Les matériaux de l’écorce terrestre: Minéraux, Roches ignées, sédimentaires et métamorphiques

(1)

Les matériaux de l’écorce terrestre:

Minéraux,

Roches ignées, sédimentaires et métamorphiques

CHAPITRE 2

Introduction

1. Pétrologie: étude des roches, de leur composition, de leur nature et de la façon dont elles se mettent en place dans la croûte terrestre.

2. Pétrographie: description des roches et analyse de leurs caractères structuraux, minéralogiques et chimiques.

3. Minéralogie: étude des minéraux

4. Roches = indices pour retracer l'histoire de la terre

(2)

Croûte terrestre

= 2% du volume terrestre

= partie superficielle et solide des matériaux terrestres

= partie supérieure de la lithosphère (plaques tectoniques)

Lithosphère (« sphère de pierre »)

= partie superficielle et rigide de la Terre

= croûte + partie superficielle du manteau supérieur rigide

Introduction

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/intro.pt/planete_terre.html

Introduction

(3)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:Erdkruste-i.jpg

croûte terrestre

croûte continentale

croûte océanique

manteau

Introduction

Croûte continentale =

•30%de la surface terrestre

•Continents émergés + plateau continental

•Épaisseur: 15 à 80 km (moyenne: 30 km)

•Formée de roches granitiques à dioritiques et de gneiss + placages de gabbro.

•Densité: 2,7 à 3.

Croûte océanique =

•70%de la surface terrestre

•Fond des océans

•Épaisseur: 5 à 15 km

•Formée de roches basaltiques et de gabbro

•Densité (3,2).

Manteau =principalement constitué de péridotite

La croûte continentale possède certaines roches vieilles de plus de 4 milliards d'années, elle n'est donc pratiquement pas régénérée par rapport à la croûte océanique qui n'a que 220 millions d'années au maximum.

Introduction

(4)

La composition de la croute terrestre

Principaux éléments de l’écorce terrestre (% du poids total)

http://www.histalu.org/english/iha-rubrique-article.php?rub=4&art=32&PHPSESSID=4db3640b591528674f5fe562

Si (silice) + O (oxygène) = 75%

de l'ensemble des éléments de la croûte terrestre Silice = constituant majeur de la croûte terrestre

Introduction

• Minéral

= substance solide, homogène, généralement inorganique, définie par sa composition chimique, ses propriétés physiques et cristallographiques .

•

Forme cristalline, vitreuse ou amorphe (sans organisation, rare).

•

La formation d’un cristal est due au fait que les éléments qui entrent dans la composition du minéral ne sont pas disposés au hasard, mais suivant un ordre bien précis (le minéral est cristallisé).

Les minéraux

Définition

(5)

Les minéraux possèdent des propriétés physiques qui permettent de les distinguer entre eux .

Critères d'identification:

• Couleur

• Éclat (= l'aspect qu'offre la surface lorsqu'elle réfléchit la lumière)

• Trait (=couleur de la poudre des minéraux)

• Dureté (= résistance à se laisser rayer)

• Densité

• Forme cristalline

• Clivage (=plans de faiblesse dans la structure cristalline)

• Effervescence (=les carbonates sont décomposés chimiquement par les acides)

• Propriétés optiques

Les minéraux

Les minéraux les plus

communs

Les minéraux

(6)

Dureté = échelle de dureté de Mohs basée sur 10 minéraux témoins:

chacun raye le précédent et est rayé par le suivant.

Critères d’identification

http:// http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89chelle_de_Mohs

Dureté Minéral Composition chimique Structure cristalline 1 Talc, friable sous l'ongle Mg3Si4O10(OH)2 monoclinique 2 Gypse, rayable avec l'ongle CaSO4·2H2O monoclinique 3 Calcite, rayable avec une pièce en

cuivre CaCO3 rhomboédrique

4 Fluorite, rayable (légèrement) avec un

couteau CaF2 cubique

5 Apatite, rayable au couteau Ca5(PO4)3(OH-, Cl-, F-) hexagonale

6 Orthose, rayable à la lime, par le sable KAlSi3O8 monoclinique

7 Quartz, raye une vitre SiO2 hexagonal

8 Topaze, rayable par le carbure de

tungstène Al2SiO4(OH-, F-)2 orthorhombique

9 Corindon, rayable au carbure de

silicium Al2O3 rhomboédrique

10 Diamant, rayable avec un autre

diamant C cubique

Les minéraux: critères d’identification

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s2/pyrite.jpg

Test du trait: ex. la pyrite, de couleur jaune or, laisse un trait noir

Les minéraux: critères d’identification

(7)

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s2/halite.html

Forme cristalline: la halite cristallise dans le système cubique

Les minéraux: critères d’identification

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s2/efferv.jpg

Les minéraux: critères d’identification

(8)

Les silicates

= groupe de minéraux composés fondamentalement de Si et O

= 95% du volume de la croûte terrestre

Tous les silicates possèdent une structure de base composée des ions Si⁴⁺et O^2-

Lors de la formation de la Terre, les éléments légers (ex. oxygène, silicium) ont migré vers l'extérieur (croûte), alors que les éléments plus lourds (ex. fer, nickel) se sont

concentrés au centre (noyau).

