GEacuteOLOGIELrsquoESSENTIEL EN FICHES

MEacuteMO VISUEL DE

Yves Lagabrielle Directeur de recherche CNRS agrave lrsquoUMR 6118 Geacuteosciences-

Rennes universiteacute de Rennes 1

Reneacute Maury Professeur eacutemeacuterite agrave lrsquouniversiteacute de Bretagne occidentale Brest

Maurice Renard Professeur eacutemeacuterite agrave lrsquouniversiteacute Pierre et Marie Curie (UPMC

Sorbonne Universiteacutes Paris)

2e eacutedition

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copy Dunod 2013 2017

11 rue Paul Bert 92240 Malakoff

ISBN 978-2-10-076928-5

Illustrations de couverture Haut gauche copy howamo-istock com

Haut droite copy compassand camera-istockcomBas gauche copy uschools-istockcom

Bas droite copy Justinreznick-istockcom

Uniformisation des illustrations et mise en page des fiches Bernadette Coleacuteno

copy Dunod 2014

5 rue Laromiguiegravere 75005 Pariswwwdunodcom

ISBN 978-2-10-070528-9

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III

Table des matiegraveres

Avant-propos XIComment utiliser cet ouvrage XII

Partie 1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Fiche 1 Le systegraveme solaire 2Fiche 2 Le Soleil 3Fiche 3 Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres 4Fiche 4 Les meacuteteacuteorites 5Fiche 5 Crategraveres drsquoimpact et impactites 6Fiche 6 La geacuteologie de Mars 7Fiche 7 La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 8Fiche 8 Les magmatismes archeacuteens 9Fiche 9 Les cratons et la croissance continentale 10Fiche 10 Les modegraveles de croissance des continents 11Fiche 11 Eacutevolution de la croucircte continentale 12

Partie 2 Hydrosphegravere et atmosphegravere terrestres

Fiche 12 Lrsquohydrosphegravere et les proprieacuteteacutes de lrsquoeau 14Fiche 13 Lrsquoenveloppe gazeuse lrsquoatmosphegravere terrestre 15Fiche 14 Le bilan thermique de la Terre 16Fiche 15 Les deacuteseacutequilibres thermiques reacutegionaux 17Fiche 16 Circulations atmospheacuteriques et zonation climatique terrestre 18Fiche 17 Un dispositif climatique reacutegional la mousson 19Fiche 18 Les saisons et leur dureacutee 20Fiche 19 Proprieacuteteacutes et composition de lrsquoeau de mer origine de la saliniteacute 21Fiche 20 Les circulations oceacuteaniques (1) spirale drsquoEkman et upwellings 22Fiche 21 Les circulations oceacuteaniques (2) courants de surface et tapis roulant 23Fiche 22 El Nintildeo lrsquooscillation australe 24Fiche 23 La reacutepartition des tempeacuteratures dans lrsquooceacutean 25

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IV

Table des matiegraveresFiche 24 La reacutepartition des saliniteacutes dans lrsquooceacutean 26Fiche 25 Les gaz dissous dans lrsquoeau de mer et la ZOM 27Fiche 26 Circulation thermo-haline circulation haline 28Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 28 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambigu 30Fiche 29 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 30 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 31 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 32 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 33 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 34 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 35 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 38 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 39 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 40 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 41 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43

Partie 3 Seacutedimentologie

Fiche 42 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 43 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 44 Les argiles 48Fiche 45 Alteacuterations et climats 49Fiche 46 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 47 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 48 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 49 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 50 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 51 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 52 Classification granulomeacutetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 53 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 54 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 55 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59

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V

Table des matiegraveres

Fiche 56 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 57 La preacutecipitation des carbonates en milieu marin 61Fiche 58 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 60 Classification des roches carbonateacutees classification de Dunham 64Fiche 61 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 62 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 63 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 64 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 65 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 66 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 67 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine peacutelagique 71Fiche 68 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 69 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 70 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 71 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 72 La diagenegravese 76Fiche 73 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 74 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 75 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 76 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 77 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 78 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82

Partie 4 Stratigraphie

Fiche 79 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 80 La radiochronologie 85Fiche 81 La chimiostratigraphie 86Fiche 82 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 83 La cyclostratigraphie 88Fiche 84 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 85 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 87 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 88 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 90 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95

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VI

Table des matiegraveresFiche 91 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (1) 96Fiche 92 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (2) 97Fiche 93 Lrsquoorigine de la vie 98

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 94 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 95 Les formes de la Terre 101Fiche 96 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 97 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 98 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 99 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 100 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 101 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 102 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 103 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 104 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 105 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 106 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 107 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 108 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 109 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 110 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 111 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 112 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 113 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 115 Lrsquoisostasie 121Fiche 116 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 117 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 118 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 119 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 120 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 121 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 122 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 123 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 124 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 125 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 126 Principe de la tectonique des plaques 132

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VII

Table des matiegraveresFiche 127 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 128 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 129 Les satellites et la geacuteodynamique 135Fiche 130 Tectonique globale et production de nouvelle lithosphegravere oceacuteanique 136

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 131 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 132 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 133 Tectonique souple les plis 140Fiche 134 Les plissements signification dynamique 141Fiche 135 Tectonique cassante les failles 142Fiche 136 Schistositeacute et foliation 143Fiche 137 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 138 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 139 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 140 Les nappes de charriage 147Fiche 141 Les rifts continentaux 148Fiche 142 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 143 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 144 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 145 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 146 Les Alpes occidentales 153Fiche 147 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 148 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 149 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 150 Le modeleacute des paysages 157Fiche 151 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 152 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 153 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 154 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161Fiche 155 Les bassins seacutedimentaires 162

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 156 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 157 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 158 Genegravese des marges passives 166Fiche 159 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167

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VIII

Table des matiegraveresFiche 160 Les marges actives 168Fiche 161 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 162 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 163 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 164 Les dorsales rapides 172Fiche 165 Les dorsales lentes 173Fiche 166 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 167 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 168 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 169 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177Fiche 170 Tectonique globale et eustatisme 178

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 171 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 172 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 173 Classification structurale des silicates 182Fiche 174 Les principaux silicates 183Fiche 175 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 176 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 177 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 178 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 179 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 180 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 181 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 182 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 183 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 184 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 185 Les roches du manteau 194Fiche 186 Les basaltes 195Fiche 187 Les andeacutesites 196Fiche 188 Les granitoiumldes 197Fiche 189 Rhyolites trachytes et phonolites 198

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 190 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 191 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 192 Le volcanisme sous-marin profond 202

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IX

Table des matiegraveresFiche 193 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 194 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204Fiche 195 Les couleacutees pyroclastiques 205Fiche 196 Les grands types de volcans 206Fiche 197 Les volcans boucliers 207Fiche 198 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 199 Les volcans du Massif Central 209Fiche 200 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 201 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 202 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 203 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 204 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 205 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 206 La composition chimique du manteau 216Fiche 207 La fusion partielle du manteau 217Fiche 208 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 209 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 210 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 211 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 212 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 213 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 214 La contamination crustale 224Fiche 215 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 216 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 217 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 218 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 219 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 220 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 221 Les arcs volcaniques 231Fiche 222 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 223 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 224 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 225 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 226 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 227 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 228 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 229 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 230 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

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X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 231 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 232 Les risques volcaniques 243Fiche 233 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 234 Le peacutetrole 245Fiche 235 Le charbon 246Fiche 236 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

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XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles Il a eacuteteacute preacutepareacute par des chercheurs-enseignants anciens membres du jury de lrsquoagreacutegation de sciences de la vie et de la Terre ayant la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines de la geacuteologie sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Cette deuxiegraveme eacutedition a eacuteteacute corrigeacutee et compleacuteteacutee par de nouvelles fiches traitant de sujets dans lesquels drsquoimportantes avanceacutees ont eacuteteacute reacutealiseacutees reacutecemment eacutevolution de lrsquoHomme tectonique globale et eustatisme par exemple De nouvelles fiches de peacutetrographie ont eacutegalement eacuteteacute ajouteacutees

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Michel Pichavant Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

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XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

che

La T

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

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alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

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mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

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200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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2

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Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

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Jupiter Saturne

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Neptune

Ceinture de Kuiper

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UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

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ivers

fi che

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

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tach

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20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

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Eacuteleacutements atmophiles

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Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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fi cheLa T

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

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8Les magmatismes archeacuteens

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copy Dunod 2013 2017

11 rue Paul Bert 92240 Malakoff

ISBN 978-2-10-076928-5

Illustrations de couverture Haut gauche copy howamo-istock com

Haut droite copy compassand camera-istockcomBas gauche copy uschools-istockcom

Bas droite copy Justinreznick-istockcom

Uniformisation des illustrations et mise en page des fiches Bernadette Coleacuteno

copy Dunod 2014

5 rue Laromiguiegravere 75005 Pariswwwdunodcom

ISBN 978-2-10-070528-9

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III

Table des matiegraveres

Avant-propos XIComment utiliser cet ouvrage XII

Partie 1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Fiche 1 Le systegraveme solaire 2Fiche 2 Le Soleil 3Fiche 3 Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres 4Fiche 4 Les meacuteteacuteorites 5Fiche 5 Crategraveres drsquoimpact et impactites 6Fiche 6 La geacuteologie de Mars 7Fiche 7 La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 8Fiche 8 Les magmatismes archeacuteens 9Fiche 9 Les cratons et la croissance continentale 10Fiche 10 Les modegraveles de croissance des continents 11Fiche 11 Eacutevolution de la croucircte continentale 12

Partie 2 Hydrosphegravere et atmosphegravere terrestres

Fiche 12 Lrsquohydrosphegravere et les proprieacuteteacutes de lrsquoeau 14Fiche 13 Lrsquoenveloppe gazeuse lrsquoatmosphegravere terrestre 15Fiche 14 Le bilan thermique de la Terre 16Fiche 15 Les deacuteseacutequilibres thermiques reacutegionaux 17Fiche 16 Circulations atmospheacuteriques et zonation climatique terrestre 18Fiche 17 Un dispositif climatique reacutegional la mousson 19Fiche 18 Les saisons et leur dureacutee 20Fiche 19 Proprieacuteteacutes et composition de lrsquoeau de mer origine de la saliniteacute 21Fiche 20 Les circulations oceacuteaniques (1) spirale drsquoEkman et upwellings 22Fiche 21 Les circulations oceacuteaniques (2) courants de surface et tapis roulant 23Fiche 22 El Nintildeo lrsquooscillation australe 24Fiche 23 La reacutepartition des tempeacuteratures dans lrsquooceacutean 25

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IV

Table des matiegraveresFiche 24 La reacutepartition des saliniteacutes dans lrsquooceacutean 26Fiche 25 Les gaz dissous dans lrsquoeau de mer et la ZOM 27Fiche 26 Circulation thermo-haline circulation haline 28Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 28 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambigu 30Fiche 29 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 30 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 31 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 32 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 33 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 34 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 35 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 38 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 39 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 40 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 41 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43

Partie 3 Seacutedimentologie

Fiche 42 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 43 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 44 Les argiles 48Fiche 45 Alteacuterations et climats 49Fiche 46 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 47 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 48 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 49 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 50 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 51 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 52 Classification granulomeacutetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 53 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 54 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 55 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59

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V

Table des matiegraveres

Fiche 56 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 57 La preacutecipitation des carbonates en milieu marin 61Fiche 58 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 60 Classification des roches carbonateacutees classification de Dunham 64Fiche 61 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 62 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 63 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 64 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 65 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 66 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 67 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine peacutelagique 71Fiche 68 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 69 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 70 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 71 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 72 La diagenegravese 76Fiche 73 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 74 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 75 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 76 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 77 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 78 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82

