INITIATION AUX SCIENCES DE LA TERRE - Séance 3 - Roches PDF

Séance 2 : Les roches INITIATION AUX SCIENCES DE LA TERRE Séance 3 : Les roches Géologie 1A – ENTPE  Plan de l’exposé Séance 2 : Les roches...

Séance 2 : Les roches INITIATION AUX SCIENCES DE LA TERRE Séance 3 : Les roches Géologie 1A – ENTPE  Plan de l’exposé Séance 2 : Les roches I. Rappels 1. Qu’est-ce qu’une roche 2. Le cycle des roches 3. Les grands principes de la géologie II. Les principaux constituants minéralogiques des roches 1. Les silicates 2. Les carbonates 3. Les autres minéraux III. Les roches 1. Les roches sédimentaires 2. Les roches magmatiques 3. Les roches métamorphiques Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches I. Rappels 1. Qu’est-ce qu’une roche ? D’après le dictionnaire de géologie (Foucault et Raoult, 1988) : – Du latin populaire rocca – Matériau constitutif de l’écorce terrestre, généralement solide – Formé en général d’un assemblage de minéraux et présentant une certaine homogénéité statistique – Le plus souvent dur et cohérent (pierre, caillou) – Parfois plastique (argile) ou meuble (sable) – Et même liquide (huile, petroleum) Géologie 1A – ENTPE  2. Le cycle des roches Séance 2 : Les roches Le magma à l’origine de la croute Cristallisation du magma donne les roches ignées ou magmatiques Altération, sédimentation, diagénèse donnent les r. sédimentaires Température et la pression donnent les r. métamorphiques Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches 3. Les grands principes stratigraphiques Principe de superposition : la couche la plus basse est la plus ancienne Principe élémentaire de chronologie relative La couche B s'est déposée après la couche A. La couche I est la dernière déposée Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Coal seam (Filon de charbon) Alaska mountains Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Principe de continuité : une même couche a le même âge sur toute son étendue Corrélation car un même banc s'est déposé ou formé dans le même laps de temps. Comparaisons basées sur la nature lithologique ou sur les assemblages fossiles. Échelles biostratigraphiques avec foraminifères, ammonites, pollens… Découper les temps géologiques en périodes de durée variable : ères, systèmes, étages, zones Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Principe de continuité : une même couche a le même âge sur toute son étendue Exemple en relief tabulaire : type Monument Valley Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches II. Les principaux minéraux constituants des roches A partir de la composition chimique de la croûte on observe que : 8 éléments totalisent 98,60% la silice et l’alumine (O, Si, Al) donnent un grand nombre de silicates: les silicates représentent 95% des roches de la lithosphère Par exemple quartz, feldspaths, micas, argiles, … Il existe plus de 4000 variétés de minéraux dans la nature, mais seulement une douzaine de minéraux sont les plus abondants Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Qu’est-ce qu’un minéral ? Définition Un solide naturel homogène avec une structure atomique ordonnée et une composition chimique définie Arrangement périodique qui constitue un réseau cristallin Cristaux de quartz automorphe SiO2 Cristaux de Pyrite FeS2 Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Dureté d’un minéral La dureté d’un minéral est déterminée par sa résistance à se faire rayer Géologie 1A – ENTPE  1. Les silicates Séance 2 : Les roches C’est une famille de minéraux avec SiO4 comme élément de base associés en chaînes, feuillets par l’intermédiaire de divers ions. Principaux arrangements Le tétraèdre SiO4 des silicates Ils s’altèrent par hydrolyse et départ des éléments les plus solubles Ils sont répartis dans toutes les roches sous des formes et des concentrations différentes. Géologie 1A – ENTPE  Le quartz Séance 2 : Les roches Il forme des prismes hexagonaux terminés par des pyramides Formé par des tétraèdres SiO4 disposé en hélice Très répandu dans les roches magmatiques et dans les roches sédimentaires car très résistant à l’érosion Très dur (il raye le verre et l’acier), peu soluble Transparent et limpide, blanc laiteux, ou coloré Éclat gras La calcédoine est un L’opale est une silice quartz fibreux dans les hydratée amorphe roches sédimentaires (silex, meulières) Géologie 1A – ENTPE  Le groupe des feldspaths Séance 2 : Les roches Alumino-silicate anhydre avec des proportions variables en K, Ca, Na Teinte claire, blanc, rosé ou bleuté Dans toutes les roches cristallines Rapidement altérés par hydrolyse Donnent naissance à des argiles