Les minéraux : les silicates

Les principaux silicates

Les minéraux : les silicates

(9)

http://mineraux.uqac.ca/im_mineraux/quartz_b.gif

Quartz

Le quartz commun cristallise dans le système hexagonal; cristaux à six côtés

Les minéraux : les silicates

Quartz = minéral sans clivage = fragments avec des cassures très irrégulières

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s2/quartz.cass.html

Les minéraux : les silicates

(10)

Feldspath plagioclase (riche en calcium et sodium)

Les feldspathsforment le plus important groupe de minéraux de la croûte terrestre

Feldspath potassique

http://www.mii.org/Minerals/photofeldspar.html

Les minéraux : les silicates

Amphibole (ex. hornblende) Clivages faciles à 124 degrés

Pyroxène (ex. augite) clivages à angle droit

Composants courants des roches ignées et métamorphiques

http://www.ideeclic.com/portfolio/thedford/guide.htm

Les minéraux : les silicates

(11)

La biotite: un des principaux composants des granites, gneiss, et des micaschistes

http://www.ideeclic.com/portfolio/thedford/guide6.htm

Biotite = mica noir

Les minéraux : les silicates

http://library.thinkquest.org/05aug/00461/images/muscovite.jpg

Muscovite: minéral présent dans les granites, schistes à micas, gneiss etc.

Muscovite = mica blanc

Les minéraux : les silicates

(12)

Groupe de minéraux qu'on retrouve fréquemment à la surface terrestre.

Un des principaux constituants des roches sédimentaires (ex.

calcaires, marnes), ou de certaines roches métamorphiques dérivées du calcaire (ex. marbres).

Structure relativement simple comparée à celle des silicates.

Complexes négatifs (CO₃)^2-liés par des ions positifs (Ca, Mg, Fe).

Les carbonates

Les minéraux : les carbonates

Le carbonate de calcium (CaCO₃) est le constituant principal des coquilles de nombreux organismes marins et des escargots.

http://gsc.nrcan.gc.ca/c14/images/shell2_500.jpg

Le carbonate de calcium

Les minéraux : les carbonates

(13)

Le CaCO₃est un des carbonates les plus abondants

Les roches carbonatées = roches sédimentaires (ex. calcaires, craie) composées d'une grande proportion de carbonate de calcium (CaCO₃) Le carbonate de calcium cristallise naturellement avec deux formes

cristallines principales:

Le carbonate de calcium

1. la calcite = forme la plus stable

2. l’aragonite = forme cristallisant naturellement dans les océans actuels

Les minéraux : les carbonates

Pour la calcite, les (CO₃)^2-sont liés par des Ca²⁺pour former une structure cristalline

rhomboédrique typique; les six faces sont des losanges égaux.

Calcite = minéral chimique ou biochimique (biominéralisation)

http://www.ulg.ac.be/geolsed/sedim/compl_sedim.htm

Les minéraux : les carbonates

(14)

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s2/calcite.html

La calcite cristallise dans le système rhomboédrique

Les minéraux : les carbonates

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s2/cliv.calcite.html

La calcite possède un clivage rhomboédrique, avec des plans à 75° et 105°.

Les minéraux : les carbonates

(15)

L’aragonite possède une structure orthorhombique: la maille élémentaire est un prisme droit à base rectangle

http://www.ulg.ac.be/geolsed/sedim/compl_sedim.htm

Les minéraux : les carbonates

1. Roche

= tout matériau solide et cohésif constitué d’un assemblage de grains d’un/plusieurs minéraux en proportions variables, plus rarement de matière minérale vitrifiée.

2. Roches formées d'une seule espèce minérale:

ex. calcaires et marbres (calcite), quartzites (quartz).