Partie 4 Stratigraphie

Fiche 79 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 80 La radiochronologie 85Fiche 81 La chimiostratigraphie 86Fiche 82 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 83 La cyclostratigraphie 88Fiche 84 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 85 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 87 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 88 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 90 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95

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VI

Table des matiegraveresFiche 91 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (1) 96Fiche 92 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (2) 97Fiche 93 Lrsquoorigine de la vie 98

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 94 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 95 Les formes de la Terre 101Fiche 96 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 97 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 98 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 99 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 100 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 101 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 102 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 103 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 104 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 105 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 106 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 107 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 108 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 109 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 110 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 111 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 112 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 113 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 115 Lrsquoisostasie 121Fiche 116 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 117 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 118 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 119 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 120 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 121 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 122 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 123 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 124 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 125 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 126 Principe de la tectonique des plaques 132

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VII

Table des matiegraveresFiche 127 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 128 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 129 Les satellites et la geacuteodynamique 135Fiche 130 Tectonique globale et production de nouvelle lithosphegravere oceacuteanique 136

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 131 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 132 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 133 Tectonique souple les plis 140Fiche 134 Les plissements signification dynamique 141Fiche 135 Tectonique cassante les failles 142Fiche 136 Schistositeacute et foliation 143Fiche 137 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 138 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 139 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 140 Les nappes de charriage 147Fiche 141 Les rifts continentaux 148Fiche 142 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 143 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 144 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 145 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 146 Les Alpes occidentales 153Fiche 147 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 148 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 149 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 150 Le modeleacute des paysages 157Fiche 151 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 152 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 153 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 154 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161Fiche 155 Les bassins seacutedimentaires 162

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 156 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 157 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 158 Genegravese des marges passives 166Fiche 159 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167

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VIII

Table des matiegraveresFiche 160 Les marges actives 168Fiche 161 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 162 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 163 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 164 Les dorsales rapides 172Fiche 165 Les dorsales lentes 173Fiche 166 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 167 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 168 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 169 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177Fiche 170 Tectonique globale et eustatisme 178

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 171 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 172 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 173 Classification structurale des silicates 182Fiche 174 Les principaux silicates 183Fiche 175 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 176 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 177 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 178 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 179 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 180 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 181 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 182 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 183 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 184 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 185 Les roches du manteau 194Fiche 186 Les basaltes 195Fiche 187 Les andeacutesites 196Fiche 188 Les granitoiumldes 197Fiche 189 Rhyolites trachytes et phonolites 198

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 190 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 191 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 192 Le volcanisme sous-marin profond 202

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IX

Table des matiegraveresFiche 193 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 194 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204Fiche 195 Les couleacutees pyroclastiques 205Fiche 196 Les grands types de volcans 206Fiche 197 Les volcans boucliers 207Fiche 198 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 199 Les volcans du Massif Central 209Fiche 200 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 201 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 202 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 203 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 204 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 205 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 206 La composition chimique du manteau 216Fiche 207 La fusion partielle du manteau 217Fiche 208 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 209 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 210 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 211 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 212 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 213 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 214 La contamination crustale 224Fiche 215 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 216 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 217 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 218 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 219 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 220 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 221 Les arcs volcaniques 231Fiche 222 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 223 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 224 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 225 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 226 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 227 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 228 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 229 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 230 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

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X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 231 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 232 Les risques volcaniques 243Fiche 233 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 234 Le peacutetrole 245Fiche 235 Le charbon 246Fiche 236 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

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XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles Il a eacuteteacute preacutepareacute par des chercheurs-enseignants anciens membres du jury de lrsquoagreacutegation de sciences de la vie et de la Terre ayant la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines de la geacuteologie sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Cette deuxiegraveme eacutedition a eacuteteacute corrigeacutee et compleacuteteacutee par de nouvelles fiches traitant de sujets dans lesquels drsquoimportantes avanceacutees ont eacuteteacute reacutealiseacutees reacutecemment eacutevolution de lrsquoHomme tectonique globale et eustatisme par exemple De nouvelles fiches de peacutetrographie ont eacutegalement eacuteteacute ajouteacutees

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Michel Pichavant Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

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XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

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apregrave

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e H 2O + CO2

+ SiO2

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alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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2

ficheLa T

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egravete

dan

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ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

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ivers

fi che

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

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tach

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olai

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20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

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Eacuteleacutements atmophiles

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Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

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CO CO COCC CC

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3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

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8Les magmatismes archeacuteens

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III

Table des matiegraveres

Avant-propos XIComment utiliser cet ouvrage XII

Partie 1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Fiche 1 Le systegraveme solaire 2Fiche 2 Le Soleil 3Fiche 3 Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres 4Fiche 4 Les meacuteteacuteorites 5Fiche 5 Crategraveres drsquoimpact et impactites 6Fiche 6 La geacuteologie de Mars 7Fiche 7 La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 8Fiche 8 Les magmatismes archeacuteens 9Fiche 9 Les cratons et la croissance continentale 10Fiche 10 Les modegraveles de croissance des continents 11Fiche 11 Eacutevolution de la croucircte continentale 12

Partie 2 Hydrosphegravere et atmosphegravere terrestres

Fiche 12 Lrsquohydrosphegravere et les proprieacuteteacutes de lrsquoeau 14Fiche 13 Lrsquoenveloppe gazeuse lrsquoatmosphegravere terrestre 15Fiche 14 Le bilan thermique de la Terre 16Fiche 15 Les deacuteseacutequilibres thermiques reacutegionaux 17Fiche 16 Circulations atmospheacuteriques et zonation climatique terrestre 18Fiche 17 Un dispositif climatique reacutegional la mousson 19Fiche 18 Les saisons et leur dureacutee 20Fiche 19 Proprieacuteteacutes et composition de lrsquoeau de mer origine de la saliniteacute 21Fiche 20 Les circulations oceacuteaniques (1) spirale drsquoEkman et upwellings 22Fiche 21 Les circulations oceacuteaniques (2) courants de surface et tapis roulant 23Fiche 22 El Nintildeo lrsquooscillation australe 24Fiche 23 La reacutepartition des tempeacuteratures dans lrsquooceacutean 25

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IV

Table des matiegraveresFiche 24 La reacutepartition des saliniteacutes dans lrsquooceacutean 26Fiche 25 Les gaz dissous dans lrsquoeau de mer et la ZOM 27Fiche 26 Circulation thermo-haline circulation haline 28Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 28 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambigu 30Fiche 29 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 30 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 31 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 32 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 33 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 34 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 35 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 38 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 39 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 40 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 41 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43

Partie 3 Seacutedimentologie

Fiche 42 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 43 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 44 Les argiles 48Fiche 45 Alteacuterations et climats 49Fiche 46 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 47 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 48 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 49 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 50 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 51 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 52 Classification granulomeacutetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 53 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 54 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 55 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59

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V

Table des matiegraveres

Fiche 56 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 57 La preacutecipitation des carbonates en milieu marin 61Fiche 58 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 60 Classification des roches carbonateacutees classification de Dunham 64Fiche 61 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 62 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 63 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 64 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 65 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 66 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 67 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine peacutelagique 71Fiche 68 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 69 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 70 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 71 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 72 La diagenegravese 76Fiche 73 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 74 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 75 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 76 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 77 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 78 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82

Partie 4 Stratigraphie

Fiche 79 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 80 La radiochronologie 85Fiche 81 La chimiostratigraphie 86Fiche 82 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 83 La cyclostratigraphie 88Fiche 84 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 85 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 87 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 88 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 90 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95

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VI

Table des matiegraveresFiche 91 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (1) 96Fiche 92 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (2) 97Fiche 93 Lrsquoorigine de la vie 98

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 94 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 95 Les formes de la Terre 101Fiche 96 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 97 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 98 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 99 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 100 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 101 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 102 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 103 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 104 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 105 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 106 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 107 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 108 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 109 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 110 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 111 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 112 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 113 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 115 Lrsquoisostasie 121Fiche 116 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 117 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 118 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 119 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 120 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 121 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 122 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 123 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 124 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 125 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 126 Principe de la tectonique des plaques 132

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VII

Table des matiegraveresFiche 127 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 128 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 129 Les satellites et la geacuteodynamique 135Fiche 130 Tectonique globale et production de nouvelle lithosphegravere oceacuteanique 136

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 131 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 132 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 133 Tectonique souple les plis 140Fiche 134 Les plissements signification dynamique 141Fiche 135 Tectonique cassante les failles 142Fiche 136 Schistositeacute et foliation 143Fiche 137 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 138 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 139 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 140 Les nappes de charriage 147Fiche 141 Les rifts continentaux 148Fiche 142 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 143 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 144 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 145 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 146 Les Alpes occidentales 153Fiche 147 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 148 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 149 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 150 Le modeleacute des paysages 157Fiche 151 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 152 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 153 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 154 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161Fiche 155 Les bassins seacutedimentaires 162

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 156 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 157 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 158 Genegravese des marges passives 166Fiche 159 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167

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VIII

Table des matiegraveresFiche 160 Les marges actives 168Fiche 161 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 162 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 163 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 164 Les dorsales rapides 172Fiche 165 Les dorsales lentes 173Fiche 166 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 167 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 168 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 169 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177Fiche 170 Tectonique globale et eustatisme 178

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 171 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 172 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 173 Classification structurale des silicates 182Fiche 174 Les principaux silicates 183Fiche 175 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 176 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 177 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 178 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 179 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 180 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 181 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 182 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 183 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 184 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 185 Les roches du manteau 194Fiche 186 Les basaltes 195Fiche 187 Les andeacutesites 196Fiche 188 Les granitoiumldes 197Fiche 189 Rhyolites trachytes et phonolites 198

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 190 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 191 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 192 Le volcanisme sous-marin profond 202

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IX

Table des matiegraveresFiche 193 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 194 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204Fiche 195 Les couleacutees pyroclastiques 205Fiche 196 Les grands types de volcans 206Fiche 197 Les volcans boucliers 207Fiche 198 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 199 Les volcans du Massif Central 209Fiche 200 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 201 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 202 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 203 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 204 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 205 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 206 La composition chimique du manteau 216Fiche 207 La fusion partielle du manteau 217Fiche 208 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 209 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 210 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 211 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 212 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 213 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 214 La contamination crustale 224Fiche 215 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 216 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 217 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 218 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 219 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 220 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 221 Les arcs volcaniques 231Fiche 222 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 223 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 224 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 225 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 226 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 227 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 228 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 229 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 230 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

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X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 231 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 232 Les risques volcaniques 243Fiche 233 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 234 Le peacutetrole 245Fiche 235 Le charbon 246Fiche 236 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

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XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles Il a eacuteteacute preacutepareacute par des chercheurs-enseignants anciens membres du jury de lrsquoagreacutegation de sciences de la vie et de la Terre ayant la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines de la geacuteologie sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Cette deuxiegraveme eacutedition a eacuteteacute corrigeacutee et compleacuteteacutee par de nouvelles fiches traitant de sujets dans lesquels drsquoimportantes avanceacutees ont eacuteteacute reacutealiseacutees reacutecemment eacutevolution de lrsquoHomme tectonique globale et eustatisme par exemple De nouvelles fiches de peacutetrographie ont eacutegalement eacuteteacute ajouteacutees

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Michel Pichavant Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

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XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

che

La T

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rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

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e H 2O + CO2

+ SiO2

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alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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2

ficheLa T

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egravete

dan

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ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

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fi che

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

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olai

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20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

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Eacuteleacutements atmophiles

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Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

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e e

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200

6

prot

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mos

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e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

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reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

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150

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lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

