Structure et dynamique de la Terre

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1 Structure et dynamique de la Terre Introduction -Notions sur les matériaux et le temps en géologie Structure Interne: Approche géophysique - Modéle de Terre sismologique - Tomographie sismique: Image de la Terre 2D et 3D Grands processus géodynamiques: Approche géophysique - Tectonique des plaques - Frontières de plaques Histoire Géologique de la Bretagne p. 1

2 Introduction La Terre, machine dynamique > compréhension de transferts de matière pendant une certaine période de temps > 3 questions : Quoi? Quand? Où? I - Les matériaux - les minéraux et les roches II - Le temps - les datations relatives et absolues - le calendrier géologique III - Conclusion p. 2

3 Les matériaux terrestres Plusieurs échelles du milliers de kilomètres à la taille des atomes croute manteau océan continent croute manteau noyau 10 5 m lithosphère 10 3 m nappe de charriage 10 0 m 10 6 m globe terrerstre 10 3 m pli 10 9 m 10 5 m schistosités réseau cristallin minéraux p. 3

4 Le minéral La composition chimique: nature des éléments chimiques du minéral (ex:silicium Si, Oxygène O,...) La structure atomique: arrangement des atomes entre eux (ex:structure cubique) Identification des minéraux couleur (Qz plusieurs couleurs), éclat (métallique ou non métallique) trait sur porcelaine(hématite: trait brun rougeâtre) dureté: de 1 (talc) à 10 (diamant) selon rayure faite par un ongle, une pièce, une lame ou du verre densité: sel (2.1 g/cm 3 ), or (19 g/cm 3 ) forme cristalline clivage: calcite se débite selon certains plans, le Quartz sans clivage en morceaux irréguliers effervescence: identification des minéraux carbonatés (test à l acide) propriétés optiques: chaque minéral possède ses propriétés optiques p. 4

5 Minéraux constitutifs de la croûte O 46.6%, Si 27.7%, Al 8.1%, Fe 5.0%, Ca, Na, K, Mg,... 95% volume de la croûte composé de silicates SiO 4 Structure de base des silicates: le tétraèdre Les pyroxènes, chaîne simple de tétraèdre, 2 plans de clivage à angle droit Les amphiboles, chaîne double, 2 plans de clivages à 60 et 120 Les micas, chaîne planaire, 1 plan de clivage Les feldspaths, réseau à 3 dimension, 2 plans de clivages Le Quartz, réseau à 3 dimensions, pas de clivage p. 5

6 Minéraux constitutifs du manteau Abondance d oxygène, de silicium, de fer et de magnésium dans le manteau 55% d olivine avec pyroxènes, spinelles et grenat dans le manteau supérieur 65% d oxydes ferro-magnésiens et de pérovskites dans le manteau inférieur NOYAU constitué de fer et nickel Pas que des minéraux silicatés sur Terre: - carbonates (ex:calcite) - sulfates (ex:gypse) - phosphates (ex:apatite) - sulfures (ex:pyrite) - oxydes et hydroxydes (ex:spinelle) - tungstates (ex:wolframite) - halogénures (ex: halite) - éléments natifs Au et Ag p. 6

7 Origine des Minéraux I Cristallisation d un liquide qui, par refroidissement, passe de l état liquide à solide Cristallisation de vapeurs (cristallisation du soufre autour des fumerolles) p. 7

8 Origine des Minéraux II Précipitation chimique à partir d une solution sursaturée par rapport à un minéral. (ex: formations des agates, dépôts dans les cavernes et séquence évaporitique) Transformation (recristallisation) de minéraux existants en formes cristallines différentes de l original. p. 8

9 Du minéral à la roche Le magma est à l origine de la formation de la croûte terrestre. Il est la première phase du cycle. Trois grands types de roches: Roche ignée: cristallisation du magma Roche sédimentaire: cimentation des particules issues de l érosion des roches ignées et métamorphiques Roche métamorphique: transformation sous l effet des hautes températures et p. 9 pressions

10 Les Roches Ignées Cristallisation fractionnée : cristallisation des silicates dans un magma se fait dans un ordre défini, produit des assemblages minéralogiques différents qui correspondent aux 4 grands types de roches ignées Extrusives ou intrusives: taille des minéraux issus d un processus de refroidissement lent (cristaux grossiers, ex:intrusif dans la coûte) et rapide (petits cristaux, ex:volcans sous-marins) Fusion partielle : si la température d un matériel augmente, une partie va fondre et devenir liquide. Tous les minéraux ne fondent pas à la même température. exemple: magma ultramafique issu de la fusion partielle de la péridotite p. 10

