Cours 2 - des éléments aux roches (Géosciences 1)
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Deuxième cours de Géosciences 1 - Université Lyon 1 Des éléments aux roches
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Cours 2 - des éléments aux roches (Géosciences 1)
- 1. Des éléments aux roches
- 2. Qu’est-ce qu’une roche ? ROCHE MINERAL Ensemble d’un ou plusieurs minéraux Ensemble d’un ou plusieurs types d’atomes
- 3. Des éléments aux roches 1. La genèse des éléments (nucléosynthèse) a) Le concept d’atome b) Les isotopes : principe et application c) L’origine des éléments 2. Composition et structure des minéraux a) Espèces minérales et formes cristallines b) Les silicates 3. Les différents types de roches a) Les roches magmatiques b) Les roches sédimentaires c) Les roches métamorphiques
- 4. 1. La genèse des éléments c) L’origine des éléments La physique que nous connaissons fonctionnerait jusqu’à 10-43s (temps de Planck) après le Big Bang
- 5. 1. La genèse des éléments c) L’origine des éléments
- 6. 1. La genèse des éléments c) L’origine des éléments Big Bang La nucléosynthèse primordiale 10-43s (1032K) 5 particules « élémentaires » 10s (109K) (protons, neutrons, électrons, neutrinos, photons) utes s min !! elque a ux ! En qu e no y tion d forma La nucléosynthèse primordiale 300s (108K) •Formation du noyau de 1H = 1 proton •Fusion : formation du Deutérium D ou 2H 2 p+n= H •De la même manière le Tritium 3H 3 3 D + D = H +p (qui se désintègre en He…) D+n= H+γ •Puis c’est au tour de l’Hélium, du Lithium 300 000 ans (3 000 K) 3 T<T fusion Électrons capturés par les protons (atome Hydrogène) Univers devient transparent Émission du rayonnement fossile (2,7 K)
- 7. 1. La genèse des éléments c) L’origine des éléments La Nucléosynthèse Stellaire Les étoiles se forment. Univers vide & froid MAIS Étoiles denses et chaudes ! La fusion nucléaire peut redémarrer… dans les étoiles Synthèse des éléments = F(Densité, Température) = F(masse de l’étoile)
- 8. 1. La genèse des éléments c) L’origine des éléments La Nucléosynthèse Stellaire Exemple de notre étoile : le soleil Distance : 150 millions de km Cœur : 15 millions de degrés Surface : 6 000 °C Ni très gros, ni très petit Ni trop chaud, ni trop froid Etoile Naine Jaune Dans 5 milliards d’années... Géante rouge (dimensions * 100) ... puis naine blanche
- 9. 1. La genèse des éléments La Nucléosynthèse Stellaire c) L’origine des éléments Fusion dans le cœur des étoiles Fusion de H S’arrête lorsqu’on a consommé 10% du H Géante rouge : Fusion de He -> C,N,O,F,Ne M<8~10 Ms Naine blanche Supergéante : Fusion de C, O -> éléments jusqu’au Fe M<0.07 Ms Naine brune
- 10. 1. La genèse des éléments c) L’origine des éléments La fin de la nucléosynthèse : les supernovae Il faut trop d’énergie pour faire de la fusion nucléaire avec le Fe… donc le processus s’arrête L’étoile s’effondre sur elle-même et explose Explosion = énergie suffisante pour déclencher à nouveau des réactions de fusion dans le coeur de Fe -> création d' éléments plus lourds que Fe.