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8Les magmatismes archeacuteens

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IV

Table des matiegraveresFiche 24 La reacutepartition des saliniteacutes dans lrsquooceacutean 26Fiche 25 Les gaz dissous dans lrsquoeau de mer et la ZOM 27Fiche 26 Circulation thermo-haline circulation haline 28Fiche 27 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene comportements dans les eaux et les glaces 29Fiche 28 Les isotopes stables de lrsquooxygegravene dans les carbonates un paleacuteothermomegravetre ambigu 30Fiche 29 Donneacutees isotopiques sur le climat et la paleacuteoceacuteanographie du Creacutetaceacute sup agrave lrsquoactuel 31Fiche 30 La theacuteorie astronomique du climat (theacuteorie de Milankovitch) 32Fiche 31 La stratigraphie isotopique du Quaternaire les stades isotopiques 33Fiche 32 Fluctuations du rapport isotopique de lrsquooxygegravene et theacuteorie de Milankovitch 34Fiche 33 Les rapports isotopiques de lrsquooxygegravene dans les glaces des calottes polaires 35Fiche 34 Les controcircles du climat terrestre 36Fiche 35 Les fluctuations climatiques de second ordre 37Fiche 36 Les fluctuations climatiques de 3e ordre la glaciation du Wuumlrm 38Fiche 37 Les fluctuations climatiques de 3e ordre les eacuteveacutenements hautes freacutequences 39Fiche 38 Les fluctuations climatiques de 4e ordre les eacuteveacutenements rapides 40Fiche 39 Eacutevolution des tempeacuteratures moyennes terrestres depuis le Meacutesozoiumlque 41Fiche 40 Preacutevisions sur lrsquoeacutevolution du climat terrestre 42Fiche 41 Les geacuteographies preacutedictives pour des taux de C02 double ou quadruple 43

Partie 3 Seacutedimentologie

Fiche 42 La laquo machine raquo seacutedimentaire terrestre 46Fiche 43 Les processus drsquoalteacuteration ndash Diagramme de Goldschmidt 47Fiche 44 Les argiles 48Fiche 45 Alteacuterations et climats 49Fiche 46 Les profils drsquoalteacuteration biostasie et rhexistasie 50Fiche 47 Alteacuterations et apports particulaires agrave lrsquooceacutean 51Fiche 48 Transport et seacutedimentation des particules 52Fiche 49 Structures seacutedimentaires associeacutees agrave un courant unidirectionnel 53Fiche 50 Structures seacutedimentaires lieacutees aux vagues Zonation hydrodynamique de la plate-forme 54Fiche 51 Structures et figures seacutedimentaires (mareacutees courants et bioturbation) 55Fiche 52 Classification granulomeacutetrique des roches seacutedimentaires 56Fiche 53 Seacutedimentation et environnements fluviatiles 57Fiche 54 Le domaine fluvio-marin estuaires et deltas 58Fiche 55 Seacutedimentation chimique mineacuteraux et roches eacutevaporitiques 59

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V

Table des matiegraveres

Fiche 56 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 57 La preacutecipitation des carbonates en milieu marin 61Fiche 58 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 60 Classification des roches carbonateacutees classification de Dunham 64Fiche 61 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 62 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 63 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 64 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 65 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 66 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 67 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine peacutelagique 71Fiche 68 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 69 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 70 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 71 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 72 La diagenegravese 76Fiche 73 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 74 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 75 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 76 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 77 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 78 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82

Partie 4 Stratigraphie

Fiche 79 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 80 La radiochronologie 85Fiche 81 La chimiostratigraphie 86Fiche 82 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 83 La cyclostratigraphie 88Fiche 84 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 85 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 87 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 88 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 90 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95

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VI

Table des matiegraveresFiche 91 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (1) 96Fiche 92 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (2) 97Fiche 93 Lrsquoorigine de la vie 98

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 94 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 95 Les formes de la Terre 101Fiche 96 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 97 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 98 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 99 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 100 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 101 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 102 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 103 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 104 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 105 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 106 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 107 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 108 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 109 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 110 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 111 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 112 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 113 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 115 Lrsquoisostasie 121Fiche 116 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 117 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 118 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 119 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 120 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 121 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 122 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 123 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 124 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 125 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 126 Principe de la tectonique des plaques 132

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VII

Table des matiegraveresFiche 127 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 128 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 129 Les satellites et la geacuteodynamique 135Fiche 130 Tectonique globale et production de nouvelle lithosphegravere oceacuteanique 136

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 131 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 132 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 133 Tectonique souple les plis 140Fiche 134 Les plissements signification dynamique 141Fiche 135 Tectonique cassante les failles 142Fiche 136 Schistositeacute et foliation 143Fiche 137 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 138 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 139 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 140 Les nappes de charriage 147Fiche 141 Les rifts continentaux 148Fiche 142 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 143 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 144 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 145 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 146 Les Alpes occidentales 153Fiche 147 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 148 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 149 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 150 Le modeleacute des paysages 157Fiche 151 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 152 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 153 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 154 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161Fiche 155 Les bassins seacutedimentaires 162

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 156 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 157 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 158 Genegravese des marges passives 166Fiche 159 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167

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VIII

Table des matiegraveresFiche 160 Les marges actives 168Fiche 161 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 162 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 163 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 164 Les dorsales rapides 172Fiche 165 Les dorsales lentes 173Fiche 166 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 167 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 168 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 169 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177Fiche 170 Tectonique globale et eustatisme 178

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 171 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 172 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 173 Classification structurale des silicates 182Fiche 174 Les principaux silicates 183Fiche 175 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 176 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 177 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 178 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 179 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 180 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 181 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 182 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 183 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 184 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 185 Les roches du manteau 194Fiche 186 Les basaltes 195Fiche 187 Les andeacutesites 196Fiche 188 Les granitoiumldes 197Fiche 189 Rhyolites trachytes et phonolites 198

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 190 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 191 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 192 Le volcanisme sous-marin profond 202

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IX

Table des matiegraveresFiche 193 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 194 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204Fiche 195 Les couleacutees pyroclastiques 205Fiche 196 Les grands types de volcans 206Fiche 197 Les volcans boucliers 207Fiche 198 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 199 Les volcans du Massif Central 209Fiche 200 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 201 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 202 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 203 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 204 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 205 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 206 La composition chimique du manteau 216Fiche 207 La fusion partielle du manteau 217Fiche 208 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 209 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 210 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 211 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 212 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 213 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 214 La contamination crustale 224Fiche 215 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 216 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 217 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 218 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 219 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 220 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 221 Les arcs volcaniques 231Fiche 222 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 223 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 224 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 225 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 226 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 227 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 228 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 229 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 230 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

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X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 231 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 232 Les risques volcaniques 243Fiche 233 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 234 Le peacutetrole 245Fiche 235 Le charbon 246Fiche 236 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

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XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles Il a eacuteteacute preacutepareacute par des chercheurs-enseignants anciens membres du jury de lrsquoagreacutegation de sciences de la vie et de la Terre ayant la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines de la geacuteologie sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Cette deuxiegraveme eacutedition a eacuteteacute corrigeacutee et compleacuteteacutee par de nouvelles fiches traitant de sujets dans lesquels drsquoimportantes avanceacutees ont eacuteteacute reacutealiseacutees reacutecemment eacutevolution de lrsquoHomme tectonique globale et eustatisme par exemple De nouvelles fiches de peacutetrographie ont eacutegalement eacuteteacute ajouteacutees

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Michel Pichavant Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

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XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

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alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

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STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

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reacutesid

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CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

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phegravere H 2O + CO2

Gre

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Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

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regraves

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200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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2

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Le systegraveme solaire

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UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

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ivers

fi che

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

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tach

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20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

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Eacuteleacutements atmophiles

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Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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fi cheLa T

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

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8Les magmatismes archeacuteens

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V

Table des matiegraveres

Fiche 56 Les environnements oceacuteaniques et les diffeacuterents types de plates-formes 60Fiche 57 La preacutecipitation des carbonates en milieu marin 61Fiche 58 La mineacuteralogie des carbonates seacutedimentaires 62Fiche 59 Classification des roches carbonateacutees classification de Folk 63Fiche 60 Classification des roches carbonateacutees classification de Dunham 64Fiche 61 Les producteurs carbonateacutes neacuteritiques les associations Heterozoan et Photozoan 65Fiche 62 Reacutecifs et seacutedimentation reacutecifale 66Fiche 63 Les modegraveles de faciegraves des plates-formes 67Fiche 64 Un exemple actuel de rampe carbonateacutee le sud du Golfe Persique 68Fiche 65 Un exemple actuel de haut-fond carbonateacute le Grand Banc des Bahamas 69Fiche 66 La seacutedimentation peacutelagique lysocline et CCD 70Fiche 67 Les producteurs de mineacuteraux biogegravenes du domaine peacutelagique 71Fiche 68 Reacutepartition des diffeacuterents types de seacutediments dans lrsquooceacutean actuel 72Fiche 69 Le controcircle climatique de la seacutedimentation peacutelagique 73Fiche 70 Seacutedimentation oceacuteanique mobiliteacute lithospheacuterique et fluctuations de la CCD 74Fiche 71 Bilan de la seacutedimentation carbonateacutee marine 75Fiche 72 La diagenegravese 76Fiche 73 Dolomies et dolomitisation 77Fiche 74 Lrsquoenvironnement de la seacutedimentation gravitaire 78Fiche 75 Les courants de turbiditeacute 79Fiche 76 Les seacutequences turbiditiques Bouma et Lowe 80Fiche 77 Le modegravele du cocircne sous-marin 81Fiche 78 Les faciegraves gravitaires de Mutti 82

Partie 4 Stratigraphie

Fiche 79 Principes de la stratigraphie notions de biozone et chronozone 84Fiche 80 La radiochronologie 85Fiche 81 La chimiostratigraphie 86Fiche 82 Le rapport isotopique du carbone 87Fiche 83 La cyclostratigraphie 88Fiche 84 La stratigraphie seacutequentielle 89Fiche 85 Les fluctuations eustatiques 90Fiche 86 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (1) 91Fiche 87 Lrsquoeacutechelle stratigraphique internationale (2) 92Fiche 88 Les grandes crises du monde vivant la crise CreacutetaceacuteTertiaire 93Fiche 89 Quelques fossiles stratigraphiques du Primaire 94Fiche 90 Quelques fossiles stratigraphiques du Meacuteso-Ceacutenozoiumlque 95

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VI

Table des matiegraveresFiche 91 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (1) 96Fiche 92 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (2) 97Fiche 93 Lrsquoorigine de la vie 98

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 94 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 95 Les formes de la Terre 101Fiche 96 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 97 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 98 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 99 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 100 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 101 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 102 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 103 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 104 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 105 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 106 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 107 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 108 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 109 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 110 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 111 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 112 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 113 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 115 Lrsquoisostasie 121Fiche 116 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 117 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 118 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 119 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 120 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 121 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 122 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 123 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 124 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 125 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 126 Principe de la tectonique des plaques 132

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VII

Table des matiegraveresFiche 127 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 128 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 129 Les satellites et la geacuteodynamique 135Fiche 130 Tectonique globale et production de nouvelle lithosphegravere oceacuteanique 136

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 131 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 132 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 133 Tectonique souple les plis 140Fiche 134 Les plissements signification dynamique 141Fiche 135 Tectonique cassante les failles 142Fiche 136 Schistositeacute et foliation 143Fiche 137 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 138 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 139 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 140 Les nappes de charriage 147Fiche 141 Les rifts continentaux 148Fiche 142 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 143 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 144 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 145 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 146 Les Alpes occidentales 153Fiche 147 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 148 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 149 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 150 Le modeleacute des paysages 157Fiche 151 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 152 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 153 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 154 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161Fiche 155 Les bassins seacutedimentaires 162

