PARTIE I : GEOLOGIE GENERALE : Chapitre 1 : Introduction à la géologie
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- Odette Poulin
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1 PARTIE I : GEOLOGIE GENERALE : Chapitre 1 : Introduction à la géologie I. Définition : La géologie, (du grec ancien, géo est la «terre» et la logie (logos) est la «parole», «raison»), est la science qui traite de la composition, de la structure, de l'histoire et de l'évolution des couches internes et externes de la Terre, et des processus qui la produisent. La géologie est une discipline importante parmi les sciences de la Terre et de l univers. Associée à des méthodes de datation radiochronologiques et des études de météorites, elle a permis de déterminer l âge de la Terre, que l'on estime actuellement à 4,57 milliards d'années. Elle intervient, en même temps que la géophysique appliquée, dans la recherche et/ou l exploitation des ressources naturelles notamment le pétrole, l'eau, le charbon, les minerais et les pierres précieuses et semi-précieuses. Dans son acception actuelle. Le mot géologue est utilisé pour la première fois en De tous temps, nous sommes soumis aux risques naturels : tremblements de terre, éruptions volcaniques, raz-de-marée, chutes de météorites, glissements de terrains, etc. Qu'y pouvonsnous? Dans quelle mesure pouvons-nous établir des prévisions? De grands changements climatiques planétaires ont modifié la surface du Globe durant les temps géologiques. Peut-on en tirer des leçons quant au devenir des systèmes climatiques planétaires? L'ère industrielle a-t-elle modifié de façon significative la composition de l'atmosphère terrestre? Encore faut-il connaître le "background" qui présente un archive dans les roches et les sédiments. Les Sciences de la Terre ont connu une progression importante durant la dernière moitié du 20 em siècle, avec la formulation de théories qui ont révolutionné notre façon de comprendre l'origine de la Planète et sa dynamique. De nouvelles technologies ont ouvert des horizons, tant au niveau de l'observation de l'ensemble du Globe, qu'au niveau de l'observation et de l'analyse des plus petites composantes de la matière; sans parler de cette capacité qui permet de traiter des masses d'informations concernant la Planète grâce à l'informatique. La démarche est devenue multidisciplinaire, intégrant des disciplines comme la physique, la chimie, la biologie et donnant naissance à des sous-disciplines comme la géophysique, la géochimie, la biogéologie, la biogéochimie, etc. Page -1-
2 II. Différentes disciplines de la géologie : La géologie possède de nombreuses attaches avec d'autres sciences, parmi lesquelles, on peut citer : La géochimie de la croûte terrestre, qui étudie la chimie des couches superficielles de la Terre; la géochimie des couches plus profondes concerne davantage la géophysique interne, ou physique du globe, que la géologie ; La pétrographie, qui décrit la nature des roches et analyse leurs caractères structuraux, minéralogiques et chimiques ; La sédimentologie qui étudie les roches et les formations sédimentaires ; dans ce cas on parle également de stratigraphie qui étudie la succession des différentes couches géologiques ou strates ; La sismologie, qui étudie les tremblements de terre et la propagation des ondes sismiques naturelles ou provoquées (on parle alors de sismique) ; cette discipline est une branche importante de la géophysique, et seuls certains de ses résultats intéressent le géologue; l'hydrogéologie, qui étudie les écoulements des eaux souterraines, sachant que la nature du sous-sol traversé par les eaux influence directement la quantité et la qualité de l'eau émergeant à la source ou exhaurée du forage ; La géomorphologie, qui étudie les formes du relief terrestre ; on considère qu'elle concerne plus le géographe que le géologue, et on la range le plus souvent parmi les branches de la géographie physique ; La minéralogie, qui étudie la nature, la composition et les propriétés physiques des minéraux qui composent les roches ; La paléontologie, qui étudie les organismes passés grâce à la description et à l'analyse des restes fossilisés ; La morphotectonique, qui étudie les conséquences morphologiques des processus tectoniques et d'érosion ; La micropaléontologie, qui étudie les fossiles microscopiques contenus dans les sédiments ; La pétrologie, qui étudie les mécanismes qui président à la genèse et à la transformation des roches ; La géophysique, étudie la structure et la composition interne de la Terre avec des outils empruntés à la physique et aux mathématiques ; contrairement aux sciences géologiques et minérales, qui sont des sciences essentiellement descriptives et qualitatives, les sciences géophysiques sont rangées parmi les sciences exactes et quantitatives; les géologues entendent souvent sous le vocable «géophysique» seulement la géophysique appliquée (comprenant des Page -2-