3. Roches formées de plusieurs espèces minérales : ex. granites, gneiss, basaltes.

Les roches

(16)

Les principaux minéraux constitutifs des granites:

quartz, feldspath, micas, hornblende, grenats, magnétite, apatite, zircon, …

Le granite est composé de plusieurs

espèces minérales.

http://www.geowiki.fr/index.php?title=Alt%C3%A9ration_du_granite http://www.geowiki.fr/index.php?title=Alt%C3%A9ration_du_granite

Les roches

Trois catégories de roches :

selon leur composition, leur origine ou les modalités de leur formation (genèse)

• les roches ignées (ou magmatiques)

• les roches métamorphiques (ou cristallophylliennes)

• les roches sédimentaires

Les roches

(17)

• Les roches ignées = produit de la cristallisation et de la solidification d'un mélange de silicates fondus (le magma); elles sont issues de la fusion partielle ou totale d'autres roches.

• Lesroches ignées effusives (extrusives) = solidifiées en surface à partir d’un magma; refroidissement rapide; cristaux généralement de (très) petite taille ou apparence amorphe (verre volcanique).

• Lesroches ignées intrusives= solidifiées en profondeur à partir d’un magma; refroidissement lent; formation de cristaux;

peuvent être amenées en surface par érosion.

• 65% des matériaux de l'écorce terrestre.

Les roches ignées

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s2/orig.mineraux.html

Suite de cristallisation du magma de Bowen

Roches pauvres en fer et magnésium Roches riches en fer et magnésium

(ou ultrabasique)

(ou basique)

(ou acide)

Les roches ignées

(18)

Selon le taux de silice :

- moins de 45 % = roches ultrabasiques - entre 45 et 52 % = roches basiques - entre 52 et 64 % = roches intermédiaires - entre 64 et 76 % = roches acides

Chaque roche intrusive possède son équivalent extrusive:

pour ces groupes de roches, la composition du magma initial qui a conduit à leur cristallisation est la même, seul le mode de refroidissement a changé.

Les roches ignées

Position schématique des principales roches ignées (magmatiques) en fonction de leur composition minéralogique

http://www.u-picardie.fr/~beaucham/eadaa/roches_fichiers/roches.gif

Les roches ignées

(19)

Exemple de roches intrusives: le granite

Granite rose Granite gris Granite blanc

Photos: http://www.bretagne-environnement.org/cybertheque/recherche-globale/mot-cle/carriere

Roche ignée intrusive (ou roche magmatique plutonique):résultat de la fusion partielle de la péridotite du manteau au niveau des dorsales; a subi un refroidissement lent (contrairement

au basalte); cristallisation complète (présence de phénocristaux = gros cristaux)

Les roches ignées

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gabbro

Roche grenue composée de plagioclase, de pyroxène, d'olivine et de biotite.

Exemple de roches intrusives: le gabbro

Les roches ignées

(20)

Les roches ignées intrusives en Amérique du Nord

http://nationalatlas.gov/articles/geology/types/plutonic.html

Les roches ignées

http://science-ouverte.u-strasbg.fr/site/site/site/exclusif/exclus_juniors/exclu_09_2003/images/repartvolcan2.jpg

Les volcans dans le monde

Les roches ignées

(21)

Le volcan de la Soufrière, à Montserrat (Guadeloupe, Antilles), avec son dôme actif de lave au sommet et coulées de laves vers la mer.

Refroidissement rapide du magma.

http://gsc.nrcan.gc.ca/volcanoes/bb_f.php http://www.onoci.net/virilio/pages/accidents/fiche.php?id=12&th=1&rub=1_3

1996

1997

Les roches ignées

http://gsc.nrcan.gc.ca/volcanoes/images/fig05_f.gif

Stratovolcan: volcan constitué de l’accumulation et de la

superposition de couches de lave ou de

tephras.

Les noms des roches sont basés sur le pourcentage de silicate

(SiO₂) dans la roche

Les roches ignées

(22)

Exemple de roches volcaniques

Obsidienne Ponce

http://fr.wikipedia.org/wiki/Roche_volcanique

Roche vitreuse riche en silice; se forme à partir de coulées de lave très épaisses et

riches en silice Roche poreuse de faible densité;

lave projetée en l'air; rapide refroidissement (chute de pression entraînant un dégazage = formation de bulles)

Les roches ignées

Basalte: issue d'un magma refroidi rapidement au contact de l'eau ou de l'air;

constituant principal de la couche supérieure de la croûte océanique

= roche mafique pauvre en silice.

Basalte

Les roches ignées

(23)

Orgues basaltiques, Nord de la Bohème

http://fr.wikipedia.org/wiki/Basalte

Ils résultent de la solidification et de la contraction thermique d'une coulée basaltique peu de temps après son éjection.

