraux

• Substance au sein de laquelle les atomes sont arrangés suivant une structureordonnée (structure cristalline).

• Les minéraux se forment soit par solidification d'un liquide, soit parprécipitation à partir d'une solution aqueuse (cas du sel qui se forme parprécipitation 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 substancesdépendent à la fois de l'identité des éléments qui le constituent et de la façondont ces éléments sont arrangés et disposés au sein de la structure cristalline.

• Quand on examine la composition de la croûte, deux éléments seulement, Siet O, comptent pour prés de 3/4 de l'ensemble des éléments, il n'est pasétonnant que les minéraux les plus courants contiennent de la silice (SiO2) quiest mélangée selon des proportions variables avec d'autres éléments(typiquement du fer, du magnésium, de l'aluminium, du calcium, dupotassium et du sodium). En fait, le bloc de construction de base d'un minéralsilicaté est le groupe anionique formant tétraèdre composé d'un atome desilicium 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 desautres 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'onrencontre fréquemment . Ils sont un des principaux constituants des rochessédimentaires.

• Les verres

• Substance au sein de laquelle les atomes ne sont pas arrangés selon unestructure ordonnée ;

• Le verre se forme quand un liquide solidifie si vite que les atomes n'ont pas letemps de s'organiser suivant une structure définie.

• Les roches

• Les roches

• Une roche est un solide cohérent que l'on trouve naturellement dans l'environnementet qui est constitué d'un agrégat de minéraux ou d'une masse de verre.

• Cohérent : un ensemble de grains indépendants comme par exemple, lesgrains de sable sur une plage , ne constitue pas une roche. Une rocheconstitue un tout et elle doit être brisée pour être séparée en morceaux. Etantdonné sa cohésion, la roche peut former des falaises et être sculptée.

• Présente naturellement : les matériaux manufacturés tels que bloc de béton etbriques ne sont pas des roches.

• Un agrégat de minéraux ou une masse de verre : la grande majorité des rochessont constituées d'un agrégat de nombreux grains minéraux ou de cristauxaccolés. Certains types de roches qui se forment au niveau des volcans sontconstituées de verre.

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• Roches détritiques et roches cristallines

• 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 autrescomme les pièces d'un puzzle → roches cristallines (granite).

• Roches silicatées

• Les minéraux les plus courants contenant de la silice, il est bien évident qu'il en va demême pour les roches. Aussi la Terre est-elle constituée principalement de rochessilicatées.

• Suivant la proportion de silice par rapport au fer et au magnésium , on distingue 4classes de roches silicatées :

• felsique (ou silicique),• intermédiaire, • mafique,• ultramafique.

• A mesure que la proportion de silice augmente dans la roche, sa densité diminue. Dece 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 lasurface de la Terre ;

• les roches sédimentaires qui se forment par la cimentation de fragments, decoquilles provenant d'organismes vivants (calcaire), de grains qui proviennentde 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 préexistantequi subit des changements (une « métamorphose ») en réponse à desmodifications des conditions de pression et de température et/ou suite à descontraintes 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 couchede sédiments sus-jacente) et la majeure partie de la croûte continentale.

• Roches magmatiques intrusives et extrusives

• Elles résultent de la solidification du magma qui est la substance en fusion qui existesous la surface de la Terre. Cette solidification peut avoir lieu :

• sous la surface de la Terre :solidification du magma injecté dans les rochespréexistantes 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 soitrépandue en surface (ou dans l'océan) → roches magmatiques extrusives(volcaniques) à fins cristaux non visibles à l’œil nu dus à un refroidissementrapide (texture aphanitique : rhyolite, andésite, basalte).

• Principaux types de magmas

• Tout magma contient de la silice. Pour spécifier les différentes catégories de magma,les géologues spécifient simplement les proportions relatives de la silice que lesmagmas 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

• Roche magmatique extrusive (volcanique) la plus fréquente. Il constitue la plusgrande partie de la croûte océanique.

• Riche relativement pauvre en silice (magma mafique), riche en sodium, en calcium eten éléments ferro-magnésiens, ces derniers donnant à la roche sa teinte sombre.

• Le granite

• Roche magmatique intrusive (plutonique) la plus commune. Il constitue la plusgrande 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 laroche mère principalement sous l'effet du vent et de l'érosion et de coquilles provenantd'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 rochessédimentaires occupent plus de 3/4 de la surface des continents. Ils forment une couvertureau-dessus des roches magmatiques et métamorphiques qui constituent les fondations de lacroûte . Cette couverture présente une épaisseur variable. A certains endroits, elle estabsente, 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

• Elles sont constituées de grains qui proviennent de la désagrégation de rochespréexistantes et qui sont :

• emportés vers un autre endroit : l'air, l'eau ou la glace en mouvementtransportent les sédiments,

• déposés et ensevelis,• lithifiés → la lithification est la transformation de sédiments meubles en une

roche solide. La formation de roches sédimentaires requiert généralementl'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 quiétaient piégés entre les débris et ces derniers se pressent fortement les unscontre les autres. Cette compaction jointe à la cimentation (certains minéraux,généralement du quartz ou de la calcite, précipitent çà partir d'eau → ils vontformer un « ciment ») est responsable de la formation des rochessédimentaires détritiques.

• Le sable

• Produit de la décomposition des granites. Le sable des rivières, des lacs et des océansest constitué d'une myriade de grains de qurtz issus de la destruction des granitescontinentaux.

• 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, quisubit des changements de minéralogie et de texture suite à la modification de sonenvironnement.

• Ceci signifie qu'au cours du métamorphisme, c'est-à-dire au cours du processus de formationdes roches métamorphiques, de nouveaux minéraux peuvent se former au dépens desanciens, mais aussi que la forme, la taille et l'arrangement des grains peuvent changer ausein de la roche.

• Les roches subissent le métamorphisme lorsqu'elles sont soumises à une augmentation detempérature 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 espacesvont 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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