CHAPITRE 9: LES MATERIAUX DE LA LITHOSPHERE COURS GEOLOGIE GENERALE 1 ère Année Licence SNV/GAT N.B. : Ce cours est largement inspiré du cours dispensé au Département de Géologie et Génie Géologique de l Université Laval. Québec. http://www2.ggl.ulaval.ca
LES MATERIAUX DE LA LITHOSPHERE 1. GENERALITES : Les roches, les minéraux, les cristaux Les matériaux constitutifs de la lithosphère, et notamment de la croûte, sont représentés essentiellement par des roches. Les roches (du latin populaire rocca) sont des matériaux naturels généralement solides et formés, essentiellement ou en totalité, par un assemblage de minéraux, comportant parfois des fossiles (notamment dans les roches sédimentaires), du verre résultant du refroidissement rapide d'un magma (volcanisme) ou des agrégats d'autres roches. Les roches peuvent être formées d'une seule espèce minérale (roches monominérales) ou de plusieurs (roches polyminérales): De façon plus précise: Une roche se définit comme un assemblage de minéraux. Un minéral se présente sous forme de cristaux. L étude des roches est la pétrographie. 2. LA CRISTALLOGRAPHIE a. Définition La cristallographie est l étude des formes, des structures et des propriétés des cristaux. Un cristal: est un solide dont les atomes sont disposés de manière régulière, selon une disposition fondamentale. La disposition fondamentale signifie: la première forme géométrique du cristal. On parle également de maille élémentaire. b. Les 7 systèmes cristallins La répétition dans l espace de la maille élémentaire dessine le réseau ou système cristallin. La répétition à l infini, de la maille élémentaire aboutit à 7 systèmes cristallins qui sont les suivants: Cubique, Quadratique, Orthorhombique, Rhomboédrique, Hexagonal, Monoclinique, Triclinique. Les 7 systèmes cristallins
3. LA MINERALOGIE a. Définitions : La minéralogie : C est la science qui étudie les minéraux. Un minéral : C est un solide, inorganique, naturel qui a une composition chimique connue et qui se présente sous deux états physiques : l état cristallin ou l état amorphe. L état cristallin : état ordonné des atomes qui aboutit aux 7 systèmes cristallins cités plus haut. L état amorphe: état désordonné des atomes. Les minéraux possèdent des propriétés physiques qui permettent de les distinguer entre eux et qui deviennent des critères d'identification b. Quelques propriétés physiques des minéraux Pour reconnaitre et déterminer un minéral, on étudie les propriétés suivantes : Couleur Il y a une grande variété de couleurs chez les minéraux, mais c'est là un critère qui est loin d'être absolu. Des spécimens de couleurs différentes peuvent représenter le même minéral, comme le quartz qui présente plusieurs variétés selon la couleur qui va de l'incolore limpide (cristal de roche), au blanc laiteux, au violet (améthyste), au rouge (jaspe), au noir enfumé, au bleu, etc. Éclat L'éclat des minéraux, c'est l'aspect qu'offre leur surface lorsqu'elle réfléchit la lumière. On distingue deux grandes catégories: l'éclat métallique, brillant comme celui des métaux, et l'éclat non métallique que l'on décrit par des termes comme vitreux (comme le verre), gras (comme si la surface était enduite d'huile ou de graisse), adamantin (qui réfléchit la lumière comme le diamant), résineux (comme la résine), soyeux (comme la soie), etc. Dureté La dureté d'un minéral correspond à sa résistance à se laisser rayer. Elle est variable d'un minéral à l'autre. Certains minéraux sont très durs, comme le diamant, d'autre plutôt tendres, comme le talc. Les minéralogistes ont une échelle relative de dureté qui utilise dix minéraux communs, classés du plus tendre au plus dur, de 1 à 10. Cette échelle a été construite par le minéralogiste autrichien Friedrich Mohs et se nomme par conséquent l'échelle de Mohs. Sur cette échelle, on a quelques points de repères. Des minéraux comme le talc et le gypse sont si tendres qu'ils sont rayés par l'ongle. La calcite est rayée par une pièce de cuivre, alors qu'une lame de canif (couteau) en acier, saura rayer tous les minéraux de dureté inférieure à 5, mais ne pourra rayer les feldspaths et le quartz. Densité La densité des minéraux est une propriété mesurable; elle est une constante physique qui caractérise un minéral donné. Beaucoup de minéraux ont une densité qui se situe autour de 2,7 gr/cm3, soit 2,7 fois plus lourd qu'un volume égal d'eau. Mais
certains ont une densité relativement faible, comme le sel qui a une densité de 2,1; d'autres se situent à l'autre extrême, comme la galène (sulfure de plomb) avec une densité de 7,5 et l'or dont la densité est de 19,3. Forme cristalline La forme cristalline est souvent ce qui donne la valeur esthétique d'un minéral. Chaque minéral cristallise dans un système donné, ce qu'on appelle un système cristallin. Propriétés optiques Les propriétés optiques constituent un élément diagnostique fondamental dans l'identification d'un minéral. Mais la détermination de ces propriétés relève plutôt du spécialiste. En géologie, les moyens techniques permettent d'amincir des tranches de minéraux collées sur des lamelles de verre si minces (30 micromètres) qu'elles deviennent tout à fait transparentes. On peut alors étudier ces minéraux au microscope, comme font les biologistes avec des tissus ou des microorganismes. Chaque groupe de minéraux possède ses propriétés optiques, c'est à dire qu'ils transmettent différemment la lumière et qu'ils produisent des couleurs caractéristiques lorsqu'ils sont observés en lumière polarisée, ce qui, en bout de ligne, permet de les identifier. 4. CLASSIFICATION DES ROCHES Trois grands types de roches forment la croûte terrestre. Le schéma qui suit présente ces trois grands types, ainsi que les processus qui conduisent à leur formation. Ainsi présenté, il véhicule l'idée de la cyclicité des processus. 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 points chauds et des zones de subduction/obduction. 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. C'est ce premier processus de cristallisation qui forme les roches ignées, ainsi appelées pour faire image: les roches qui viennent du feu de la terre! Lorsqu'elles sont amenées à la surface du globe par les processus dynamiques de la tectonique des plaques, lors de la formation de chaînes de montagnes par exemple, et qu'elles sont
exposées aux intempéries de la surface, 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, littéralement une roche déposée. Cette transformation se fait selon un ensemble de processus qu'on appelle la diagenèse, le principal processus étant la cimentation des particules entre elles. La classification se fonde sur le mode de formation. On oppose deux grands groupes : les roches endogènes et les roches exogènes. 5. LES ROCHES ENDOGENES. Elles se forment en profondeur. On distingue : les roches magmatiques ou ignées et les roches métamorphiques. a. les roches magmatiques ou ignées (du feu) : ces roches proviennent de la cristallisation après refroidissement d un magma. Quand cette cristallisation a lieu en profondeur elle donne des roches plutoniques par contre, si le magma arrive à l air libre on a des roches volcaniques. b. Les roches métamorphiques : résultent de la transformation à l état solide de roches préexistantes sous l action de la température et/ou de la pression. On peut avoir des métamorphismes de : haute température et haute pression (HT HP), haute température et basse pression (HT BP) et enfin de basse température et basse pression (BP BT). 6. LES ROCHES EXOGENES. Les roches exogènes se forment à la surface terrestre dans des bassins sédimentaires qui sont généralement les bassins océaniques. Ce sont des roches sédimentaires issues de la transformation de dépôts sédimentaires résultant de l'érosion de roches préexistantes (roches détritiques), de l'activité biologique (roches biogènes) et physicochimique.