11 Les Roches Sédimentaires I l altération superficielle: mécanique (ex: gel/dégel), chimique (ex: silicate attaqué part les eaux de pluies) et biologique (ex: lichen) le transport: eau (principalement), vent, glace. Figures spécifiques ( ex:granoclassement) la sédimentation: accumulation des particules dans un bassin, dépôt en couche successives: stratification. la diagenèse: processus chimiques et mécaniques affectants un dépôt sédimentaire après sa formation qui vont de la compaction du sédiment à sa cimentation, en passant par des phases de dissolution, de recristallisation ou de remplacement de certains minéraux. p. 11

12 Les Roches Sédimentaires II 3 sources: terrigène: érosion des continents allochimique (essentiellement calcaire): particules issues du bassin de sédimentation: coquilles et/ou fragments orthochimique: précipités chimiques dans le bassin de sédimentation ou à l intérieur du sédiment durant la diagenèse Nom des roches: taille des particules pour terrigène et allochomiques composition minéralogique p. 12

13 Les Roches Métamorphiques I Roches ignées ou sédimentaires sous hautes températures et/ou pressions 2 processus: 1- métamorphisme de contact: se produit dans la roche encaissante au contact d intrusifs par transferts de chaleur p. 13

14 Les Roches Métamorphiques II 2- métamorphisme régional et foliation métamorphique: importantes pressions et températures. C est le métamorphisme de chaîne de montagne. développement de minéraux dits métamorphiques et d une foliation (cristaux aplatis et étirés) métamorphisme de choc : chute de météorites avec températures et pressions bien plus élevées détermination du niveau de pression et température à partir des assemblages minéralogiques présents p. 14

15 Le temps en géologie Plusieurs échelles du milliards d années à la seconde p. 15

16 La séquence géologique Le temps est matérialisé par l empilement des couches géologiques stratification des roches sédimentaires témoin du temps nécessaire pour que les sédiments se déposent roches intrusives: témoin d événements ponctuels plus courts discordance: témoin du temps où les dépôts ont été érodés p. 16

17 La séquence géologique 2.5 milliards d années d histoire dans le Grand Canyon, Colorado p. 17

18 Datation relative I Établissement de l âge des couches l une par rapport à l autre. 2 méthodes : physique et paléontologique Méthodes physiques de datation relative. principe de l horizontalité primaire des couches sédimentaires et principe de superposition. couche 4 plus jeune que la 3, elle même plus jeune que la 2,... Règle de recoupement: un corps rocheux qui en recoupe un autre est nécessairement plus jeune que celui qu il recoupe p. 18

19 Datation relative II discordance d érosion: contact irrégulier entre masse intrusive et couches sédimentaires discordance angulaire: séquence de formation de la discordance dépôt, plissement, érosion et nouveau dépôt p. 19

20 Datation relative III Méthodes paléontologiques de datation relative datation par les fossiles plusieurs méthodes: - la méthode des fossiles pilotes utilise des fossiles à courte durée de vie - la méthode des assemblages fossilifères basée sur des fossiles trouvés ensemble dans une couche sédimentaire, témoin d un époque précise. Aucun fossile pris individuellement n aurait pu fournir un âge aussi précis. - la méthode des lignées évolutives, similaire à la méthode des assemblages mais avec des fossiles d un même groupe biologique. Établissement d une échelle relative des temps géologiques par les paléontologues. Aucun temps exprimé en nombre d années p. 20

21 Datation Absolue La datation radiométrique développé au début du 20ème après la découverte de la radioactivité par Pierre et Marie Curie principe: certains éléments chimique ont la propriété de se désintégrer. En calculant le temps qu a mis une certaine portion d un élément contenu dans un minéral à se désintégrer, on obtient l âge de formation de ce minéral dépend de la demie-vie de l élément radioactif: temps nécessaires pour que la moitié de l élément initial soit désintégré exemple: demie-vie de 238 U est de 4.5 milliards d année, demie-vie du 14 C est de 5730 années Choisir son élément radioactif en fonction de l objet à dater si plus vieux que ans il est inutiles d utiliser le 14 C car il n en restera qu en très faible quantité. p. 21

22 Calendrier géologique Avec la datation radiométrique, on a obtenu des âges absolus. Les ères géologiques ne sont pas de durées égales: prédominance du précambrien avec 90% de tout le temps géologique (peu de fossiles au précambrien). hadéen : mal connu car pas de vestige rocheux. Il commence à 4.03 Milliards d années parce que c est la plus vieille roche terrestre connue. p. 22

23 Conclusion maille cristalline minéral ammonite Mont Blanc France continentale diamètre de la Terre TAILLES échelle logarithmique (m) échelle linéaire (milliers de km) 10 Dimension, temps et matériaux: 3 notions importantes en géologie p. 23