Introduction à la géologie

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• La version actuelle date de mars 2025.

Généralités

• La géologie est l'une des plus anciennes sciences.
• Les humains ont utilisé des pierres taillées comme outils et ont plus tard appris à fondre les métaux.
• L'âge de la pierre, du bronze et du fer marquent les premières étapes de l'assimilation des connaissances géologiques par la civilisation humaine.

Objets de la géologie

• La géologie est l'étude de la Terre, de sa structure interne, de son évolution, de la formation et de la répartition des minéraux.
• Elle étudie les phénomènes géologiques statiques et dynamiques anciens et actuels, en particulier les enveloppes extérieures de la planète.
• Ces enveloppes incluent :
  • L'atmosphère (mélange de gaz).
  • L'hydrosphère (71 % de la surface du globe).
  • La lithosphère (enveloppe solide de 50 à 250 km d'épaisseur).
  • La biosphère (ensemble des organismes vivants).
• La géologie étudie les minéraux, les roches, les débris organiques fossiles et les processus géologiques modernes.
• Les minéraux sont des combinaisons chimiques naturelles homogènes, généralement solides, mais pouvant être liquides ou gazeuses.
• Les roches sont des agrégats naturels de minéraux classés en trois catégories selon leur origine.
  • Les roches magmatiques proviennent du refroidissement et de la solidification de magmas.
  • Les roches sédimentaires sont formées par la désagrégation, l'accumulation et la transformation des roches préexistantes.
  • Les roches métamorphiques sont formées par les transformations des roches éruptives ou sédimentaires.
• La paléontologie est l'étude des restes organiques fossiles.
• L'étude des organismes disparus permet de reconstituer les conditions de formation des roches.
• L'évolution des organismes est utilisée pour dater les roches et les événements géologiques (géochronologie).
• Les processus géologiques actuels comme les éruptions volcaniques, les tremblements de terre et l'accumulation de sédiments sont également importants pour la géologie (géodynamique interne et externe).
• Ces processus sont importants pour l'étude de l'environnement et l'évaluation des risques.

La géomorphologie

• C'est l'étude et l'explication des formes du relief terrestre.
• Elle étudie la surface terrestre, qui évolue en réponse à des processus naturels et anthropiques.
• Dans le temps long, le paysage se construit par le soulèvement tectonique et le volcanisme (géomorphologie structurale).
• Il s'agit de l'analyse du milieu naturel comme un géosystème spatio-temporel.
• Deux domaines principaux :
• La géomorphologie structurale étudie l'influence de la structure sur le relief.
• La géomorphologie dynamique se consacre à l'étude des processus externes qui modifient le relief en fonction du climat.

Intérêt de la géologie

• Sert de base à la recherche, à la prospection et à l'exploitation des minéraux utiles et a un intérêt pratique et économique.
• Elle est essentielle dans l'industrie moderne.
• Elle joue un rôle important dans le génie civil, l'agriculture et la santé publique.
• Une étude géologique préalable est nécessaire pour tout projet de construction.
• Elle est nécessaire pour résoudre les problèmes liés à l'approvisionnement en eau, à l'amélioration des sols, à la protection contre l'érosion.
• Les réserves de ressources minérales sont limitées, il faut donc les utiliser rationnellement.

Méthodes d'étude en géologie

• L'étude et l'exploitation du sous-sol sont difficiles et impliquent des méthodes directes et indirectes.
• Les méthodes directes incluent l'étude des affleurements naturels (parois rocheuses, ravins, montagnes) et des excavations artificielles (tranchées, mines).
• Ces méthodes permettent l'extraction de matériaux pour l'étude et l'exploitation.
• Les méthodes directes ont une faible pénétration en profondeur.
• Les forages dépassent rarement 11 km de profondeur.
• Les méthodes indirectes (géophysiques) pénètrent plus profondément.
• Elles étudient les propriétés physiques des profondeurs terrestres.
• Exemples: la vitesse de propagation des ondes élastiques, la conductibilité électrique et le champ gravimétrique.
• En comparant les résultats expérimentaux, il est possible d'identifier les objets géologiques réels.
• Il existe des méthodes sismiques, électriques, magnétiques, gravimétriques.
• Les méthodes géophysiques sont efficaces pour étudier la Terre, notamment la prospection minière ainsi que celle du pétrole et du gaz.