Les roches ignées

Lave pahoehoeémise par le Kilauea, Hawaii, États-Unis

http://fr.wikipedia.org/wiki/Volcan

Pahoehoe : mot hawaïen pour caractériser une coulée de lave fluide, à l'aspect lisse (littéralement : "que l'on peut parcourir pieds nus")

Les roches ignées

(24)

Aa : mot d'origine hawaïenne qui désigne une étendue de lave difficile à parcourir; elle est formée par une lave très rugueuse; une lave de ce type est moins fluide qu'un pahoehoe,

mais également d'origine effusive.

Aa au Kilauea, Hawaii, États-Unis

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lave

Les roches ignées

Rhyolite

Roche vitreuse composée de quartz, de feldspath, d‘amphibole et de biotite;

La rhyolitese forme soit à partir d'une fusion partielle de la croûte continentale, soit le plus

souvent, à partir d'un magma basaltique, provenant de la fusion partielle de la péridotite du manteau = roche riche

en silice.

Les roches ignées

(25)

Les roches ignées

Les roches ignées extrusives en Amérique du Nord

http://nationalatlas.gov/articles/geology/types/volcanic.html

Les roches ignées

(26)

Les roches sédimentaires

• Les roches sédimentaires :Composées de sédiments consolidés ; se forment selon divers processus:érosion,sédimentation,diagenèse.

• Sédiment : Dépôt formé d’un assemblage de particules transportées par le vent, l’eau, la glace ou précipitées sur place ; peut être meuble (ex. sable) ou consolidé (ex. grès).

• Origine: accumulation et compactage de débris d'origine minérale (dégradation d'autres roches), organique (restes de végétaux ou d'animaux, fossiles) ou deprécipitation chimique

• Roches exogènes :formées à la surface de la Terre.

• 5 %du volume de l'écorce terrestre; mais65 %de toutes les roches de la surface du globe

Les roches sédimentaires

Diagenèse : ensemble des processus physico-chimiques et biochimiques par lesquels les sédiments sont transformés en roches sédimentaires.

Transformations à faible profondeur : conditions de pression et température peu élevées.

Ces transformations sont à l’origine de processus variés:

compaction, déshydratation, dissolution, cimentation, épigénisation (réarrangement de la structure cristalline d’un minéral, ex. aragonite en calcite), métasomatose (remplacement d'un minéral par un autre, atome par atome, molécule par molécule).

(27)

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s2/r.sedim.html

•Sourceterrigène: érosion du continent

•Sourceallochimique :bassin de sédimentation (coquilles ou fragments de coquilles des organismes)

•Sourceorthochimique: précipités chimiques dans le bassin de sédimentation ou à l'intérieur du sédiment durant la diagenèse.

Sources sédimentaires

Les roches sédimentaires

http://www.crpg.cnrs- nancy.fr/Science/Collection/ClassifSe dDet.gif

Les roches sédimentaires

(28)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:Brecha_arrabida.JPG

Conglomérats: Brèche

Les brèches contiennent des éléments anguleux.

Les roches sédimentaires

Le grès

Les roches sédimentaires

http://photos.monanneeaucollege.com/minerauxpages/gres-rose.htm

Roche détritique consolidée issue de l’agrégation et la cimentation de grains de sable

Parc national des Arches, UT

(29)

http://www.crpg.cnrs-nancy.fr/Science/Collection/ClassifSedChim.gif

Les roches sédimentaires

Calcaire

Littoral de la baie des Chaleurs, falaise de calcaire fossilifère

http://ouellette001.com/Quebec_en_photos/11_Gaspesie_Iles_Madeleine/Le_Rocher_Perce/Fossiles.htm

Les roches sédimentaires

(30)

Silex

http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/geolab/Surmely/Images/silex76-bis.gif

Roche sédimentaire siliceuse très dure, constituée de calcédoine presque pure, et d'impuretés (eau, oxydes) qui influencent la couleur

Les roches sédimentaires

Gypse

Le gypse est un minéral composé de sulfate hydraté de calcium ainsi qu'une roche évaporitique.

