7. Le rôle de l eau dans la transformation des roches

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1 7. Le rôle de l eau dans la transformation des roches A. L EAU DANS L ALTÉRATION ET L ÉROSION Quelle que soit la nature des roches à la surface du globe, elles subissent les actions conjuguées des fluides atmosphériques et océaniques, des organismes vivants (animaux et végétaux) et des conditions climatiques. Il en résulte des transformations qui sont à l origine des roches sédimentaires. L eau est l agent fondamental de ces transformations et provoque l altération et l érosion des roches et des minéraux. Les processus d altération sont de deux types : l altération chimique et l altération mécanique ou érosion. 1. L altération chimique Elle permet le développement des sols à partir des roches sous-jacentes dites roches mères. L eau est un excellent solvant et permet la dissolution d éléments chimiques présents dans les roches et leur évacuation par drainage dans les sols ou encore leur précipitation. La dissolution des minéraux est d autant plus importante qu une roche est constituée de petits grains ou cristaux autour desquels l eau peut s infiltrer. La surface d échange totale est plus grande autour de nombreux petits cristaux qu autour de gros cristaux pour un même volume de roche. La nature de la roche intervient donc dans son altération. Falaise avec poches d argile rouge (Le Havre) Profil d un sol en région tempérée 36 Partie 2 : L eau sur la Terre

2 2. L altération mécanique ou érosion Elle agit par entraînement des particules et diminue l épaisseur des sols. Les éléments sont emmenés par un ruissellement plus ou moins prononcé en fonction de la pente du terrain et de la couverture végétale présente. Les températures basses provoquent le gel de l eau au sein des fissures présentes dans les roches, ce qui entraîne leur fracturation. L eau liquide augmente de volume en gelant. La glace, jouant comme un coin, force l ouverture de chaque fissure. L action répétée du gel et du dégel par l alternance de nuit et de jour entraîne la fracturation des roches : on parle de gélifraction. Galet fracturé par le gel Gélifraction en lames Les deux processus sont complémentaires : l altération mécanique fragmente la roche et facilite l altération chimique. L érosion au cours du temps façonne les paysages. Érosion dans des schistes alpins du Col du Lautaret (05) Canyon Jokulsa en Islande Érosion de la berge de la rivière Kacbeni (Népal) avec habitat troglodytique Chapitre 2. 7 : Le rôle de l eau dans la transformation des roches 37

3 7. Le rôle de l eau dans la transformation des roches B. LES ACTIONS DE L EAU SUR LA CROÛTE OCÉANIQUE À chaque étape de l histoire de la croûte océanique, l eau est présente : - dès sa mise en place au niveau des dorsales, - dans son évolution au cours des temps géologiques au sein de la lithosphère océanique, - dans sa disparition dans les zones de subduction. 1. Présentation et origine de la lithosphère océanique La Terre est structurée en enveloppes concentriques d épaisseurs, de compositions chimiques et de densités différentes. L eau va interférer avec l enveloppe la plus superficielle du globe : la croûte océanique. La croûte océanique se met en place au niveau des dorsales, long relief de km qui parcourt le globe et constitue une frontière entre deux plaques tectoniques. Ces zones se caractérisent par des activités sismiques superficielles et volcaniques dues à des mouvements de divergence des plaques lithosphériques ; une remontée de magma y est possible. La lave proche de C qui s épanche au fond des océans se met en place sous forme de coussins ou polochons de basalte qui témoignent d un refroidissement brutal au contact d une eau à quelques degrés (2 C). L eau intervient donc dès la mise en place des basaltes à l axe des dorsales en provoquant leur refroidissement rapide et leur débit caractéristique en coussins. Les basaltes constituant le fond des océans se mettent en place à l axe des dorsales et sont repoussés de part et d autre de cet axe au cours du temps par de nouvelles arrivées de magma. Sous les basaltes, les magmas refroidissent plus lentement en profondeur et donnent des gabbros de même composition mais de structure entièrement cristalline. Les magmas sont issus de la fusion des péridotites du manteau sous-jacent. Cette fusion est rendue possible lors de la remontée du manteau asthénosphérique par la baisse de la pression exercée sur les roches. La croûte océanique et la partie supérieure du manteau ont un même comportement cassant face aux contraintes : on les associe au sein de la lithosphère océanique (LO). Pillow lava Géotime (Oman) Pillow lava Chenaillet (Hautes Alpes - France) 38 Partie 2 : L eau sur la Terre

4 2. Évolution de la lithosphère océanique En s éloignant de l axe des dorsales sous les océans, la lithosphère océanique s hydrate et se refroidit. Elle s épaissit par sa base aux dépens de l asthénosphère. L évolution de la lithoshère océanique au cours du temps, d après T. Juteau DORSALE 0 M. A. LITHOSPHÈRE OCÉANIQUE HYDRATATION REFROIDISSEMENT ÉPAISSISSEMENT 60 M. A. 100 Km m LITHOSPHÈRE ASTHENOSPHÈRE Plus froide, elle devient plus cassante et se fracture. Une circulation d eau de mer se fait au sein des systèmes de fractures : de l eau froide pénètre, descend, se réchauffe au contact de la chambre magmatique, se charge en métaux dissous. Un fluide hydrothermal de faible densité remonte vers la surface en évacuant de la chaleur. On parle de circulations hydrothermales. La circulation hydrothermale d après T. Juteau C isotherme Chapitre 2. 7 : Le rôle de l eau dans la transformation des roches 39