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 156 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 157 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 158 Genegravese des marges passives 166Fiche 159 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167

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VIII

Table des matiegraveresFiche 160 Les marges actives 168Fiche 161 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 162 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 163 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 164 Les dorsales rapides 172Fiche 165 Les dorsales lentes 173Fiche 166 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 167 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 168 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 169 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177Fiche 170 Tectonique globale et eustatisme 178

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 171 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 172 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 173 Classification structurale des silicates 182Fiche 174 Les principaux silicates 183Fiche 175 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 176 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 177 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 178 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 179 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 180 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 181 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 182 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 183 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 184 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 185 Les roches du manteau 194Fiche 186 Les basaltes 195Fiche 187 Les andeacutesites 196Fiche 188 Les granitoiumldes 197Fiche 189 Rhyolites trachytes et phonolites 198

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 190 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 191 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 192 Le volcanisme sous-marin profond 202

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IX

Table des matiegraveresFiche 193 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 194 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204Fiche 195 Les couleacutees pyroclastiques 205Fiche 196 Les grands types de volcans 206Fiche 197 Les volcans boucliers 207Fiche 198 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 199 Les volcans du Massif Central 209Fiche 200 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 201 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 202 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 203 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 204 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 205 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 206 La composition chimique du manteau 216Fiche 207 La fusion partielle du manteau 217Fiche 208 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 209 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 210 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 211 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 212 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 213 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 214 La contamination crustale 224Fiche 215 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 216 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 217 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 218 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 219 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 220 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 221 Les arcs volcaniques 231Fiche 222 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 223 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 224 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 225 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 226 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 227 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 228 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 229 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 230 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

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X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 231 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 232 Les risques volcaniques 243Fiche 233 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 234 Le peacutetrole 245Fiche 235 Le charbon 246Fiche 236 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

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XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles Il a eacuteteacute preacutepareacute par des chercheurs-enseignants anciens membres du jury de lrsquoagreacutegation de sciences de la vie et de la Terre ayant la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines de la geacuteologie sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Cette deuxiegraveme eacutedition a eacuteteacute corrigeacutee et compleacuteteacutee par de nouvelles fiches traitant de sujets dans lesquels drsquoimportantes avanceacutees ont eacuteteacute reacutealiseacutees reacutecemment eacutevolution de lrsquoHomme tectonique globale et eustatisme par exemple De nouvelles fiches de peacutetrographie ont eacutegalement eacuteteacute ajouteacutees

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Michel Pichavant Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

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XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

che

La T

err

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lan

egravete

dan

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rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

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+ SiO2

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egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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2

ficheLa T

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e

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dan

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ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

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anegravet

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01 1 10 100

10

8

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4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

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3

La T

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egravete

dan

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ivers

fi che

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

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ent s

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middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

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res

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20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

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10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

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Eacuteleacutements atmophiles

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NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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fi cheLa T

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ieacute

drsquoap

regraves H

Mar

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Alb

aregraved

e e

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200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

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regraves

Mar

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200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

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2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

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VI

Table des matiegraveresFiche 91 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (1) 96Fiche 92 Lrsquoeacutevolution de lrsquoHomme (2) 97Fiche 93 Lrsquoorigine de la vie 98

Partie 5 Structure de la Terre et geacuteodynamique globale

Fiche 94 Lrsquoattraction universelle et la masse de la Terre 100Fiche 95 Les formes de la Terre 101Fiche 96 Repreacutesenter le globe les projections 102Fiche 97 Densiteacute et composition chimique des enveloppes de la Terre 103Fiche 98 Seacuteismes et ondes sismiques 104Fiche 99 Enregistrement et localisation des seacuteismes 105Fiche 100 Trajet et vitesse des rais sismiques 106Fiche 101 Propagation des ondes sismiques dans le globe terrestre 107Fiche 102 Les apports de la sismologie un modegravele de Terre spheacuterique 108Fiche 103 La lithosphegravere et la zone agrave moindre vitesse 109Fiche 104 Lithosphegravere et astheacutenosphegravere 110Fiche 105 Dynamique de la lithosphegravere 111Fiche 106 Le cycle de la lithosphegravere oceacuteanique 112Fiche 107 La croucircte terrestre continents et oceacuteans 113Fiche 108 Le champ magneacutetique terrestre 114Fiche 109 Le noyau terrestre La fossilisation du champ magneacutetique 115Fiche 110 Le paleacuteomagneacutetisme et la mobiliteacute continentale 116Fiche 111 Les inversions du champ magneacutetique terrestre les anomalies magneacutetiques 117Fiche 112 Anomalies magneacutetiques lrsquoacircge de la lithosphegravere oceacuteanique 118Fiche 113 Carte de lrsquoacircge des fonds oceacuteaniques 119Fiche 114 Le champ de pesanteur terrestre la gravimeacutetrie 120Fiche 115 Lrsquoisostasie 121Fiche 116 Le champ de pesanteur terrestre le geacuteoiumlde 122Fiche 117 Le flux thermique et la convection du manteau 123Fiche 118 Les modegraveles de convection du manteau 124Fiche 119 Les panaches mantelliques et les points chauds 125Fiche 120 Les panaches et la convection du manteau infeacuterieur 126Fiche 121 La magnitude des seacuteismes 127Fiche 122 Le meacutecanisme aux foyers des seacuteismes 128Fiche 123 Les seacuteismes et la geacuteodynamique 129Fiche 124 La sismiciteacute mondiale limites des plaques lithospheacuteriques 130Fiche 125 Les modegraveles de plaques lithospheacuteriques 131Fiche 126 Principe de la tectonique des plaques 132

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VII

Table des matiegraveresFiche 127 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 128 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 129 Les satellites et la geacuteodynamique 135Fiche 130 Tectonique globale et production de nouvelle lithosphegravere oceacuteanique 136

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 131 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 132 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 133 Tectonique souple les plis 140Fiche 134 Les plissements signification dynamique 141Fiche 135 Tectonique cassante les failles 142Fiche 136 Schistositeacute et foliation 143Fiche 137 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 138 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 139 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 140 Les nappes de charriage 147Fiche 141 Les rifts continentaux 148Fiche 142 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 143 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 144 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 145 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 146 Les Alpes occidentales 153Fiche 147 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 148 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 149 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 150 Le modeleacute des paysages 157Fiche 151 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 152 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 153 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 154 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161Fiche 155 Les bassins seacutedimentaires 162

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 156 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 157 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 158 Genegravese des marges passives 166Fiche 159 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167

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VIII

Table des matiegraveresFiche 160 Les marges actives 168Fiche 161 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 162 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 163 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 164 Les dorsales rapides 172Fiche 165 Les dorsales lentes 173Fiche 166 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 167 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 168 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 169 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177Fiche 170 Tectonique globale et eustatisme 178

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 171 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 172 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 173 Classification structurale des silicates 182Fiche 174 Les principaux silicates 183Fiche 175 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 176 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 177 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 178 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 179 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 180 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 181 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 182 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 183 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 184 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 185 Les roches du manteau 194Fiche 186 Les basaltes 195Fiche 187 Les andeacutesites 196Fiche 188 Les granitoiumldes 197Fiche 189 Rhyolites trachytes et phonolites 198

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 190 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 191 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 192 Le volcanisme sous-marin profond 202

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IX

Table des matiegraveresFiche 193 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 194 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204Fiche 195 Les couleacutees pyroclastiques 205Fiche 196 Les grands types de volcans 206Fiche 197 Les volcans boucliers 207Fiche 198 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 199 Les volcans du Massif Central 209Fiche 200 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 201 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 202 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 203 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 204 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 205 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 206 La composition chimique du manteau 216Fiche 207 La fusion partielle du manteau 217Fiche 208 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 209 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 210 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 211 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 212 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 213 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 214 La contamination crustale 224Fiche 215 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 216 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 217 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 218 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 219 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 220 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 221 Les arcs volcaniques 231Fiche 222 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 223 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 224 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 225 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 226 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 227 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 228 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 229 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 230 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

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X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 231 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 232 Les risques volcaniques 243Fiche 233 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 234 Le peacutetrole 245Fiche 235 Le charbon 246Fiche 236 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

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XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles Il a eacuteteacute preacutepareacute par des chercheurs-enseignants anciens membres du jury de lrsquoagreacutegation de sciences de la vie et de la Terre ayant la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines de la geacuteologie sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Cette deuxiegraveme eacutedition a eacuteteacute corrigeacutee et compleacuteteacutee par de nouvelles fiches traitant de sujets dans lesquels drsquoimportantes avanceacutees ont eacuteteacute reacutealiseacutees reacutecemment eacutevolution de lrsquoHomme tectonique globale et eustatisme par exemple De nouvelles fiches de peacutetrographie ont eacutegalement eacuteteacute ajouteacutees

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Michel Pichavant Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

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XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

che

La T

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lan

egravete

dan

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rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odi

eacute drsquo

apregrave

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F A

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l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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2

ficheLa T

err

e

un

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dan

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ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

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anegravet

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01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

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Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

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3

La T

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egravete

dan

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rsquoUn

ivers

fi che

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

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middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

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10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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4

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ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

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Eacuteleacutements atmophiles

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Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ieacute

drsquoap

regraves H

Mar

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e e

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200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

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regraves

Mar

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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

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Arn

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2004

drsquoap

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199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

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VII

Table des matiegraveresFiche 127 Cineacutematique des plaques exemples 133Fiche 128 Les mouvements absolus des plaques 134Fiche 129 Les satellites et la geacuteodynamique 135Fiche 130 Tectonique globale et production de nouvelle lithosphegravere oceacuteanique 136

Partie 6 La deacuteformation de la lithosphegravere

Fiche 131 Comportement des roches durant la deacuteformation la rheacuteologie 138Fiche 132 Contraintes et deacuteformation 139Fiche 133 Tectonique souple les plis 140Fiche 134 Les plissements signification dynamique 141Fiche 135 Tectonique cassante les failles 142Fiche 136 Schistositeacute et foliation 143Fiche 137 La microtectonique les indicateurs cineacutematiques 144Fiche 138 Plis et failles la croissance des prismes tectoniques 145Fiche 139 Rheacuteologie de la lithosphegravere continentale 146Fiche 140 Les nappes de charriage 147Fiche 141 Les rifts continentaux 148Fiche 142 Les chaicircnes de montagne 149Fiche 143 Lrsquoobduction la nappe de Semail (Oman) 150Fiche 144 La Cordillegravere des Andes 151Fiche 145 Des Alpes agrave lrsquoHimalaya 152Fiche 146 Les Alpes occidentales 153Fiche 147 Les Alpes histoire drsquoun oceacutean 154Fiche 148 Les Pyreacuteneacutees 155Fiche 149 La chaicircne varisque en Europe 156Fiche 150 Le modeleacute des paysages 157Fiche 151 Lithologie et climat facteurs de modeleacute des paysages 158Fiche 152 Tectonique et paysages les plis 159Fiche 153 Tectonique et paysages les failles actives 160Fiche 154 Tectonique et seacutedimentation flyschs et molasses 161Fiche 155 Les bassins seacutedimentaires 162

Partie 7 La geacuteodynamique des oceacuteans

Fiche 156 Les outils de lrsquoexploration oceacuteanique 164Fiche 157 Morphologie des fonds oceacuteaniques marges continentales et dorsales 165Fiche 158 Genegravese des marges passives 166Fiche 159 Les marges passives volcaniques et non volcaniques 167

