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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Le temps en géologie Plusieurs échelles du milliards d années à la seconde p. 15
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
La séquence géologique 2.5 milliards d années d histoire dans le Grand Canyon, Colorado p. 17
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
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
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
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 75000 ans il est inutiles d utiliser le 14 C car il n en restera qu en très faible quantité. p. 21
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
Conclusion maille cristalline minéral ammonite Mont Blanc France continentale diamètre de la Terre TAILLES échelle logarithmique (m) 10 9 8 7 6 4 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 5 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 échelle linéaire (milliers de km) 10 Dimension, temps et matériaux: 3 notions importantes en géologie p. 23