5 De telles circulations déposent par précipitations de nombreux minéraux et construisent des fumeurs noirs. Certains peuvent être observés sur des fonds océaniques obduits, en Oman par exemple. La circulation hydrothermale au niveau d une dorsale et formation d un fumeur noir Fumeurs noirs fossiles à Zuha Oman La lithosphère océanique sous l action de l eau se refroidit, s épaissit, s hydrate et donc augmente en densité en s éloignant de l axe de la dorsale. Les roches changent donc de conditions physico-chimiques : la température diminue et la teneur en eau augmente. Les espèces minérales perdent leur stabilité et évoluent en d autres minéraux plus hydratés et stables à température plus basse. Pyroxène + feldspaths + eau hornblende + feldspaths + eau chlorite + actinote + épidote + eau Mg 2 Si 2 O 6 + Ca Al 2 Si 2 O 8 + H 2 O Na Ca 2 (Mg, Fe) 4 Al 3 Si O (OH) + Ca Al Si O + H O (Mg, Fe, Al) 6 (Si, Al) 4 O 10 (OH) 8 + Ca (Mg, Fe) Si O (OH) + H O Partie 2 : L eau sur la Terre

6 L interaction de l eau de mer avec la croûte océanique provoque un métamorphisme océanique : la composition minéralogique et chimique du basalte est profondément modifiée. La lithosphère océanique âgée est hydratée et dense, les minéraux qui la composent contiennent de l eau. L eau présente dans la lithosphère océanique est à l origine du magmatisme des zones actives de subduction. 3. La disparition de la lithosphère océanique dans les zones de subduction Plus la lithosphère océanique s éloigne de l axe des dorsales et plus son épaisseur et sa masse volumique augmentent. La densité devient telle que, si au cours de son déplacement la lithosphère océanique est opposée à une autre plaque lithosphérique, soit continentale soit océanique, elle plonge en profondeur dans le manteau. Cette situation se rencontre dans un contexte de convergence entre deux plaques lithosphériques. Dans ce déplacement en profondeur, le paramètre pression augmente alors que la température évolue peu, la roche conduisant mal la chaleur. L eau présente dans les minéraux va être libérée à partir de 80 km de profondeur et va hydrater le manteau péridotitique de la plaque chevauchante. Cette eau permet la naissance de magmas à partir des péridotites en abaissant leur point de fusion. Le magma créé dans ce contexte donne des diorites en profondeur et des andésites et des rhyolites en surface au cours d éruptions explosives et violentes. De ce fait, les zones de subduction sont appelées des marges actives et se caractérisent par une activité sismique et volcanique importante. Au cours de la subduction et par augmentation de pression, les espèces minérales vont à nouveau changer et les minéraux vont se déshydrater. L eau ainsi libérée permet alors la fusion des péridotites qui la reçoivent. chlorite + actinote + épidotes > glaucophane + eau > jadéite + grenat (Mg, Fe, Al) 6 (Si, Al) 4 O 10 (OH) 8 + Ca 2 (Mg, Fe) 5 Si O 22 (OH) 2 + Ca (Fe 3 + ) 3 Si 3 O 12 (OH) Na 2 (Mg Fe) 3 Al 2 Si 8 O 22 (OH) 2 + H 2 O NaAlSi 2 O 6 + X 3 Y 2 Si 3 O 12 C est encore l eau qui est à l origine du magmatisme dans les zones de subduction. En abaissant le point de fusion des péridotites, elle permet la formation de magma et donc de volcanisme. Chapitre 2. 7 : Le rôle de l eau dans la transformation des roches 41

7 Diagramme PTt (Pression, Température, temps) présentant les transformations minéralogiques des roches de la croûte océanique au fur et à mesure de l éloignement de la dorsale et lors de la subduction. Schéma localisant les différents matériaux générés en subduction et présentant le couplage entre métamorphisme et magmatisme C 30 mouvements de convergence SV mouvements de convergence Croûte océanique Manteau supérieur Lithosphère océanique 800 C H 2 O SB 1200 C 60 E C Profondeur en Km Croûte continentale Diapir de granitoïdes Stockage des magmas basaltiques en base de croûte continentale Domaine d'extraction des magmas du manteau supérieur hydraté SV SB E Basaltes et gabbros à minéraux verts formés par hydrothermalisme océanique (SV : Schistes verts) Métabasaltes et métagabbros à glaucophanes (SB : Schistes bleus) Métabasaltes et métagabbros à grenat et jadéite (E : Eclogite) Isothermes Source : complément au programme de SVT de Terminale S 42 Partie 2 : L eau sur la Terre

8 7. Le rôle de l eau dans la transformation des roches C. LE RÔLE DE L EAU DANS LA SÉDIMENTATION Dépôt de bord de rivière Les éléments dissous ou enlevés aux roches au cours des processus d érosion et d altération sont transportés par l eau puis déposés. La sédimentation a lieu en milieu aquatique continental, lacs et fleuves, et en milieu marin. Les éléments détritiques, sables et argiles transportés par les fleuves, se déposent sur les plateformes continentales. Ces masses de sédiments se déplacent vers les plaines abyssales des fonds océaniques. Une sédimentation de pleine mer existe sous la forme de sédiments pélagiques, constitués essentiellement de restes d organismes planctoniques microscopiques, formant par exemple des boues calcaires à foraminifères et coccolithes. Exemples de foraminifères Globotruncana Sur les basaltes des croûtes océaniques l épaisseur des sédiments augmente avec l éloignement depuis l axe des dorsales. Des éléments obtenus par précipitation se déposent également sur les fonds marins. Au cours des temps géologiques, les sédiments donnent par compaction les roches sédimentaires qui nous renseignent sur les climats du passé et sur l évolution du vivant. Globigérine Chapitre 2. 7 : Le rôle de l eau dans la transformation des roches 43