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VIII

Table des matiegraveresFiche 160 Les marges actives 168Fiche 161 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 162 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 163 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 164 Les dorsales rapides 172Fiche 165 Les dorsales lentes 173Fiche 166 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 167 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 168 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 169 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177Fiche 170 Tectonique globale et eustatisme 178

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 171 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 172 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 173 Classification structurale des silicates 182Fiche 174 Les principaux silicates 183Fiche 175 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 176 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 177 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 178 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 179 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 180 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 181 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 182 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 183 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 184 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 185 Les roches du manteau 194Fiche 186 Les basaltes 195Fiche 187 Les andeacutesites 196Fiche 188 Les granitoiumldes 197Fiche 189 Rhyolites trachytes et phonolites 198

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 190 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 191 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 192 Le volcanisme sous-marin profond 202

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IX

Table des matiegraveresFiche 193 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 194 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204Fiche 195 Les couleacutees pyroclastiques 205Fiche 196 Les grands types de volcans 206Fiche 197 Les volcans boucliers 207Fiche 198 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 199 Les volcans du Massif Central 209Fiche 200 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 201 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 202 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 203 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 204 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 205 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 206 La composition chimique du manteau 216Fiche 207 La fusion partielle du manteau 217Fiche 208 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 209 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 210 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 211 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 212 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 213 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 214 La contamination crustale 224Fiche 215 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 216 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 217 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 218 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 219 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 220 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 221 Les arcs volcaniques 231Fiche 222 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 223 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 224 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 225 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 226 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 227 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 228 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 229 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 230 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

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X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 231 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 232 Les risques volcaniques 243Fiche 233 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 234 Le peacutetrole 245Fiche 235 Le charbon 246Fiche 236 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

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XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles Il a eacuteteacute preacutepareacute par des chercheurs-enseignants anciens membres du jury de lrsquoagreacutegation de sciences de la vie et de la Terre ayant la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines de la geacuteologie sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Cette deuxiegraveme eacutedition a eacuteteacute corrigeacutee et compleacuteteacutee par de nouvelles fiches traitant de sujets dans lesquels drsquoimportantes avanceacutees ont eacuteteacute reacutealiseacutees reacutecemment eacutevolution de lrsquoHomme tectonique globale et eustatisme par exemple De nouvelles fiches de peacutetrographie ont eacutegalement eacuteteacute ajouteacutees

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Michel Pichavant Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

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XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

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atm

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alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

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mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

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regraves

Mar

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200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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ficheLa T

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Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

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TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

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Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

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01 1 10 100

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2Terre

MercureVenus

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Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

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la Te

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Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

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rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

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Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

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13601980 1985 1985 1995

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0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

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16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

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NOYAU

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TEAU INF

MANTEAU SUP

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Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

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meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

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8

fi cheLa T

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egravete

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

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croucircte eacutevolueacutee

subduction

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STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

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atm

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CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

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phegravere H 2O + CO2

Gre

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use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

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300degC

impact formateur de la Lune

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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

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(GPa

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3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

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8Les magmatismes archeacuteens

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VIII

Table des matiegraveresFiche 160 Les marges actives 168Fiche 161 La subduction oceacuteanique processus tectoniques 169Fiche 162 Subduction et bassins arriegravere-arcs 170Fiche 163 Lrsquoaccreacutetion oceacuteanique les dorsales 171Fiche 164 Les dorsales rapides 172Fiche 165 Les dorsales lentes 173Fiche 166 La segmentation des dorsales et les failles transformantes 174Fiche 167 Les oceacuteans Atlantique et Indien 175Fiche 168 Lrsquooceacutean Pacifique 176Fiche 169 Histoire de lrsquooceacutean mondial depuis 180 Ma 177Fiche 170 Tectonique globale et eustatisme 178

Partie 8 Roches et mineacuteraux endogegravenes

Fiche 171 Rayons ioniques et structures mineacuterales 180Fiche 172 Eacuteleacutements compatibles et incompatibles 181Fiche 173 Classification structurale des silicates 182Fiche 174 Les principaux silicates 183Fiche 175 Les mineacuteraux non silicateacutes 184Fiche 176 Les facteurs du meacutetamorphisme 185Fiche 177 Les mineacuteraux marqueurs du meacutetamorphisme 186Fiche 178 Faciegraves et gradients meacutetamorphiques 187Fiche 179 Les chemins P T t des roches meacutetamorphiques 188Fiche 180 Le meacutetamorphisme alpin de haute pression-basse tempeacuterature 189Fiche 181 La classification courante des roches magmatiques 190Fiche 182 La nomenclature chimique des roches volcaniques 191Fiche 183 Les textures des roches volcaniques 192Fiche 184 Les textures des roches plutoniques 193Fiche 185 Les roches du manteau 194Fiche 186 Les basaltes 195Fiche 187 Les andeacutesites 196Fiche 188 Les granitoiumldes 197Fiche 189 Rhyolites trachytes et phonolites 198

Partie 9 Les magmas mise en place et origine

Fiche 190 Les magmas et leurs proprieacuteteacutes 200Fiche 191 Les couleacutees basaltiques subaeacuteriennes 201Fiche 192 Le volcanisme sous-marin profond 202

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IX

Table des matiegraveresFiche 193 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 194 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204Fiche 195 Les couleacutees pyroclastiques 205Fiche 196 Les grands types de volcans 206Fiche 197 Les volcans boucliers 207Fiche 198 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 199 Les volcans du Massif Central 209Fiche 200 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 201 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 202 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 203 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 204 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 205 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 206 La composition chimique du manteau 216Fiche 207 La fusion partielle du manteau 217Fiche 208 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 209 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 210 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 211 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 212 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 213 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 214 La contamination crustale 224Fiche 215 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 216 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 217 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 218 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 219 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 220 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 221 Les arcs volcaniques 231Fiche 222 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 223 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 224 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 225 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 226 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 227 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 228 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 229 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 230 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

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X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 231 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 232 Les risques volcaniques 243Fiche 233 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 234 Le peacutetrole 245Fiche 235 Le charbon 246Fiche 236 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

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XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles Il a eacuteteacute preacutepareacute par des chercheurs-enseignants anciens membres du jury de lrsquoagreacutegation de sciences de la vie et de la Terre ayant la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines de la geacuteologie sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Cette deuxiegraveme eacutedition a eacuteteacute corrigeacutee et compleacuteteacutee par de nouvelles fiches traitant de sujets dans lesquels drsquoimportantes avanceacutees ont eacuteteacute reacutealiseacutees reacutecemment eacutevolution de lrsquoHomme tectonique globale et eustatisme par exemple De nouvelles fiches de peacutetrographie ont eacutegalement eacuteteacute ajouteacutees

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Michel Pichavant Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

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XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

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croucircte eacutevolueacutee

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oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

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Flux de chaleur

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Flux de chaleur

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CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

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phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

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200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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2

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Le systegraveme solaire

Soleil

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Neptune

Ceinture de Kuiper

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Jupiter

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Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

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Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

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rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

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fi che

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

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middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

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20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

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Eacuteleacutements atmophiles

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Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

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200

6

prot

o-at

mos

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e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

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IX

Table des matiegraveresFiche 193 Les eacuteruptions hydromagmatiques 203Fiche 194 Les explosions subaeacuteriennes verticales 204Fiche 195 Les couleacutees pyroclastiques 205Fiche 196 Les grands types de volcans 206Fiche 197 Les volcans boucliers 207Fiche 198 Les grandes caldeiras et les ignimbrites 208Fiche 199 Les volcans du Massif Central 209Fiche 200 Un grand volcan composite le Cantal 210Fiche 201 La Chaicircne des Puys et son histoire 211Fiche 202 Le volcanisme de lrsquoIslande 212Fiche 203 Le volcanisme drsquoHawaii 213Fiche 204 Intrusions et extrusions volcaniques 214Fiche 205 La mise en place des granitoiumldes 215Fiche 206 La composition chimique du manteau 216Fiche 207 La fusion partielle du manteau 217Fiche 208 La signature geacuteochimique des basaltes les eacuteleacutements en traces 218Fiche 209 La signature geacuteochimique des basaltes les isotopes de Sr Nd et Pb 219Fiche 210 Structure et fonctionnement drsquoun reacuteservoir magmatique 220Fiche 211 Principe de la cristallisation fractionneacutee 221Fiche 212 Les modaliteacutes de la cristallisation fractionneacutee 222Fiche 213 Les meacutelanges magmatiques 223Fiche 214 La contamination crustale 224Fiche 215 Lrsquohydrothermalisme oceacuteanique 225Fiche 216 Les grandes provinces magmatiques 226Fiche 217 Le volcanisme des marges passives 227Fiche 218 Les sources des magmas des points chauds 228Fiche 219 Du volcan agrave lrsquoatoll en Polyneacutesie 229Fiche 220 La diversiteacute des basaltes oceacuteaniques 230Fiche 221 Les arcs volcaniques 231Fiche 222 Les speacutecificiteacutes des magmas drsquoarc 232Fiche 223 Les origines des magmas drsquoarc 233Fiche 224 Lrsquoarc des Petites Antilles 234Fiche 225 Le magmatisme post-subduction 235Fiche 226 Le magmatisme lieacute aux fenecirctres astheacutenospheacuteriques 236Fiche 227 La fusion de la croucircte oceacuteanique 237Fiche 228 Le recyclage profond de la lithosphegravere oceacuteanique 238Fiche 229 La fusion de la croucircte continentale 239Fiche 230 Lrsquoeau dans le manteau ses origines et ses rocircles 240

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X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 231 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 232 Les risques volcaniques 243Fiche 233 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 234 Le peacutetrole 245Fiche 235 Le charbon 246Fiche 236 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

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XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles Il a eacuteteacute preacutepareacute par des chercheurs-enseignants anciens membres du jury de lrsquoagreacutegation de sciences de la vie et de la Terre ayant la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines de la geacuteologie sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Cette deuxiegraveme eacutedition a eacuteteacute corrigeacutee et compleacuteteacutee par de nouvelles fiches traitant de sujets dans lesquels drsquoimportantes avanceacutees ont eacuteteacute reacutealiseacutees reacutecemment eacutevolution de lrsquoHomme tectonique globale et eustatisme par exemple De nouvelles fiches de peacutetrographie ont eacutegalement eacuteteacute ajouteacutees

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Michel Pichavant Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

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XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

che

La T

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

odi

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l 2

006

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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2

ficheLa T

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ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

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anegravet

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01 1 10 100

10

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4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

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Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

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nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

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Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

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300

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10-1

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0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

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32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

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Li Be

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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

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Eacuteleacutements atmophiles

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NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

4

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ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

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formation de la Lune

formation du noyau

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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

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(GPa

)

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0

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3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

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8Les magmatismes archeacuteens

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X

Table des matiegraveres

Partie 10 Aleacuteas et ressources eacutenergeacutetiques

Fiche 231 Aleacuteas sismiques et tsunamis 242Fiche 232 Les risques volcaniques 243Fiche 233 Eacutevegravenements climatiques extrecircmes 244Fiche 234 Le peacutetrole 245Fiche 235 Le charbon 246Fiche 236 La geacuteothermie 247

Index 248Creacutedits photographiques 252

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XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles Il a eacuteteacute preacutepareacute par des chercheurs-enseignants anciens membres du jury de lrsquoagreacutegation de sciences de la vie et de la Terre ayant la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines de la geacuteologie sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Cette deuxiegraveme eacutedition a eacuteteacute corrigeacutee et compleacuteteacutee par de nouvelles fiches traitant de sujets dans lesquels drsquoimportantes avanceacutees ont eacuteteacute reacutealiseacutees reacutecemment eacutevolution de lrsquoHomme tectonique globale et eustatisme par exemple De nouvelles fiches de peacutetrographie ont eacutegalement eacuteteacute ajouteacutees