en fonction des conditions du milieu (kaolinisation, latéritisation) Orthose Microcline Plagioclase Feldspaths potassiques ou alcalin Géologie 1A – ENTPE  Le groupe des amphiboles et pyroxènes Séance 2 : Les roches – Silicate avec ou sans Al, mais toujours Ca, Mg et Fe Pyroxène (gabbro) Amphiboles Olivine Les amphiboles sont Les pyroxènes sont ferro-magnésiens avec ferro-magnésiens et Mg>Ca Les péridots (olivine) calciques avec sont des silicates ferro- (Ca>Mg) Dans les R. magnésien sans Ca et Al. magmatique et métamorphique, ils sont de teintes foncées vertes à noires Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Les silicates phylliteux : caractérisés par des feuillets Les micas blancs : muscovite Les micas noirs : biotite – Ces deux minéraux sont très fréquents dans les granites Géologie 1A – ENTPE  Exemple : Observation d’une lame mince d’un Séance 2 : Les roches granite au microscope polarisant Q : quartz ; P : plagioclase ; B : biotite ; FK : feldspath potassique Géologie 1A – ENTPE  Les silicates phylliteux : minéraux argileux Séance 2 : Les roches Ce sont des minéraux de type silicates de Al, K et Mg Ils sont constitués par des feuillets empilés les uns sur les autres La constitution de chaque feuillet, la périodicité de l’empilement (Å) et la nature des ions interfoliaires caractérisent le minéral Chaque feuillet est composé d’au moins deux couches : Une couche tétraédrique formée par de tétraèdres SiO4 liés entre eux en couches planes, Une couche octaédrique formée par d’octaèdres dont le centre est occupé par un Al et les six sommets par des O et des OH. Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Les principaux groupes Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Identification des argiles (ex. Illite / Chlorite) Géologie 1A – ENTPE  Le cas des bentonites Séance 2 : Les roches C’est le nom commercial de la montmorillonite (= smectite) C’est la principale composante : Des litières pour chats Fréquemment dans les produits industriels et pharmaceutiques ; (tablettes de chocolat !) Des fonds de décharge Des boues de forage et des parois moulés et membranes étanches. Géologie 1A – ENTPE  2. Les carbonates Séance 2 : Les roches Essentiellement dans les roches sédimentaires, les carbonates (CO3)2- sont des minéraux constitués d’une combinaison de carbone et d’oxygène avec un ou plusieurs métaux ou métalloïdes associé(s). La calcite CaCO3 : rayée par l’acier, soluble dans HCl L’aragonite CaCO3 : tests (coquilles) des mollusques et gastéropodes La dolomite Mg,CaCO3 : moins soluble que la calcite Géologie 1A – ENTPE  3. Les autres minéraux Séance 2 : Les roches Les évaporites Minéraux qui se forment par précipitation à partir de saumure Les sulfates de calcium : l’anhydrite et le gypse Les chlorures : halite et sylvinite Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches 3. Les autres minéraux courants Les sulfures : pyrite, blende, galène, cinabre Les oxydes : hématite, limonite Les phosphates : apatite Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches III. Les roches 1. Les roches sédimentaires 2. Les roches magmatiques 3. Les roches métamorphiques Géologie 1A – ENTPE  Rappels sur les roches Séance 2 : Les roches Une roche est un matériau solide formé en général d’un assemblage de minéraux. Les roches sont constituées de minéraux tandis que les minéraux sont constitués d'éléments chimiques Il existe trois grandes catégories de roche : – Roches magmatiques (roches ignées) – Roches sédimentaires – Roches métamorphiques Exemple : Granite - Quartz (QZ) - Plagioclase (PG) - Feldspath potassique (FK) - Biotite (BO) - Hornblende (HB) Géologie 1A – ENTPE  Rappels sur les roches Séance 2 : Les roches Une roche peut être monominérale, c’est-à-dire formée d’un seul minéral Exemple : Marbre cipolin  calcite Quartzite  quartz Peridotite  olivine Géologie 1A – ENTPE  1. Les roches sédimentaires Séance 2 : Les roches Elles affleurent sur 75 % de la surface des continents En considérant l'ensemble de la croûte terrestre (de la surface à 35 km de prof.) elles constituent que 5 % du volume total Proportion sur Terre 45 42 40 40 35 30 25 20 18 15 10 5 0 Calcaires Grès Argiles Répartition des roches sédimentaires Les différentes couches constitutives à la surface des continents de l’écorce terrestre Géologie 1A – ENTPE  Mécanismes de formation Séance 2 : Les roches Les roches sédimentaires proviennent de l'accumulation de sédiments (boue, sable, gravier) qui se déposent en couches dans un bassin de sédimentation. Conditionnée par les processus suivants : MOBILISATION : destruction de masses rocheuses existantes et ablation des produits de destruction TRANSPORT soit à l’état solide soit à l’état de solutions DEPOT ou sédimentation DIAGENESE ou transformation des sédiments en une roche Trois sources : terrigène, allochimique (coquilles), orthochimique (précipités chimiques durant la diagenèse). Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Les roches sédimentaires proviennent de l’érosion des roches préexistantes sur les continents qui s’accumulent en couches et sont transformés en roches sédimentaires (diagénèse). Exemples : Granite  Grès Alluvions/Colluvions  Conglomérat (poudingue/brèche) Gneiss / Schistes  Argilites Géologie 1A – ENTPE  Caractérisation des roches sédimentaires Séance 2 : Les roches D’une manière générale la caractérisation des sédiments et roches sédimentaires se fait en deux temps : Taille des particules (= granulométrie) chez les terrigènes et les allochimiques. Deux tailles sont à retenir : 2-63 μm (limons) et 63μm-2mm (sable). Composition minéralogique : – Les roches sédimentaires terrigènes sont surtout composées de quartz, feldspath et fragments de roches (morceaux d'anciennes roches qui ont été dégagés par l'érosion) et minéraux argileux – Les roches carbonatées – Biologiques sont principalement des calcaires coquilliers (minéraux = calcite ou aragonite); – Chimiques sont définies selon leur teneur en minéraux (Na, Cl, Mg, CaCO3, etc.) – Les roches carbonées sont d’origine biologique (restes de végétaux) et se différencient par leur teneur en carbone Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Les roches sédimentaires détritiques terrigènes (RDST) Les principales roches utilisées comme matériau dans le Génie Civil sous forme de fondations ou de massifs à terrasser sont : Les grès sont des sables ayant évolué en une roche dure (dureté 7). On les distingue par la nature de leur ciment : – Les grès siliceux : cimentés avec de la silice secondaire, ce sont des roches très résistantes, mais elle peuvent se décimenter et donner du sable – Les grès calcaires : cimentés avec de la calcite, d’origine marine, fréquents dans les séries sédimentaires transgressives. La dissolution de la calcite finit par altérer la compacité et la résistance mécanique de la roche – Les molasses (grès post-orogénique) sont des roches en générale fragiles. Les Quartzites sont le résultat de la précipitation de silice secondaire Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Massif de grès De Zion Park Stratification entrecroisée Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Couches (=strates) de roches sédimentaires détritiques : Les grès fins (= arkoses) de Blavozy (43) Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Les roches sédimentaires carbonatées Elles proviennent de la précipitation d’une solution et/ou de l’accumulation de débris de squelettes d’organismes (fossiles) Calcaire Composées majoritairement Dolomie de carbonate de calcium CaCO3 Composé de 50 à 100 % de dolomite (CaMg(CO3)2) et de CaCO3 Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Les roches sédimentaires carbonatées bioclastiques Roches biogènes résultant de l'accumulation de squelettes et de fragments animaux (zooplancton, mollusques, foraminifères, échinodermes, coraux, etc.) L'origine de cette roche est une boue ou une vase calcaire sous-marine ou estuarienne de sédiments Falaises d’Etretat Les lumachelles constituées d’amas de tests (coquilles et squelettes) La craie formée de tests de microfossiles utilisées fréquemment pour la chaux qui couvre de vaste superficie (Bassin et le ciment Parisien et Nord) avec de grandes variétés mécaniques, notamment utilisée dans les fondations et la construction d’ouvrages Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Les roches sédimentaires carbonatées bioclastiques Roches biogènes résultant de l'accumulation de squelettes et de fragments animaux (zooplancton, mollusques, foraminifères, échinodermes, coraux, etc.) L'origine de cette roche est une boue ou une vase calcaire sous-marine ou estuarienne de sédiments L'urgonien est un faciès sédimentaire calcaire Ce faciès correspond à un calcaire récifal déposé sous un climat tropical. Présence d'organismes bioconstructeurs comme des rudistes, tandis que les ammonites et les orbitolines constituent les principaux marqueurs biostratigraphiques. Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Formation marno-calcaire Alternances régulières de deux roches : des marnes et des calcaires, montrant un caractère de sédimentation cyclique. On observe dans cette variété des degrés d’invasion des carbonates par les argiles La sensibilité et l’altérabilité de ces matériaux sont principalement fonction de leur teneur en eau On admet la terminologie suivante : Carbonates Argiles Calcaires 90 à 95 % 0à5% Calcaires argileux 65 à 95 % 5 à 35 % Marnes 35 à 65 % 35 à 65 % Argiles calcaires 5 à 35 % 65 à 95 % Géologie 1A – ENTPE  Calcaires avec Séance 2 : Les roches quelques couches fines marneuses (Saint Pierre d’Entremenont, Savoie) Calcaires Marnes Fines barres calcaires Marnes Marnes à passées calcaires (La Voulte, Ardèche) Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Les roches carbonées Formations gênantes dans les travaux + travaux en cours RER E de génie civil de surface ou souterrain (gare à construire) Séance 2 – Les Roches Le lignite en travaux souterrain peut s’enflammer en présence de pyrite Lors de travaux du RER Porte Maillot (Paris), l’échauffement créé par une fraiseuse à conduit à un incendie de deux semaines du lignite et à la fabrication d’acide sulfurique par combustion de la pyrite qui a rongé en 2h les vannes du circuit hydraulique de l’engin. La tourbe est le matériau le plus compressible et instable dans les travaux routiers. – Résultat de la dernière déglaciation – Pas de traitements même mécaniques, la solution est l’ablation mais attention : fouilles archéologiques, réserves de biodiversité ! Tourbière de Magny-Cours – tracé A77 1A––ENTPE Géologie Géologie1A ENTPE  Mais aussi la présence de houille et Séance 2 : Les roches pétrole dans les sous-sols… Séquence sédimentaire du bassin houiller de Graissessac Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Extraction de sables bitumineux au Canada Géologie 1A – ENTPE  Les évaporites Séance 2 : Les roches Catégorie de roches carbonatées d’origine chimique, elles sont essentiellement constituées de chlorures et de sulfates Solubles, elles constituent le cauchemar des constructeurs et des maîtres d’ouvrages, surtout dans le cas d’ouvrages hydrauliques. Formées par précipitation de minéraux solubles dans l'eau salée ou saumâtre, généralement dans des environnements fermés, en conséquence d'une surconcentration interne ou sursaturation des diverses solutions salines. Couches d'évaporites déformées près du Passo Rolle dans les Alpes italiennes Géologie 1A – ENTPE  Les évaporites Séance 2 : Les roches Le gypse est l’évaporite la plus couramment rencontrées dans les grands travaux – Formule : SO4Ca, 2H2O, dureté 2, masse spécifique 2300 kg/m-3 – Qu’il soit fibreux, lamellaire ou saccharoïde il oblige à utiliser des ciments spéciaux (le ciment Portland s’altérant avec des eaux chargées en sulfates de concentration supérieure à 200mg/l) L’hydratation de l’anhydrite (SO4Ca) en gypse provoque une augmentation de volume de 30 à 58 % (pression pouvant atteindre 690 bars) Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches III. Les roches ignées = magmatiques Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches III. Les roches ignées = magmatiques Géologie 1A – ENTPE  Roches magmatiques - obtenues par solidification (lors d’un Séance 2 : Les roches refroidissement) d’un magma Magma - matière fondue partiellement (présence de cristaux) ou totalement (proche de l’état liquide) à haute température (min 600°C). Lave - même matière, une fois qu’elle a atteint la surface (exemple : éruption) : donne les roches volcaniques. Lave Géologie 1A – ENTPE  Séance 2 : Les roches Géologie 1A – ENTPE  Cristallisation fractionnée Séance 2 : Les roches Les minéraux n’ont pas tous la même température de fusion. Au cours du refroidissement d’un magma, les minéraux ayant la T(fusion) la plus élevée cristalliseront en premier et auront tout l’espace disponible. Les minéraux cristallisent donc successivement par cristallisation fractionnée. Au fur et à mesure de cette cristallisation, la chambre magmatique se différencie également. Géologie 1A – ENTPE  Un élément d’identification : la texture Séance 2 : Les roches Grenue : tous les cristaux sont grands et également développés. Refroidissement lent en profondeur Microgrenue : quelques grands cristaux dans une masse de petits cristaux. Refroidissement plus rapide à profondeur moindre Microlithique : quelques cristaux dans une masse homogène. Refroidissement en trois temps : En profondeur pour les gros cristaux Au cours de l’ascension du magma à moyenne profondeur : cristallisation des microlithes En surface avec refroidissement brutal et consolidation de verre Vitreuse avec aucun cristal, refroidissement très brutal Géologie 1A – ENTPE  Un autre élément d’identification : la richesse en silice Séance 2 : Les roches Les minéraux essentiels : quartz, feldspaths, amphiboles, pyroxènes et olivine Dépend de la richesse en silice : Riche en silice : roches acides Pauvre en silice : roches basiques à ultrabasiques Géologie 1A – ENTPE  Le nom des roches magmatiques Séance 2 : Les roches La différence entre basalte et gabbro, andésite et diorite, rhyolite et granite, ne se situe pas au niveau de la composition mais au niveau de la texture, soit de la taille des cristaux Géologie 1A – ENTPE  Séance 2 : Les roches Géologie 1A – ENTPE  En résumé Séance 2 : Les roches Roches volcaniques Roches plutoniques trachyte granite Refroidissement rapide Refroidissement lent → cristaux immatures → cristaux matures → présence de pâte → absence de pâte → roche à petits cristaux → roche à gros cristaux Géologie 1A – ENTPE  Mode de gisement Séance 2 : Les roches Profond : en batholithes dans les boucliers anciens et dans les chaînes de montagnes très plissées. Vaste massif arrondi Semi profond : en s’intercalant avec des couches (laccolites) et remplissage de fissure (filons, dykes). Effusif : si le magma à l’extérieur : coulée de lave, aiguille d’andésite. Cône volcanique Géologie 1A – ENTPE  Batholites et dykes Séance 2 : Les roches Batholite granitique célèbre ! Dyke de dolérite (région de Bédarieux, Mont Rushmore (Sth Dakota) :1,6 Ga 34) (+ éboulis anthropiques) Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Igneous dyke_La Gomera Spain Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches IV. Les roches métamorphiques Le métamorphisme est l’adaptation minérale et structurale des roches à des conditions physico-chimiques différentes de celles où elles se trouvaient originellement Elles sont issues de la transformation de la roche mère à des température et/ou pressions élevées. Trois types de métamorphisme produisent la majorité des roches métamorphiques : – le métamorphisme de contact (auréole de métamorphisme) – le métamorphisme régional (=foliation) – le métamorphisme de choc (plutôt rare) Géologie 1A – ENTPE Séance 2 : Les roches Le gradient géothermique L'augmentation de la température depuis la surface vers la profondeur de la Terre est un phénomène connu depuis que certains travaux ont atteint de grandes profondeurs (mines d’or d'Afrique du Sud, de charbon, grands tunnels alpins). Cette augmentation = gradient géothermique : - Il est très faible dans le premier kilomètre : ca. 0,03 °C par m (moyenne) - Il peut néanmoins être encore plus élevé par endroit à proximité de zone d’échauffement : Saulz-la-Forêt (0,5°C par m) - Il diminue dans le manteau (asthénosphère, manteau inf.) 1A––ENTPE Géologie Géologie1A ENTPE  Les pressions au sein de l’écorce terrestre Séance 2 : Les roches L'apparition de pressions, en général considérables, au sein de l'écorce terrestre relève de plusieurs catégories de phénomènes. La pression lithostatique – Cette pression, à une profondeur donnée, est égale au poids de la colonne de roches sus-jacentes. Supposant une densité moyenne de 2,5, la pression à 5 km de profondeur serait de 12 500 N/cm2. – La répartition de cette pression est isotrope Les pressions de fluide – La plupart des roches soumises au métamorphisme renferment des fluides qui remplissent les pores existants. Il peut y avoir alors modifications de certains équilibres notamment ceux qui entraînent la formation de gaz. Les pressions orientées (=tectonique) – Il s'agit des pressions engendrées par les manifestations tectoniques. Cette pression joue un rôle important sur la structure des roches concernées en leur confèrant une schistosité ou une foliation. Géologie 1A – ENTPE  Séance 2 : Les roches Géologie 1A – ENTPE  Le nom des roches métamorphiques Séance 2 : Les roches Le métamorphisme régional est le mode de formation dominant Il se développe une suite bien spécifique de minéraux. Ces minéraux deviennent des indicateurs du degré de métamorphisme subit par la roche. On peut établir le niveau des pressions et des températures à laquelle a été soumise la roche, et ainsi évaluer sa profondeur d'enfouissement. Géologie 1A – ENTPE  Conclusions Séance 2 : Les roches La croûte terrestre accessible à l’observation géologique est constituée par des roches Leur étude appartient au domaine de la pétrographie qui s’efforce d’en déterminer la constitution Toutes les roches sont des agrégats de minéraux. Certaines sont constituées presque par un seul minéral. La plupart renferment plusieurs minéraux juxtaposés et étroitement imbriqués. Déterminer une roche implique donc: 1. une identification des minéraux 2. une analyse de l’arrangement dans l’espace de ces minéraux (texture de la roche) Géologie 1A – ENTPE