3 méthodes sismiques, gravimétriques, magnétiques, électriques, électromagnétiques,...appliquées à la prospection pétrolière et minière, à l'archéologie, aux études environnementales, etc.) ; l'hydrogéophysique fait partie de cette dernière; Le génie sismique qui s'occupe d'études macrosismiques sur le terrain à la suite d'un tremblement de terre de quelque importance ; il s'occupe aussi d'évaluer le risque sismique et de fixer des normes parasismiques pour un pays ou une région donnés ; il participe aussi à la surveillance de régions à risque et, si possible, essaye de prévoir des tremblements de terre futurs, soit par des méthodes statistiques, soit par des méthodes déterministes lorsque c'est possible ; Page -3-
4 Chapitre 2 : Le globe terrestre I. Introduction : Le système solaire est le système planétaire composé du Soleil et des corps célestes ou objets définis tournant autour de lui : les huit planètes, et des milliards de petits corps (astéroïdes, objets glacés, comètes, poussière interplanétaire, etc.). De la plus proche à la plus éloignée (du Soleil), les planètes du système se nomment Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Six de ces planètes possèdent des satellites en orbite et chacune des planètes externes est entourée d un anneau planétaire de poussière et d autres particules. II. Structure de la terre : L'intérieur de la Terre est constitué d'une succession de couches de propriétés physiques différentes : au centre, le noyau, qui forme 17% du volume terrestre et qui se divise en noyau interne solide et noyau externe liquide; puis, le manteau, qui constitue la grande partie du volume terrestre (81%), et qui se divise en manteau inférieur solide et manteau supérieur principalement plastique, mais dont la partie tout à fait supérieure est solide; finalement, la croûte (ou écorce), qui compte pour moins de 2% en volume et qui est solide. Fig. : Structure de la Terre. Deux discontinuités importantes séparent croûte, manteau et noyau : la discontinuité de Mohorovicic (MOHO) qui marque un contraste de densité entre la croûte terrestre et le manteau, et la discontinuité de Gutenberg qui marque aussi un contraste important de densité entre le Page -4-
5 manteau et le noyau. Une troisième discontinuité sépare noyau interne et noyau externe, s appelle la discontinuité de Lehmann. La couche plastique du manteau supérieur est appelée asthénosphère, alors qu'ensemble, les deux couches solides qui la surmontent, soit la couche solide de la partie supérieure du manteau supérieur et la croûte terrestre, forment la lithosphère. On reconnaît deux types de croûte terrestre: la croûte océanique, celle qui en gros se situe sous les océans, qui est formée de roches basaltiques de densité 3,2 et qu'on nomme aussi SIMA (silicium-magnésium); et la croûte continentale, celle qui se situe au niveau des continents, qui est plus épaisse à cause de sa plus faible densité (roches granitiques à intermédiaires de densité 2,7 à 3) et qu'on nomme SIAL (silicium-aluminium). La couverture sédimentaire est une mince pellicule de sédiments produits et redistribués à la surface de la croûte par les divers agents d'érosion (eau, vent, glace) et qui compte pour très peu en volume. Page -5-