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Michel Pichavant Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

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XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

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croucircte eacutevolueacutee

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STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

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O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

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Flux de chaleur

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Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

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200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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Le systegraveme solaire

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Ceinture de Kuiper

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Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

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47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

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formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

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Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

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les plus anciennes428 Ga

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asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

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Le Soleil 2

couronne

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chromosphegravere

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102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

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Eacuteleacutements atmophiles

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NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

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6

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e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

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reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

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mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

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Mar

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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

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)

0

100

200

300

solide

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komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

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komatite de type Barberton

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2004

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gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

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XI

Avant-propos

Cet ouvrage a pour ambition drsquooffrir agrave un large public drsquoeacutetudiants et drsquoenseignants-chercheurs un aperccedilu des connaissances relatives agrave notre planegravete Terre son origine son histoire les mateacuteriaux qui la composent et les mouvements qui animent ses enveloppes profondes et superficielles Il a eacuteteacute preacutepareacute par des chercheurs-enseignants anciens membres du jury de lrsquoagreacutegation de sciences de la vie et de la Terre ayant la volonteacute de produire un ouvrage eacutequilibreacute dans lequel les disciplines de la geacuteologie sont traiteacutees agrave eacutegaliteacute

Drsquoun seul coup drsquoœil fiche apregraves fiche le lecteur trouvera lrsquoessentiel des donneacutees fondamentales neacutecessaires agrave sa progression dans la deacutecouverte des disciplines qui composent les Sciences de la Terre geacuteophysique tectonique peacutetrologie-geacuteochimie seacutedimentologie stratigraphie paleacuteontologie geacuteomorphologie paleacuteoclimatologiehellip

Chaque fiche propose les scheacutemas fondamentaux qui illustrent de faccedilon simple les donneacutees les concepts et les hypothegraveses les plus reacutecents Des photographies ponctuent les fiches drsquoeacuteleacutements concrets indispensables pour une science de terrain De nombreux dessins entiegraverement reacutealiseacutes par les auteurs constituent des documents de synthegravese originaux Afin drsquoassurer la coheacuterence de lrsquoouvrage lrsquoensemble des illustrations a eacuteteacute harmoniseacute par Alexandre Lethiers et par Bernadette Coleacuteno qui a eacutegalement assureacute la mise en page des fiches

Ce Meacutemo Visuel de Geacuteologie srsquoadresse drsquoabord aux eacutetudiants de Licence (L1 agrave L3) mais sera eacutegalement utile aux eacutetudiants en Master Il accompagnera les candidats aux concours de recrutement de lrsquoenseignement secondaire et les eacutelegraveves des classes preacuteparatoires BCPST Il sera utile eacutegalement agrave un public drsquoenseignants et de chercheurs deacutesireux drsquoacceacuteder agrave un panorama complet des geacuteosciences et plus simplement agrave tous les amateurs de geacuteologie

Cette deuxiegraveme eacutedition a eacuteteacute corrigeacutee et compleacuteteacutee par de nouvelles fiches traitant de sujets dans lesquels drsquoimportantes avanceacutees ont eacuteteacute reacutealiseacutees reacutecemment eacutevolution de lrsquoHomme tectonique globale et eustatisme par exemple De nouvelles fiches de peacutetrographie ont eacutegalement eacuteteacute ajouteacutees

Les auteurs remercient vivement les collegravegues qui leur ont fourni des documents photographiques et iconographiques et notamment

Arnaud Agranier Michel Ballegravevre Jacques-Marie Bardintzeff Jean-Alix Barrat Claire Bassoulet Arnaud Blais Sylvain Blais Franccediloise Boudier Martial Caroff Franccedilois Chauvet Gilles Chazot Delphine Desmares Laurent Emmanuel Camille Clerc Carole Cordier Vincent Courtillot Anne Delplanque Anne Deschamps Laurent Geoffroy Steacutephane Guillot Marc-Andreacute Gutscher Thierry Juteau Serge Lallemand Laurence Le Callonnec Nicolas Le Moigne Anne-Marie Marabal Fabrice Minoletti Pierre Nehlig Christian Nicollet Carlos Pallares Michel Pichavant Gaeumllle Prouteau Marc de Rafeacutelis Sidonie Reacutevillon Jean-Franccedilois Ritz Isabelle Rouget Brigitte Senut Bruno Vrielynck Valeacuterie Zeitoun

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XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

8

che

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)m

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prot

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mos

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+ SiO2

atm

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egravere

reacutesid

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alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

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mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

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regraves

Mar

tin e

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200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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ficheLa T

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Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

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anegravet

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01 1 10 100

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4

2Terre

MercureVenus

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Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

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Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

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la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

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Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

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100

200

300

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10-1

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0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

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16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

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Eacuteleacutements atmophiles

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NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

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meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

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drsquoap

regraves H

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200

6

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reacutesid

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alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

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phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

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Mar

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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

P001-272-9782100769285-BATindb 8 28092017 1055

9

La T

err

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un

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egravete

dan

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rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

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CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

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100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

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cpx

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gt

30

komatite de type Barberton

mod

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199

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gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

P001-272-9782100769285-BATindb 9 28092017 1055

XII

Comment utiliser cet ouvrage

Partie La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers1

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches et doreacutees agrave

des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copyNASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de pheacutenomegravenes similaires aux modernes formation de croucircte continen-tale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

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STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

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subductionsubductionsubductionsubduction

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CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

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Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

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200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen7

10 partiesLes grandes disciplines des Sciences de la Terre

236 fiches

Les notions essentielles du

cours pour reacuteviser rapidement

Plus de 1 000 scheacutemas et photos en couleur

pour illustrer chaque notion importante

Et aussihellip

bull De nombreuses cartes de situations globales ou reacutegionales

bull Un index complet

P001-272-9782100769285-BATindb 12 28092017 1055

Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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ficheLa T

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Le systegraveme solaire

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distance moyenne (en UA)

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2Terre

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Jupiter

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Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

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formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

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Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

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rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

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Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

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1365

13601980 1985 1985 1995

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300

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10

1

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10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

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Eacuteleacutements atmophiles

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NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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ivers

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

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8

fi cheLa T

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

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Partie

1 La Terre une planegravete dans lrsquoUnivers

Collision de deux galaxies Les galaxies des Antennes (NGC 4 038 4 039) agrave 62 millions drsquoanneacutees-lumiegravere de la Terre sont entreacutees en collision il y a plus

de 100 Ma et celle-ci se poursuit actuellement Les eacutenormes nuages bleus et rouges correspondent agrave des gaz interstellaires chauds et les zones blanches

et doreacutees agrave des amas stellaires dont certains sont en cours de formation (copy NASA ESA STScl J DePasquale et B Whitmore)

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2

ficheLa T

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egravete

dan

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ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

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ivers

fi che

Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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dan

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rsquoUn

ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

Mg

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

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Ba

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Na

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Eacuteleacutements atmophiles

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B C N O F Ne

He

Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

Pa U

Zr

Hf

Th

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Ac

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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

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Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Re

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Zr

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Th

Lu

Ac

YSr

Ba

Ra

Na

Rb

Cs

Fr

NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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fi cheLa T

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ieacute

drsquoap

regraves H

Mar

tin F

Alb

aregraved

e e

t al

200

6

prot

o-at

mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

tin e

t al

200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

P

0

50

100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

ieacute

drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

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2

ficheLa T

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dan

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ivers

Le systegraveme solaire

Soleil

Mercure

Veacutenus

TerreMars

Asteacuteroiumldes

Jupiter Saturne

Uranus

Neptune

Ceinture de Kuiper

distance moyenne (en UA)

ordr

e de

s pl

anegravet

es

01 1 10 100

10

8

6

4

2Terre

MercureVenus

MarsAsteacuteroiumldes

Jupiter

UranusSaturne

Ceinture de Kuiper (Pluton)

Neptune La ceinture drsquoasteacuteroiumldes seacutepare deux zones du systegraveme solaire celle des planegravetes telluriques petites et denses (roches et meacutetaux) et celle des planegravetes geacuteantes (gazeuses) Lors de la formation lrsquoaccreacutetion (che 3) a ducirc ecirctre preacutepondeacuterante dans la premiegravere zone alors que dominait lrsquoeondrement gravitationnel dans la seconde

tempsen Ga

44

45

46

47Phase I

dernier apport dela nucleacuteosynthegravese

0

5

10

formation de lrsquoUnivers (13 agrave 15 Ga)

formation dusystegraveme solaire

form

atio

n de

la Te

rre

Phase IIcondensation

du nuageprotosolaire

form

atio

nde

la L

une

rochesterrestres

les plus anciennes428 Ga

formationdes

asteacuteroiumldes

La formation du systegraveme solaire

La peacuteriode de reacutevolution des planegravetes deacutepend de leur distance au Soleil (Mercure 024 an et Neptune 164 ans) La rotation des planegravetes sur elles-mecircmes srsquoeectue suivant un axe sub-perpendiculaire agrave lrsquoeacutecliptique La rotation se fait dans le mecircme sens que la reacutevolution (sauf pour Veacutenus et Uranus)

phase 1

phase 2

front decompression

Orbite du nuage

protosolaire

Le systegraveme solaire est une communauteacute ordonneacutee de huit planegravetes (Pluton a perdu son statut de planegravete en 2006) qui tournent autour drsquoune eacutetoile (le Soleil) selon des orbites elliptiques pratiquement situeacutees dans un mecircme plan (eacutecliptique)

Lrsquoacircge du systegraveme solaireDateacutee de 455 Ga sa formation (condensation accreacutetion et dieacuterenciation) est un pheacutenomegravene rapide (plusmn 200 Ma) par rapport agrave lrsquohistoire de lrsquoUnivers

Phase I Lors du passage dans le premier bras le nuage protosolaire est comprimeacute mais ne srsquoeondre pas Il se charge en atomes issus de lrsquointense nucleacuteosynthegravese qui regravegne dans le brasPhase II Lors du passage dans le second bras galactique environ 100 Ma plus tard il y a condensation du nuage protosolaire avec formation du Soleil et de son cortegravege planeacutetaire

Loi de Bode Chaque planegravete est deux fois plus eacuteloigneacutee du Soleil que sa voisine inteacuterieure (UA = uniteacute astronomique)

Processus de formation du systegraveme solaireLa dureacutee de formation correspond au temps de transit du nuage protosolaire de matiegravere interstellaire (che 2) dans les bras de la galaxie La formation comporte deux phases

UA = distanceTerre-Soleil

1

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Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

olai

re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

inos

iteacute

20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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ivers

Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

H

K

Li Be

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Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

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B C N O F Ne

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Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te l Xe

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Eacuteleacutements atmophiles

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NOYAU

MAN

TEAU INF

MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

3fiche

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Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

JAB

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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fi cheLa T

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

ieacute

drsquoap

regraves H

Mar

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e e

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200

6

prot

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mos

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e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

ieacute

drsquoap

regraves

Mar

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200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

3

4

0 200

Sol Sol Sol

CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

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0

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100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

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)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

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2004

drsquoap

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H M

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199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