- 12. 2. Composition et structure des minéraux 3D
- 13. Espèces minérales – Formes cristallines Liaisons atomiques 2. Composition et structure des minéraux Des éléments différents se combinent pour former des composés Il existe 3 types de liaisons entre atomes • Ioniques : empruntent des électrons (Cl emprunte un électron à Na) •Covalentes : partage équitable d’électrons (liaisons entre atomes de C, diamant) •Métalliques : les électrons sont libres de passer d’un atome à l’autre
- 14. sur leurs caractères cristallographiques 2. Composition et structure des minéraux 2. Composition et structure des minéraux 7 systèmes cristallins • cubique α = β = γ = 90° a=b=c c b a • monoclinique • orthorhombique c b b c a a • rhomboédrique + systèmes triclinique, hexagonal, quadratique α = γ = 90°; β ≠ 90° a≠b≠c α = β = γ = 90° a≠b≠c α = β = γ ≠ 90° a=b=c Halite (NaCl) Gypse (CaSO4,2H2O) Olivine (Mg, Fe)2 [SiO4] Quartz (SiO2)
- 15. Espèces minérales – Formes cristallines La classification des minéraux… 2. Composition et structure des minéraux 2. Composition et structure des minéraux sur leurs caractères chimiques … Pyrite (FeS2) • sulfures Halite (NaCl) • halogénures (chlorures, fluorures, etc.) Calcite (CaCO3) • carbonates Gypse (CaSO4,2H2O) • sulfates Quartz (SiO2) • silicates • éléments natifs Or
- 16. 2. Composition et structure des minéraux 2. Composition et structure des minéraux Les silicates Pourcentage en masse dans les roches continentales
- 17. Les silicates 2. Composition et structure des minéraux 2. Composition et structure des minéraux O Si Nésosilicates formés de tétraèdres [SiO4]-4 isolés, reliés par des cations ex. : olivine, grenat, etc. Phyllosilicates tétraèdres [SiO4]-4 disposés en feuillets ex. : argiles, micas Sorosilicates tétraèdres [SiO4]-4 unis par deux avec un O commun Inosilicates tétraèdres [SiO4]-4 disposés en chaîne simple (ex. pyroxène), ou double (ex. amphibole) Cyclosilicates tétraèdres [SiO4]-4 disposés en anneau avec des O communs ex. : tourmaline, émeraude etc. Tectosilicates tétraèdres [SiO4]-4 reliés par leurs quatre sommets, tous les O étant communs ex. : quartz, feldspaths
- 18. 3. Les différentes types de roches Familles (de roches) ?
- 19. 3. Les différentes types de roches Le cycle d’une roche Cours 8 Cours 8 Cours 6 Cours 6 Ce cours Ce cours http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque
- 21. Les roches magmatiques 3. Les différentes types de roches Magma solidifié Gros cristaux = texture grenue Granite http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque Pâte vitreuse petits cristaux = microlithique Basalte
- 22. Les différentes roches magmatiques 3. Les différentes types de roches Fusion de La Roche source Source riche en Silice Source pauvre en Silice Magma Acide Magma Basique Plutonique Volcanique Plutonique Volcanique Refroidissement lent Refroidissement rapide Refroidissement lent Refroidissement rapide Granite Rhyolithe Gabbro Basalte
- 23. Cristallisation fractionnée Olivine : 30% de Silice Silice dans le magma 3. Les différentes types de roches Pyroxènes : 40% de Silice Acide Basique Temps
- 24. 3. Les différentes types de roches Les roches magmatiques http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque •Acide ou basique selon leur contenu en Silice (chimie/minéralogie) •Volcanique ou plutonique selon leur mode de mise en place (texture) •Différenciées si elles sont issues de la cristallisation fractionnée (chimie/minéralogie)
- 25. 3. Les différentes types de roches ?
- 26. Les roches métamorphiques 3. Les différentes types de roches Boue argileuse Degré croissant de métamorphisme (P/T°) + fusion Schiste Gneiss T°>800°C Migmatite www.pdac.ca www.ac-rennes.fr www.pdac.ca Déformation + fusion (~10%)
- 27. Quizz Quelle roche est métamorphique ? 2 1 3 4
- 28. Les roches sédimentaires 3. Les différentes types de roches Classification selon la composition 4 principales catégories SILICOCLASTIQUES 80% CARBONATÉES 15% ÉVAPORITIQUES 4% AUTRES carbonées, siliceuses, etc. 1% Classification selon la genèse (roches détritiques terrigènes, chimiques, organogènes, résiduelles)
- 29. 3. Les différentes types de roches 1m Les roches silicoclastiques 1 cm 10 cm 1m site.voila.fr/tpe_de_capra
- 30. Les roches carbonatées Quelques exemples… d’organismes producteurs de CaCO3 3. Les différentes types de roches Calcaires coquilliers www.ac-poitiers.fr Foraminifères planctoniques Récifs coralliens www.ggl.ulaval.ca www.ifremer.fr
- 31. 3. Les différentes types de roches ?