Notion de l'espace et du temps en géologie

• Le temps géologique dépasse l'imagination humaine, avec des durées de millions d'années ou des processus très lents.
• Une comparaison avec une année civile aide à visualiser l'échelle du temps géologique.
• Si la formation du système solaire (il y a 4,55 milliards d'années) correspond au premier jour de l'année:
  • La vie apparaît au début du printemps (il y a 3,8 milliards d'années).
  • Les premiers êtres pluricellulaires apparaissent vers la Toussaint (-670 millions d'années).
  • Les premiers vertébrés apparaissent vers le 20 novembre (-500 Ma).
  • L'océan Atlantique commence à s'ouvrir le 18 décembre (-160 Ma).
  • Le genre Homo apparaît le 31 décembre vers 20 heures (-2 Ma).
  • La vie humaine dure une demi-seconde.
• L'espace géologique est plus facile à concevoir.
• La planète a des dimensions importantes, mais accessibles (rayon moyen de 6371 km).
• La surface des continents a été explorée en premier, puis les fonds marins.
• La profondeur des océans (11 000 m) comparable à l'altitude des sommets (8 850 m).
• L'accès à la troisième dimension reste difficile.
• Les forages les plus profonds n'ont pas dépassé 14 km sur les continents et 3 km dans les océans.

Caractéristiques de la Terre

• L'intérieur de la Terre est inaccessible au-delà de quelques kilomètres.
• La structure interne de la Terre est donc connue indirectement.
• La fin du 18e siècle, la densité du globe terrestre a été déterminée grâce aux lois de la gravitation. Huygens, Newton et d'autres savants ont participé à ces recherches.

Forme et dimensions

• La période d'un pendule simple ne dépend que de sa longueur et de l'accélération de la pesanteur (g).
• Newton a exprimé la loi d'attraction gravitationnelle des masses : F = G.(m.m')/d².
• G est la constante universelle de la gravitation.
• La mesure de la constante universelle de la gravité (G) a été réalisée avec un pendule de torsion (Cavendish).
• Cavendish a déterminé la valeur de G : G = 6,67.10-11 N.m-2.kg-2.
• Cavendish a pu déterminer la masse du globe terrestre en utilisant la loi de Newton.

Calcul du rayon R du globe terrestre

• Le rayon du globe terrestre est d'environ 6370 km, il est possible de déterminer la masse de la terre.
• Le volume terrestre est : Vt = 1,083×1021 m3.
• La masse volumique moyenne est donc de : Mt = 5500 kg. m-3 (5,5 g.cm-3).
• Les roches de la surface du globe ont une densité comprise entre 2 et 3 (2,5 à 2,7 dans la plupart des cas).
• L'hypothèse d'une couche profonde beaucoup plus dense est nécessaire.
• La mesure de Cavendish est le premier résultat scientifique montrant que la structure interne du globe n'est pas homogène.
• La force centrifuge liée à la rotation de la Terre est nulle aux pôles et maximale à l'équateur.
• La Terre est déformable et le "bourrelet équatorial" lui donne la forme d'un ellipsoïde de révolution aplati.

La structure interne de la Terre

• Elle est constituée de couches de propriétés physiques différentes :
  • Le noyau (17% du volume) se divise en noyau interne solide et noyau externe liquide.
  • Le manteau (81% du volume) se divise en manteau inférieur solide et manteau supérieur plastique.
  • La croûte (moins de 2% du volume) est solide.
• Des discontinuités importantes séparent la croûte, le manteau et le noyau.
• De Mohorovicic (MOHO) entre la croûte terrestre et le manteau.
• De Gutenberg entre le manteau et le noyau.
• De Lehmann entre le noyau interne et noyau externe.
• La couche plastique du manteau supérieur est appelée asthénosphère.
• La lithosphère est formée par la partie supérieure du manteau supérieur et la croûte terrestre.
• Il existe deux types de croûte terrestre :
• La croûte océanique, formée de roches basaltiques de densité 3,2, aussi appelée SIMA (silicium-magnésium).
• La croûte continentale, plus épaisse et moins dense, formée de roches granitiques à intermédiaires, aussi appelée SIAL (silicium-aluminium).
• La couverture sédimentaire est une mince couche de sédiments produits par l'érosion.