6 II.1. Composition du manteau : Dans les basaltes, résultant du refroidissement des laves émises en surface par les volcans, on trouve parfois des péridotites. Cette roche, non présente dans les croûtes (océanique et continentale), provient nécessairement du manteau : elle a été amenée en surface par le magma basaltique lors de sa montée. EIle est constituée essentiellement de minéraux ferromagnésiens. Cette observation suggère que le manteau pourrait être de nature péridotitique. Aux températures et pressions estimées entre 100 et 300 km, la péridotite est proche d'un début de fusion, ce qui rend compte de la zone à moindre vitesse, l'asthénosphère. La limite lithosphère-asthénosphère n'est pas chimique mais physique, elle correspond à deux états de la péridotite : très rigide pour la lithosphère, moins rigide pour l'asthénosphère. La limite croûte- manteau est chimique. II.2. Composition du noyau : La densité moyenne de la Terre est de 5,5; celles des croûtes continentale et océanique respectivement de 2,7 et de 3,2 ; celle du manteau en moyenne de 4,4. Par le calcul, on arrive que le noyau a une densité de l'ordre de 12, voisine de celle du fer. L'idée que le noyau est constitué de fer métallique est confirmée par les météorites. Ces pierres tombées du ciel sont dans leur grande majorité des fragments d'objets rocheux du système solaire, ces objets s'étant formés à partir des mêmes matériaux au cours de la formation du système solaire, l'analyse des météorites peut renseigner sur la composition interne des planètes. La grande majorité des météorites (85 %) sont formées d un assemblage de silicates ferromagnésiens (olivine, pyroxène) et de fer métallique. Des analyses plus complexes indiquent que le noyau serait constitué d'un alliage fer-nickel. Page -6-
7 PARTIE II : LA GEODYNAMIQUE EXTERNE (Ou DYNAMIQUE EXTERNE DE LA TERRE) Chapitre 1 : L érosion I. Généralités : II. Définition de l érosion : III. Mécanismes de l'érosion : IV. Types d érosion: IV.1. Érosion par l'eau : IV.2. Érosion par le vent : Page -7-
8 Chapitre 2 : DEPOT ET ROCHES SEDIMENTAIRES I. Introduction : II. Milieux de dépôt : III. Les roches sédimentaires : PRINCIPAUX TYPES DE ROCHES SEDIMENTAIRES III.1. D'après leur origine, on distingue: III.2. D'après la composition chimique, on distingue: IV. Notions de stratigraphie : IV.1. Les grands principes de la stratigraphie : IV.2. Exceptions aux principes : IV.3. Discontinuités stratigraphiques : a. discordance : b. Lacune : V. Notions de Paléontologie : V.1. Intérêt de la Paléontologie : V.2. Comment se forment les fossiles? A. Facteurs et conditions de fossilisation : La fossilisation dépend de : B. Processus de fossilisation : (Parties dures et parties molles) Page -8-
9 PARTIE III : LA GEODYNAMIQUE INTERNE (Ou DYNAMIQUE INTERNE DE LA TERRE) Chapitre 1 : Sismologie I. Introduction : II. Les ondes sismiques : Les tremblements de terre produisent différents types d'ondes sismiques. Ces ondes, en traversant la terre et en se réfléchissant ou se diffractant sur les discontinuités principales de propriétés physiques des roches. Le déplacement lors d'un séisme peut être mesuré par un appareil simple : le sismographe qui enregistre dans les trois dimensions de l'espace (vertical et les deux directions du plan horizontal) le déplacement du sol par rapport à une masse très lourde qui reste presque immobile du fait de son inertie. Les déplacements observés sont périodiques et sont qualifiés d'ondes sismiques. Pour les grands tremblements de terre il y a plusieurs secousses qui se suivent (répliques) qui correspondent à la réflexion des ondes sismiques sur des structures géologiques (failles, couches sédimentaires de composition très différentes provoquant un changement de vitesse...). Sur les enregistrements (sismogrammes) on distingue plusieurs types d'ondes: Page -9-
10 Qu'est-ce qui cause un séisme? Ordre d'arrivée à la station Ondes P (Premières) Ondes S (Secondes) Ondes de Rayleigh Types d'ondes Ondes de compression responsables du grondement sourd entendu au début du tremblement de terre Ondes de cisaillement (polarisées dans un plan perpendiculaire au déplacement de l'onde) Ondes S V polarisées verticalement Ondes S H polarisées horizontalement = ondes LOVE (L) Ondes Rotationnelles Ondes se propageant en profondeur: selon les discontinuités et les différents milieux rencontrés, leur vitesse varie (elle diminue lorsque la distance parcourue augmente) Ondes de surface: leur vitesse est constante car elles ne se propagent que dans un seul type de milieu, la couche superficielle de la croûte qui est homogène vis-à-vis de la déformation sismique Propagation et interprétation Les ondes L ont une vitesse constante et sont donc caractéristiques d'un milieu "homogène" (visà-vis de leur propagation); alors que les ondes P et S ont des vitesses qui augmentent avec les distances parcourues, elles ne circulent donc pas dans le même milieu "homogène" que les ondes L Page -10-
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