- 33. Ce qu’il faut retenir Conclusion •Les éléments ont été (ou sont) générés lors du big-bang, dans les étoiles et les supernovae •Les minéraux sont un agencement structuré d’atomes, de molécules et/ou d’ions •Une roche représente une organisation de la matière macroscopique (des minéraux…) •Les 3 grandes familles de roches (sédimentaires, métamorphiques et magmatiques) •Leur mode de formation, le cycle d’une roche
Hinweis der Redaktion
- Expansion de l’Univers. Qu’est-ce que c’est le big bang pour vous ?
- Tetraèdre : équilibre des charges -4
- Objectif de la diapo : Les silicates Tous les silicates possèdent une structure de base composée des ions Si4+ et O2- (schéma de gauche). Si on relie les centres des oxygènes, on obtient un volume qui forme un tétraèdre, le tétraèdre de base (schéma de droite). Le silicium occupe le centre du tétraèdre. Le calcul des charges électriques montre qu'un tétraèdre est chargé négativement. Dans les minéraux, les charges doivent être neutres. Pour neutraliser les charges, il faut ajouter des ions positifs, comme des fer, des magnésium, ou des potassium (liens métalliques).
- Objectif de la diapo : Classification Minéraux – 7 systèmes cristallins Les différentes mailles élémentaires, bâties sur les 3 vecteurs a, b et c et les angles (…) sont répartis en 7 systèmes cristallins, définis chacun par un polyèdre. Les différents cristaux, si compliqués soient-ils, résultent d’une modification d’un de ces 7 polyèdres fondamentaux. Par exemple, une troncature d’une arête, d’un angle du polyèdre fondamental.
- Objectif de la diapo : Classification Minéraux sur leur caractères chimiques Un cran au-dessus des molécules, on a les minéraux. Ceux-ci sont constitués d'atomes et de molécules, et se définissent sur deux critères indissociables: la composition chimique et la structure atomique. La classification des minéraux est donc basée sur leurs caractères chimiques et cristallographiques.
- Objectif de la diapo : Composition croûte terrestre – importance des silicates Le tableau qui suit présente la proportion des éléments chimiques les plus abondants dans la croûte terrestre. On y voit que deux éléments seulement, Si et O, comptent pour près des trois quarts (74,3%) de l'ensemble des matériaux. Il n'est donc pas surprenant qu'un groupe de minéraux composés fondamentalement de Si et O avec un certain nombre d'autres ions et nommés silicates, compose à lui seul 95% du volume de la croûte terrestre. A noter que cette répartition n'est applicable qu'à la croûte terrestre. On considère que le noyau est composé presqu'uniquement de fer et de nickel, ce qui est bien différent de ce qu'on présente ici. Lors de la formation de la terre, les éléments légers, comme l'oxygène et le silicium ont migré vers l'extérieur, alors que les éléments plus lourds, comme le fer, se sont concentrés au centre.
- Objectif de la diapo : Les silicates Le tétraèdre n’est pas l’unique structure de base des silicates, ils peuvent s’associer par deux, ou former des chaînes simples ou doubles, ou former des feuillets. Tous les tétraèdres peuvent également être liés à ses voisins par ses quatre oxygènes.
- Objectif de la diapo : Présentation des principaux types de roches Trois grands types de roches forment la croûte terrestre. Le schéma qui suit présente, en un coup d'œil, ces trois grands types, ainsi que les processus qui conduisent à leur formation. Ainsi présenté, il véhicule l'idée de la cyclicité des processus dont on reparlera dans le Chapitre géodynamique externe. - Le magma est à l'origine de la formation de la croûte terrestre, d'abord au niveau des dorsales océaniques, puis, par addition à la croûte déjà présente, aux niveaux des zones de subduction. Il constitue donc le cœur de ce diagramme; il en est le point de départ et le point d'arrivée du cycle. La première phase du cycle est constituée par la cristallisation du magma, un processus qui conduit à la formation d'un cortège de minéraux silicatés au sein des roches ignées (ou magmatiques). - Lorsqu'elles sont amenées à la surface du globe, les roches ignées s'altèrent et se désagrègent en particules de tailles variées. L'érosion par l'eau, la glace et le vent transportent les particules pour former un dépôt meuble, un sédiment (gravier, sable, boue). Puis ce sédiment se transforme progressivement en roche qui évidemment s'appelle une roche sédimentaire. - Dans les chaînes de montagnes, une portion du matériel sédimentaire est enfouie sous des conditions de températures et de pressions très élevées; les roches sédimentaires se transforment alors en roches métamorphiques. Ce processus de transformation sous l'effet de températures et de pressions élevées est le métamorphisme. Comme les roches sédimentaires, les roches ignées peuvent aussi être soumises aux processus du métamorphisme et produire des roches métamorphiques. - Il n'y a pas que les particules provenant de l'érosion des roches ignées qui forment les sédiments; l'érosion des roches métamorphiques et des roches sédimentaires produira aussi des sédiments et éventuellement des roches sédimentaires. - Le retour au magma (flèches violettes) boucle le cycle : au niveau des zones de subduction, il y a enfoncement dans l'asthénosphère de plaque lithosphérique océanique, soit de roches ignées, avec des quantités mineures de sédiments, de roches sédimentaires et/ou de roches métamorphiques. Une partie de ce matériel est fondu pour fournir les magmas de zones de subduction, alors qu'une autre partie est digérée et recyclée dans l'asthénosphère, et est susceptible d'être fusionnée ultérieurement en magma.