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Le Soleil 2

couronne

neutrinosvent solairephotons

chromosphegravere

photosphegravere

tache solaire

protubeacuterance

1370

1365

13601980 1985 1985 1995

0

100

200

300

rayo

nnem

ent s

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re (W

middotm-2

)

rayonnement solaire

tachessolaires

nom

bres

de

tach

es s

olai

res

lum

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20 00015 000

10 0003 0004 0005 0006 0007 000

8 0009 000

105

104

103

102

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

0 B A F G K M

couleur et type spectral

tempeacuterature supercielle

violet bleu blanc jaune orange rouge

supergeacuteantesrouges

geacuteantesrouges

branchehorizontale

nainesblanches

seacuterie principale

17

6

32

16

1513

1

07

05

03

neacutebuleusesplaneacutetaires

vers nainesnoires

T Tauri10 2 1 Ma

01 Ma

12 Ga13 Ga

volatilisation des planegravetestelluriques

neacutebuleuseprotosolaire

volatisation desplanegravetes externes

10 Ga

Soleilactuel

Le diagramme de Hertzsprung-Russellet lrsquoeacutevolution du Soleil

On classe les eacutetoiles en fonction de leur luminositeacute et de leur couleur spectrale La majoriteacute se situe sur la seacuterie principale (luminositeacutes et masses (chires sur la seacuterie principale) sont exprimeacutees par rapport au Soleil)

Eacutetoile de dimension modeste (695 000 km de rayon) situeacutee dans un bras spiral agrave 30 000 anneacutees-lumiegravere du centre de la galaxie le Soleil est constitueacute essentiellement drsquohydrogegravene et drsquoheacutelium (seulement 2 drsquoautres eacuteleacutements) Son poids est estimeacute agrave 21030 kg (330 000 fois celui de la Terre) Sa peacuteriode de rotation est de 269 jours agrave lrsquoeacutequateur et 35 jours au pocircle selon un axe inclineacute de 82deg45rsquo sur le plan de lrsquoeacutecliptique

Apregraves la phase initiale T Tauri le Soleil est entreacute dans un eacutetat stationnaire au bout de 1 agrave 2 Ma Cette situation sur la seacuterie principale durera 10 Ga (soit encore 5 Ga) Apregraves eacutepuisement de son hydrogegravene il eacutevoluera vers les geacuteantes rouges (lrsquoaugmentation de tempeacuterature provoquera la volatisation des planegravetes telluriques vers 12 Ga puis vers les neacutebuleuses planegravetaires avec volatilisation des planegravetes externes vers 13 Ga) Le Soleil srsquoeacuteteindra ensuite progressivement en eacutevoluant vers les naines blanches et noires

Lrsquoeacutenergie provient de la transformation drsquohydrogegravene en heacutelium et deuteacuterium par deux reacuteactions le cycle proton-proton (reacuteaction principale dans le cas du Soleil) et le cycle proton-oxygegravene-azote (cyle de Bethe) ougrave le carbone est un catalyseur Les photons eacutemis dans le noyau sont reacuteabsorbeacutes et reacuteeacutemis de tregraves nombreuses fois et nrsquoatteignent de ce fait la surface qursquoau bout drsquoun million drsquoanneacutees

La structure du SoleilLe noyau (250 000 km de rayon 15 millions de degreacutes) a une densiteacute de 150 Lrsquoatmosphegravere solaire comprend ndash la photosphegravere (300 km drsquoeacutepaisseur 8 000degC agrave 4 500 degC) qui est siegravege du champ magneacutetique et eacutemettrice des photons ndash la chromosphegravere (2 500 km drsquoeacutepaisseur) ougrave la tempeacutera-ture croicirct avec lrsquoaltitude jusqursquoau million de degreacutes) ndash la couronne (seule la partie interne est repreacutesenteacutee la partie externe peut srsquoeacutetendre sur 5 millions de km) dont la tregraves haute tempeacuterature (3 millions de degC) est lieacutee agrave des pheacutenomegravenes magneacutetiques qui produisant des courts-cir-cuits reacutechauffent le plasma

Lrsquoactiviteacute solaireVariant selon un cycle de 11 ans elle est responsable des uctuations haute freacutequence du climat terrestre Le nombre de centres actifs (taches solaires) se corregravele agrave la uctuation du rayonnement solaire (voir ches 34 et 38)

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

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NOYAU

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MANTEAU SUP

CROUTE

Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

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fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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fi cheLa T

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

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regraves H

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200

6

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mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

o-at

mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

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drsquoap

regraves

Mar

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200

6

La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

Km Km Km

50

100

150

1

2

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4

0 200

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400 600 800 1 000 1 200 1 400

H

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0

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100

150

0

50

100

150

G

Solid

us h

ydra

teacute

lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

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(GPa

)

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onde

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)

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100

200

300

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MO

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komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

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komatite de type Barberton

mod

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2004

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199

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gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

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Accreacutetion planeacutetaire et diffeacuterenciation des assises terrestres

atmosphegravere

accreacutetiondu noyau

accreacutetiondu manteau

accreacutetion delatmosphegravere

noyaumanteau

atmosphegravere

dieacuterenciation

Le modegravele de Kant (1755) et Laplace (1799) La neacutebuleuse protosolaire (fragmentation drsquoun nuage de matiegravere interstellaire) entre en rotation et prend la forme drsquoun disque applati Les eacutelements non volatils se condensent et srsquoagglomegraverent pour donner naissance aux planegravetes dans les reacutegions externes plus froides du disque Le centre devient le Soleil en se contractant Selon les modegraveles numeacuteriques actuels on passe du disque protosolaire agrave un petit nombre de planeacutetoiumldes agrave orbites non reacuteguleacutees en 5 agrave10 Ma et aux planegravetes agrave orbites reacuteguleacutees en 100 Ma

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Eacuteleacutements lithophiles

Eacuteleacutements chalcophiles

Eacuteleacutements sideacuterophiles

1 Accreacutetion heacuteteacuterogegravene Les mateacuteriaux sont accreacuteteacutes dans lrsquoordre de leur densiteacute Les eacuteleacutements lourds (fer) se condensent les premiers pour former le noyau puis les silicates pour le manteau et la croucircte et enn les gaz pour lrsquohydrosphegravere et lrsquoatmosphegravere

2 Accreacutetion homogegravene Accreacutetion de poussiegraveres de composition homogegravene puis dieacuterenciation des dieacuterentes enveloppes par migration des eacuteleacutements lourds vers le centre et des volatils vers la surface

Le second modegravele paraicirct le plus vraisemblable car lrsquoaccreacutetion qui geacuteneacutere de la chaleur doit ecirctre termineacutee lors de la formation de lrsquoatmosphegravere car une planegravete froide est plus laquo apte raquo agrave conser-ver par graviteacute son atmosphegravere

Le Soleil et le cortegravege planeacutetaire sont cogeacuteniques (voir meacuteteacuteorites che 4) et deacuterivent de matiegravere interstellaire car les planegravetes contiennent des eacuteleacutements (Li D) ne reacutesistant pas aux conditions stellaires

La geacuteodynamique chimiqueGoldschmidt (1954) a mis en eacutevidence une relation entre les grandes familles geacuteochi-miques et les meacutegastructures terrestres (atmosphegravere lithos-phegravere manteau et noyau)

Les deux modegraveles expliquant la structure concentrique des planegravetes

La reacutepartition des eacuteleacutements chimiques dans les enveloppes terrestres Certains eacuteleacutements se retrouvent dans dieacuterents groupes tandis que drsquoautres appartiennent agrave une seule famille Ainsi les eacuteleacutements entoureacutes de rouge sont exclusivement chalcophiles et Os Ir et Pt (lettres blanches) strictement sideacuterophiles

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Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

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chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

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meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

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ivers

Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

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fi cheLa T

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

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drsquoap

regraves H

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6

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+ SiO2

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alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

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CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

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mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

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sec

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0

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50

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lt 25 Ga

3 - 25 Ga

gt 3 Ga

Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

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8Les magmatismes archeacuteens

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fiche

Les meacuteteacuteorites

Les meacuteteacuteorites proviennent de la ceinture drsquoasteacuteroiumldes de la Lune ou de Mars Les grands asteacuteroiumldes ayant subi une dieacuterenciation rapide leurs fragments constituent des analogues de la croucircte (eucrites) du manteau (achondrites) du noyau (meacuteteacuteorites meacutetalliques ou sideacuterites) et mecircme de la couche Drsquorsquo (lithosideacuterites) des planegravetes telluriques

Les chondrites les plus freacutequentes sont les plus primitives Elles doivent leur nom aux spheacuterules (chondres) qui les constituent et repreacutesente-raient des gouttes de liquides for-meacutees lors des premiegraveres collisions Les chondrites carboneacutees peu courantes (47 ) sont les plus anciennes (465-455 Ga) Elles ont subi une condensation agrave basse tempeacuterature et sont riches en eau Leur composition est utiliseacutee comme reacutefeacuterence dans les travaux de geacuteochimie (ches 206 et 208)

Distribution heacuteteacuterogegravene du Mg dans une chondrite

Les teneurs deacutecroissantes du rouge (chondre central 1 mm) au bleu et au noir teacutemoignent de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute des glo-bules accreacuteteacutes

Chondrite carboneacutee drsquoAxtell Texas

Octaeacutedrite du Campo del Cielo Argentine

Plus de 100 tonnes de cette meacuteteacuteorite ont eacuteteacute reacutecupeacutereacutees

Section de lrsquooctaeacutedrite El Capitan Nouveau Mexique

Deux alliages Fe-Ni (kamacite et taenite) forment les gures de Widmanstatten

Pallasite de Brahin Russie (5 x 3 cm)

Matrice meacutetallique de type octaeacutedrite entourant de grands cristaux drsquoolivine

Classication simplieacutee des meacuteteacuteorites

meacuteteacuteorites non dieacuterencieacutees meacuteteacuteorites dieacuterencieacutees

chondrites(804 )

achondrites (89 )

meacuteteacuteorites meacutetalliques(sideacuterites) (45 )

chondritescarboneacutees

chondritesordinaires

chondritesRumuruti

chondritesagrave enstatite

lithosideacuteritesachondritesprimitives

pallasites meacutesosideacuterites

meacuteteacuteorites martiennes(SNC) brachinites

aubritesureilites

angritesHED

meacuteteacuteorites lunaires

shergottitesnakhlites

chassignites howarditeseucrites

diogeacutenites

hexaeacutedrites octaeacutedrites

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

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ivers

fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

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Flux de chaleur

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Flux de chaleur

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O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

gt 150 wbull m-2prot

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Gre

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use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

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Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

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(GPa

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Tempeacuterature (degC)

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Maj () Kom-M Kom-B Thol T T G

SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

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8Les magmatismes archeacuteens

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ficheLa T

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Crategraveres drsquoimpact et impactites

Les crategraveres drsquoimpact meacuteteacuteoritiques sont une caracteacuteris-tique majeure des surfaces planeacutetaires Sur Terre ils sont assez rares en raison de lrsquoactiviteacute tectonique et de lrsquoeacuterosion Les deux plus grands Vredeford (Afrique du Sud 300 km de diamegravetre 202 Ga) et Sudbury (Canada 250 km 185 Ga) sont drsquoacircge Proteacuterozoiumlque Le troisiegraveme Chicxulub (Yucatan Mexique 180 km 65 Ma) est probablement responsable de la crise Creacutetaceacute-Tertiaire (che 88) Le plus grand des crategraveres ceacutenozoiumlques est celui de Popigaiuml (Sibeacuterie 100 km 36 Ma) Celui de Rochechouart (Limousin 21 km 201 Ma) ne vient qursquoau 40e rang

Critegraveres drsquoidentication des impactites Ils incluent la preacutesence de mineacuteraux de haute pression coeacutesite stishovite (che 178) diamant (Popigaiuml) de roches fondues (melt rocks) associeacutees agrave des bregraveches drsquoimpact (sueacutevites) contenant des parties fondues et des cocircnes de pression (shatter cones) et de tectites verres siliceux contamineacutes en Ni et Co projeteacutes agrave grande distance du crategravere (laquo moldavites raquo du Ries laquo australites raquo laquo indochinites raquo)