Sismologie

• Les ondes sismiques de tremblements de terre.
• Les sismologues Mohorovicic, Gutenberg et Lehmann ont étudié le comportement des ondes sismiques.
• La vitesse de propagation des ondes sismiques dépend de l'état et de la densité de la matière.
• Le foyer est le site du premier déplacement le long d'une faille et est le centre d'énergie libérée.
• L'épicentre est le point à la surface terrestre directement au-dessus du foyer.
• Il existe deux types d'ondes:
• Onde de surface: elles causent d'importants dommages.
• Onde de volume: elles se propagent à l'intérieur de la terre.
• Les ondes de volume sont divisées en deux types par cisaillement (ondes S) et par compression (ondes P).
• Onde P: elle consiste en des vibrations alternant la compression et l'expansion et qui se propagent dans la même direction que l'onde.
• Les ondes de compression peuvent traverser tout (solide, liquide, gaz).
• L'onde de cisaillement, aussi appelée onde S déforme les matières.
• Le liquide et le gaz ne peuvent pas rependre leur forme originelle.
• Les ondes S ne sont transmises que par les solides.
• Vitesse d'une onde de compression P : 6km/s.
• Vitesse d'une onde de cisaillement S: 3,5km/s.
• La position de l'épicentre d'un tremblement de terre peut être déterminée par les temps d'arrivée des ondes P et S au sismographe.
• Pour obtenir la position d'un épicentre, un sismologue dessine un cercle sur une carte autour de la station sismologique
• L'épicentre se trouve à l'intersection commune de 3 cercles ou plus.
  • temps d'arrivée de l'onde P : t p = t 0 + (d/Vp).
  • temps d'arrivée de l'onde S : t s = t 0 + d/Vs).
• D : distance épicentrale.
• V p : vitesse de l'onde P.
• V s : vitesse de l'onde S.
• Au contact lithosphère-asthénosphère, on note une légère chute des vitesses de propagation des ondes P et S.

Composition de la croûte terrestre

• La composition est connue grâce à l'étude des roches en surface et par de nombreux forages.
• Les ondes de compression (ondes P) provenant d'un séisme sont recueillies par toutes les stations d'enregistrement.
• Une bande entre 11 500 et 14 500 km de l'épicentre du séisme, appelée la zone son ombre.
• Au-delà de la zone d'ombre, les ondes réapparaissent (P'), mais arrivent plus tard que prévu.
• Les ondes de lumière et de son sont réfléchies tout comme les ondes.
• Des mesures montrent que les trajectoires sont en effet courbées, car la densité augmente.
• Il y a divers paramètres géophysiques comme la densité et la vitesse des ondes sismiques.
• L'existence de cette zone d'ombre a permis de révéler la présence d'une zone particulière au centre du globe.
• Dans un milieu homogène, la vitesse des ondes est constante.

Les matériaux composant le manteau et le noyau

• La mesure de la célérité des ondes de compression dans différents matériaux permet de construire des graphiques.
• Le manteau contient beaucoup de silicium.
• Le noyau contient beaucoup de fer et de nickel.

Lithosphère

• C'est une unité solide de 0 à 100km et a une épaisseur variable.
• Elle est plus fine sous les océans.
• Elle est formée de deux parties:
• La croûte: elle est limitée en bas par le Moho.
• La partie inférieure: elle est formée de péridotites.

Manteau (100-2900km)

• Unité principalement constituée de péridotites.
• Existe à l'état solide ou fluide, suivant l'échelle du temps considéré.
• On distingue deux parties :
  • Manteau supérieur
  • Manteau inférieur

Noyau (2900 - 6400 km)

• Unité constituée d'un alliage métallique de Fer principalement et de Nickel
• Elle est composée de deux parties :
• Noyau externe
• Noyau interne

Partie émergée et immergée de la lithosphère

• Sont émergé, les continents.
• C'est l'érosion le processus géologique dominant.
• On peut reconnaître trois types de régions :
• Les chaînes de montagnes: l'orogenèse, le soulèvement géologique à la formation d’une chaîne de montagne.
• Les plates formes: Des zones recouvertes de sédiments sans relief.
• Les boucliers: Ce sont de vastes étendues de roches très anciennes.
• S’étend la lithosphère immergée du rivage vers le large.
• Comprends trois unités morphologiques:
  • Plateau continentale
  • Talus continentale
  • Glacis contientale
• Les fonds océaniques qui comprennent les plaines abyssales et dorsales médio- océaniques.

Les plaques tectoniques et notion d’isostasie

• La lithosphère considérée comme étant une mosaïque de grandes plaques et mobile.
  • Zone de subduction :Le mouvement entre les plaques est convergent.
  • Zone d’accrétion : Zone extensive en surface des dorsales océaniques.
  • Zone transformante : Zone où le mouvement est latéral.
• Consiste à admettre que les différentes plaques lithosphériques ont à peu près la même masse.