- Objectif de la diapo : Présentation des principaux types de roches Trois grands types de roches forment la croûte terrestre. Le schéma qui suit présente, en un coup d'œil, ces trois grands types, ainsi que les processus qui conduisent à leur formation. Ainsi présenté, il véhicule l'idée de la cyclicité des processus dont on reparlera dans le Chapitre géodynamique externe. - Le magma est à l'origine de la formation de la croûte terrestre, d'abord au niveau des dorsales océaniques, puis, par addition à la croûte déjà présente, aux niveaux des zones de subduction. Il constitue donc le cœur de ce diagramme; il en est le point de départ et le point d'arrivée du cycle. La première phase du cycle est constituée par la cristallisation du magma, un processus qui conduit à la formation d'un cortège de minéraux silicatés au sein des roches ignées (ou magmatiques). - Lorsqu'elles sont amenées à la surface du globe, les roches ignées s'altèrent et se désagrègent en particules de tailles variées. L'érosion par l'eau, la glace et le vent transportent les particules pour former un dépôt meuble, un sédiment (gravier, sable, boue). Puis ce sédiment se transforme progressivement en roche qui évidemment s'appelle une roche sédimentaire. - Dans les chaînes de montagnes, une portion du matériel sédimentaire est enfouie sous des conditions de températures et de pressions très élevées; les roches sédimentaires se transforment alors en roches métamorphiques. Ce processus de transformation sous l'effet de températures et de pressions élevées est le métamorphisme. Comme les roches sédimentaires, les roches ignées peuvent aussi être soumises aux processus du métamorphisme et produire des roches métamorphiques. - Il n'y a pas que les particules provenant de l'érosion des roches ignées qui forment les sédiments; l'érosion des roches métamorphiques et des roches sédimentaires produira aussi des sédiments et éventuellement des roches sédimentaires. - Le retour au magma (flèches violettes) boucle le cycle : au niveau des zones de subduction, il y a enfoncement dans l'asthénosphère de plaque lithosphérique océanique, soit de roches ignées, avec des quantités mineures de sédiments, de roches sédimentaires et/ou de roches métamorphiques. Une partie de ce matériel est fondu pour fournir les magmas de zones de subduction, alors qu'une autre partie est digérée et recyclée dans l'asthénosphère, et est susceptible d'être fusionnée ultérieurement en magma.
- Objectif de la diapo : Présentation des roches magmatiques - plutoniques Les roches magmatiques dérivent de la solidification d’un magma, on les appelle encore roches endogènes ou ignées. - Lorsqu’un magma se solidifie à l’intérieur de la lithosphère, le refroidissement est lent et on parle alors de roche plutonique. Elle n’apparaissent donc en surface que grâce à l’érosion (cf. chaos de granite rose).
- Objectif de la diapo : Cristallisation fractionnée
- Objectif de la diapo : Présentation des roches magmatiques - plutoniques Les roches magmatiques dérivent de la solidification d’un magma, on les appelle encore roches endogènes ou ignées. - Lorsqu’un magma se solidifie à l’intérieur de la lithosphère, le refroidissement est lent et on parle alors de roche plutonique. Elle n’apparaissent donc en surface que grâce à l’érosion (cf. chaos de granite rose).