Crategravere de Kamil Egypte (lt 5 000 ans)

Il est ducirc agrave lrsquoimpact agrave 45deg et 35 kmmiddots-1 drsquoune sideacuterite de 13 m de diamegravetre pesant 9 tonnes Son diamegravetre est de 45 m sa profondeur de 16 m et son rempart est exhausseacute de 3 m Il est entoureacute drsquoun anneau breacutechique de 50 m de diamegravetre et de projections radiales en eacutetoile de 350 m de longPhotos copy Museo Nazionale dellAntar-tide Siena

Fragment de la meacuteteacuteorite de Kamil

(sideacuterite de type ataxite Ni = 198 )

Verre drsquoimpact siliceux vacuolaire de Kamil

Bregraveche drsquoimpact (sueacutevite) de Montoume Rochechouart

(partie fondue rougeacirctre)

Tectite du Laos (laquo indochinite raquo)

Impactite fondue (melt rock) vacuolaire de Babaudus

Rochechouart

MZA

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fiche

La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

modieacute drsquoapregraves Nimmo et Tanaka 2005

6

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

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STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

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Greenhouse Greenhouse

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

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Tempeacuterature (degC)

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TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

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tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

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8Les magmatismes archeacuteens

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La geacuteologie de Mars

Elle est connue gracircce agrave plus de 15 missions drsquoexploration (survols orbiteurs atterrisseurs robots mobiles) de 1964 (Mariner 4) agrave 2012 (Curiosity) On distingue trois grandes peacuteriodes

Plus de 100 meacuteteacuteorites martiennes ou SNC (shergottites-nakhlites-chassignites) sont connues Leurs compositions isotopiques sont speacuteciques et elles sont plus jeunes que les autres achondrites (43 agrave 015 Ga) Les shergottites ont une composition dominante de basalte tholeacuteiitique primitif Leur diversiteacute teacutemoigne drsquoune peacutetrogenegravese complexe agrave partir du manteau martien plus riche en fer que le terrestre

Le Noachien est marqueacute par un grand bombardement meacuteteacuteoritique tardif (comme sur Terre) suivi drsquoun important volcanisme tregraves uide et de la formation de valleacutees uviales ramieacutees associeacutee agrave des processus drsquoalteacuteration (phyllosilicates)

Lrsquoactiviteacute volcanique deacutecline pendant lrsquoHespeacuterien alors que lrsquoeacuterosion (chenaux de deacutebacirccles) et lrsquoalteacutera-tion se poursuivent

LrsquoAmazonien est marqueacute par une reprise de lrsquoactiviteacute volcanique (Mons Olympus) perdurant peut-ecirctre jusqursquoagrave lrsquoactuel (plaine drsquoElysium) et la for-mation de ravines reacutecentes et des calottes actuelles

Strates seacutedimentaires drsquoorigine uviale preacutesumeacutee du mont central (Aeolis Mons) du crategravere de Gale site drsquoarriveacutee de Curiosity

Elles contiennent des sulfates et des argiles de type smectite dont lrsquoeacutetude est lrsquoobjectif majeur de la mission du rover

Le volcan bouclier Mons Olympus

point culminant de Mars (21 229 m)

La meacuteteacuteorite martienne de Tissint (Maroc)

Crsquoest la chute la plus reacutecente obser-veacutee (juillet 2011) Il srsquoagit drsquoune sher-gottite picritique riche en verre conte-nant des gaz atmospheacuteriques mar-tiens

Carte geacuteologique simplieacutee de MarsNoachien (N) 46 agrave 37 Ga Hespeacuterien (H) infeacuterieur (EH) et supeacuterieur (LH) 37 agrave 31-29 Ga Amazonien (A) infeacuterieur (EA) et supeacuterieur (LA) moins de 31-29 Ga Les deacutepocircts polaires (pol) sont liteacutes et les laves (volc) tregraves abondantes

Curiosity

A (pol) EA LH-LA(volc) H LN-EH N-EH

(volc) N

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6

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ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

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Flux de chaleur

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Flux de chaleur

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formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

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croucircte basaltique peu eacutepaisse

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

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SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

Y 7 4 29 75

Yb 066 040 23 055

tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

0

2

4

6

8

10

pres

sion

(GPa

)

prof

onde

ur (m

)

0

100

200

300

solide

liquide

MO

RB

komatite de type M

unro

10 MgO

cpx

cpx

ol20 30

gt

30

komatite de type Barberton

mod

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drsquoap

regraves

Arn

dt e

t Les

her

2004

drsquoap

regraves

H M

artin

199

9

gt 3 Ga 3 - 25 Ga lt 25 Ga

8Les magmatismes archeacuteens

P001-272-9782100769285-BATindb 9 28092017 1055

8

fi cheLa T

err

e

un

e p

lan

egravete

dan

s l

rsquoUn

ivers Les teacutemoins directs de lrsquoHadeacuteen (gt 4 Ga)

sont tregraves rares orthogneiss drsquoAcasta Canada (403 Ga) et zircons des Jack Hills Australie (acircge maximal U-Pb 440 Ga) Les autres renseignements sur cette peacuteriode proviennent drsquoeacutetudes iso-topiques (17O-18O 26Al-26Mg 182Hf-182W 146Sm-142Nd) sur les roches terrestres anciennes compareacutees aux meacuteteacuteorites et aux roches lunaires

Les quatre principales eacutetapes de lrsquoeacutevolution de la Terre agrave lrsquoHadeacuteen Lrsquoacircge conventionnel de sa formation (t0) est xeacute agrave 4568 Ga il est posteacuterieur agrave ceux de la plupart des chondrites

Stade 1 Lrsquoaccreacutetion et le bombardement (impact formateur de la Lune) srsquoaccompagnent drsquoun ux de chaleur tregraves eacuteleveacute Le deacutegazage intense et lrsquoapport externe drsquoeau (meacuteteacuteorites) conduisent agrave lrsquoapparition drsquoune proto-atmosphegravere alors que le manteau est liquide (oceacutean magmatique) et que le noyau se forme

Stade 2 Le ux de chaleur demeure tregraves eacuteleveacute et la proto-atmosphegravere tregraves eacutepaisse provoque un eet de serre (greenhouse) Lrsquooceacutean magmatique se refroidit et une croucircte basaltique apparaicirct

Stade 3 La condensation de lrsquoeau conduit agrave la formation des proto-oceacuteans Les premiers eacuteleacutements de croucircte continentale apparaissent (zircons)

Stade 4 Apparition de processus similaires aux modernes formation de croucircte continentale subduction alteacuteration de la croucircte basal-tique Lrsquooceacutean devient habitable mais lrsquointense bombardement meacuteteacuteoritique tardif fera dispa-raicirctre vers 4 Ga la plupart des teacutemoins de ces processus

Zircons zoneacutes des Jack Hills Les plus vieux mineacuteraux terrestres connus sont des teacutemoins de croucircte continentale remanieacutes dans des seacutediments rubaneacutes riches en fer (Banded Iron Formations BIF) Leur composition isotopique indique des interactions avec lrsquoeau Tailles 01 agrave 03 mm

Orthogneiss drsquoAcasta (meacutetagranodiorite de type TTG)

Les principaux eacutevegravenements geacuteologiques de lrsquoHadeacuteen

46 44 42 40 38

oceacutean habitable

proto-oceacutean

apport drsquoeau par les asteacuteroiumldescomegravetes

apport drsquoeau par les micro-meacuteteacuteorites

Bombardement meacuteteacuteorique intense nal

zircons croucircte eacutevolueacutee

croucircte primordiale

formation de la Lune

formation du noyau

accreacutetion de la Terre

acircges (Ga)

mod

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200

6

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mos

phegraver

e H 2O + CO2

+ SiO2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

alteacuteration de la croucircte basalti que

croucircte eacutevolueacutee

subduction

oceacutean habitable

STADE 4 t0 + 400 MaSTADE 3 t0 + 165 - 400 Ma

STADE 2 t0 + 70 - 100 MaSTADE 1 t0 + 11 - 70 Ma

subductionsubductionsubductionsubduction

Flux de chaleur

ltlt 100 wbull m-2

Flux de chaleur

ltlt 150 wbull m-2

atm

osph

egravere

reacutesid

uelle

CO 2 - H 2

O condensation et preacutecipitation de lrsquoeau

formation des proto-oceacuteans

Flux de chaleur

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mos

phegravere H 2O + CO2

Gre

enho

use

Greenhouse Greenhouse

croucircte basaltique peu eacutepaisse

deacutegazage

tempeacuterature de surface 2

300degC

impact formateur de la Lune

Mod

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Mar

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La Terre agrave lrsquoHadeacuteen 7

P001-272-9782100769285-BATindb 8 28092017 1055

9

La T

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un

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lan

egravete

dan

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rsquoUn

ivers

fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

pres

sion

(GPa

)

Solid

us agrave

sec

Tempeacuterature (degC)

0

0

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1

2

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CO CO COCC CC

400 600 800 1 000 1 200 1 400

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0

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0

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100

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G

Solid

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lt 25 Ga

3 - 25 Ga

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SiO 2 450 471 501 6979

TiO2 034 024 145 034

Al2O 3 670 404 1303 1556

Fe2O 3T 1120 1280 1569 312 MnO 017 022 026 005

MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

P2O 5 000 005 014 013

Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

Sr 21 23 137 454

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tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

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fiche

Certains magmas archeacuteens (4-25 Ga) sont des basaltes tholeacuteiitiques (Thol) proches des MORB modernes Les komatiites (Kom) ultramaques sont par contre typiques des ceintures de roches vertes archeacuteennes celles de type Barberton (B) sont pauvres en Al Y et Yb par rapport au type Munro (M)

Les TTG (tonalites-trondhjemites-granodiorites) proches des adakites modernes sont les granitoiumldes de loin les plus courants Leurs rapports SrY et LaYb sont supeacuterieurs agrave ceux des granites calco-alcalins qui apparaissent au Proteacutero-zoiumlque

La formation des komatiites neacutecessite des tempeacuteratures de fusion supeacute-rieures de 200 agrave 300 degC agrave celles des MORB Elles sont rendues possibles par les gradients geacuteothermiques tregraves eacuteleveacutes agrave lrsquoArcheacuteen Les dieacuterences entre les deux types sont explicables par la preacutesence de davantage de grenat dans la source des komatiites de type Barberton

Analyses moyennes de roches archeacuteennes

Komatiite de type Barberton agrave olivine laquo spinifex raquo

(4 x 3 mm LPNA)

Orthogneiss plisseacute de Finlande deacuteriveacute drsquoun granitoiumlde

de type TTG

Origine des TTG Elles deacuterivent comme les adakites modernes de la fusion hydrateacutee entre 650 et 1 050 degC de basaltes subduits transformeacutes en amphibolites agrave hornblende (H) grenat (G) avec ou sans plagioclase (P) Elles apparaissent degraves lrsquoHadeacuteen (Acasta) et constituent la quasi-totaliteacute des granitoiumldes archeacuteens La diminution progressive des gradients geacuteothermiques les fait disparaicirctre au Proteacuterozoiumlque au prot des granites calco-alcalins issus de basaltes deacuterivant de la fusion du manteau des arcs volcaniques

Diagramme P-T de fusion du manteau peacuteridotitique agrave sec

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MgO 294 296 551 118 CaO 630 544 1170 319 Na2O 030 046 127 488

K 2O 009 009 086 176

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Traces (ppm) La 032 065 698 32

Nb 06 05 61 10

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tempeacuterature (degC)1 000 1 400 1 800

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8Les magmatismes archeacuteens

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