- Objectif de la diapo : Les roches métamorphiques - classification Lorsque l’on se déplace dans une zone affectée par un métamorphisme régional, les différentes roches vont témoigner de conditions variables, progressives, depuis les faibles degrés jusque, parfois, les conditions de l’anatexie. Il se développe une suite bien spécifique de minéraux. Ces minéraux deviennent donc, pour une roche métamorphique donnée, des indicateurs du degré de métamorphisme qu'à subit la roche. A partir des assemblages minéralogiques, on peut établir le niveau des pressions et des températures à laquelle a été soumise la roche, et ainsi évaluer sa profondeur d'enfouissement dans les racines d'une chaîne de montagne. Comme pour les roche ignées et sédimentaires, on applique un certain nombre de noms aux roches métamorphiques. Exemple de la série argilite gneiss.
- Objectif de la diapo : Les roches sédimentaires Les roches sédimentaires peuvent être classées en 4 principales catégories : silicoclastiques, carbonatées, évaporitiques et les autres (parmi lesquelles les roches carbonées, siliceuses ou encore phosphatées). Il est également possible de classer les roches sédimentaires en quatre grandes classes génétiques: - les roches détritiques: elles sont formées de particules minérales issues de l'altération de roches préexistantes. Comme il s'agit de matériel issu des continents, on les appelle aussi "terrigènes". Ces particules sont transportées par l'eau, la glace, le vent, des courants de gravité et se déposent lorsque la vitesse de l'agent de transport diminue (ou lors de la fonte de la glace). Lorsque les roches détritiques sont essentiellement constituées de fragments de quartz, on les appelle aussi "siliciclastiques". Les roches détritiques sont généralement classées en fonction de la granulométrie de leurs constituants (conglomérats, grès, siltites, argilite, voir ci-dessous). Elles forment près de 85% de l'ensemble des roches sédimentaires; - les roches biogéniques, biochimiques ou organiques: elles sont le produit, comme leur nom l'indique, d'une activité organique ou biochimique. L'altération fournit, outre les particules solides entrant dans la constitution des roches terrigènes, des substances dissoutes qui aboutissent dans les mers, les lacs et les rivières où elles sont extraites et précipitées par des organismes. Dans certains cas, l'action des organismes modifie l'environnement chimique et le sédiment est précipité directement à partir d'eaux marines ou lacustres sursaturées. Dans d'autres, les organismes utilisent les carbonates, phosphates, silicates pour constituer leurs tests ou leurs os et ce sont leurs restes qui constituent les roches sédimentaires. Les plantes accumulent des matériaux carbonés par photosynthèse et sont directement à l'origine du charbon. D'autres types de sédiments carbonés comme les schistes bitumineux, le pétrole sont générés par des bactéries. Les roches biogéniques forment près de 15% des roches sédimentaires; - les roches d'origine chimique résultent de la précipitation (purement physico-chimique) de minéraux dans un milieu sursaturé. Les évaporites (anhydrite, halite, gypse, sylvite,...) en sont le meilleur exemple: elles se forment par évaporation de saumures. L'importance relative de ces roches est faible: de l'ordre du %; - une dernière classe est consacrée aux "autres roches sédimentaires" dont l'origine n'est pas liée à l'altération: les pyroclastites, les roches liées aux astroblèmes, les cataclastites (liées à des phénomènes de bréchification par collapse, tectonique, glissements de terrain, etc.).
- Objectif de la diapo : Les roches sédimentaires – roches détritiques Les roches silicoclastiques sont les plus importantes des roches sédimentaires (85%). Ce sont des roches détritiques, c’est-à-dire qu’elles sont composées de débris issus de l’érosion d’un continent. On parle également de roches terrigènes. Les roches silicoclastiques sont classées en fonction de leur granulométrie. 4 catégories… Les conglomérats sont des roches cohérentes constituées de galets arrondis à subanguleux (poudingues ou bréchiques) d'un diamètre supérieur à 2 mm et d'un liant. Les conglomérats et brèches ne représentent qu'un à deux % des roches détritiques. Les grès sont l'équivalent consolidé des sables, c-à-d. des roches dont les constituants détritiques ont une granulométrie comprise entre 2 mm et 62 µm. Les pélites sont des roches détritiques à grains fins contenant des minéraux argileux (30 à 75%), du quartz, des micas, etc. Les arigilites sont des roches argileuses indurées par compaction.
- Objectif de la diapo : Les roches sédimentaires – roches carbonatées L'essentiel de la production carbonatée est localisée au récif qui apparaît comme une véritable "usine à carbonates" grâce aux nombreux organismes qui le composent et qui fabriquent soit de l'aragonite, soit de la calcite magnésienne.