Le gypse sert à la fabrication du plâtre; on l’utilise aussi dans l’agriculture et dans la fabrication du ciment et du mortier

http://www.ideeclic.com/portfolio/thedford/guide17.htm

Les roches sédimentaires

(31)

Combustible solide résultant de la fossilisation de végétaux Se présente sous forme de gisements en veines

On le rencontre notamment dans les couches du carbonifère et du permien

Charbon (ou houille)

http://eise.lutterbach.free.fr/ancien%20site/le%20charbon/1qu%27est%20ce%20la%20houille.html

Les roches sédimentaires

Landry et Mercier, 1992

Les structures sédimentaires

Les roches sédimentaires

(32)

Les plus répandues en surface

Moins communes sur le Bouclier Canadien et sur les chaînes de montagnes de l’ouest

http://nationalatlas.gov/articles/geology/types/images/sedimentary_540.gif

Les roches sédimentaires

Les roches métamorphiques

• Transformation d'autres roches : température, pression.

• Changement de composition (addition de nouvelles substances chimiques), et recristallisation

• Transformation minéralogique et structurale; développement de déformations : schistosité ou foliation.

• Agit sur des roches à l'état solide

• Se situe entre les processus sédimentaires (faible pression/faible température) et magmatique = si une roche métamorphique fond elle devient une roche magmatique

• Généralement un processus endogène qui se produit à l'intérieur du globe terrestre

• 27% des matériaux de l'écorce terrestre.

(33)

Les roches métamorphiques

•Le métamorphisme de contact est associé à l’intrusion de roches ignées affectant les roches encaissantes, au contact de l’intrusion.

•La température est la principale cause de transformation de la roche.

Le métamorphisme de contact

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s2/r.metam.html

http://www.ashrae-mtl.org/images/mont-royal_vue_1.jpg

Exemple de métamorphisme de contact : le Mont Royal

Les roches métamorphiques

(34)

Les roches métamorphiques Le métamorphisme régional

Contrôlé par des augmentations importantes de pression et de température

Métamorphisme des racines de chaînes de montagnes Sur de grandes étendues et de grandes épaisseurs Trois grandes transformations:

Déformation souvent très poussée de la roche Développement de minéraux (métamorphiques) Développement de la foliation métamorphique

Racines des chaînes de montagnes

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/1.53b.gif

Les roches métamorphiques

Le métamorphisme régional

(35)

La déformation tectonique des roches métamorphiques en fonction de la profondeur

Les roches métamorphiques

Le métamorphisme régional et la foliation métamorphique

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s2/r.metam.html

Les roches métamorphiques

Foliation(du latin folium, feuille) :

•Alignement des minéraux dans un plan préférentiel

•Minéraux visibles à l'œil nu

(36)

Les structures typiques du métamorphisme

Les roches métamorphiques

www.crpg.cnrs-nancy.fr/Science/Collection/ClassifMetaSed.gif

Les roches métasédimentaires : roches sédimentaires qui ont subi un métamorphisme.

Les roches métamorphiques

(37)

www.crpg.cnrs-nancy.fr/Science/Collection/ClassifMetaOrtho.gif

Roches ignées ayant subi un métamorphisme

Les roches métamorphiques

(38)

Couleur et teinte variées ; peut présenter des veines ou marbrures; utilisé dans la construction et la décoration.

http://www.materiaux-anciens-stephan.com/lks/fichiers/1/img/para/11- 2-15/cheminee-marbre-blanc.jpg

http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:MarbleUSGOV.jpg

Exemple de roche métamorphique: le marbre (dérivée du calcaire)

Les roches métamorphiques

Débit régulier en plans parallèles (plans de schistosité) acquis sous l'action de la pression et de la température

ardoise

http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:Fumayschistewiki.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/SchistUSGOV.jpg

micaschiste

Exemple de roche métamorphique: le schiste (dérivée d’une argile)

Les roches métamorphiques

(39)

http://www.outreach.canterbury.ac.nz/resources/geology/glossary/gneiss.jpg

Exemple de roche métamorphique: gneiss = roche foliée = litage métamorphique

lits clairs = quartz, plagioclases, feldspath (structure granoblastique = minéraux imbriqués) lits sombres = micas, amphiboles (structure lépidoblastique = en lamelle).

Dans les parties profondes, érodées, des chaînes de montagnes (métamorphisme régional).

Les roches métamorphiques

Anatexie: Quand températures suffisantes pour provoquer la fusion partielle d'une roche métamorphique ; roche partiellement fondue = migmatite; les migmatites sont fréquentes dans les zones de racine des montagnes érodées.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Anatexie

Exemple de roche métamorphique: migmatite (métamorphisme très intense)

Les roches métamorphiques

(40)

Basalte

(ignée: non métamorphisé)

Schiste à chlorite

Amphibolite

Gneiss

Migmatite

Shale

(sédimentaire: non métamorphisé)

Ardoise

Phyllade

Schiste

Gneiss

Migmatite

Séquence métamorphique: métamorphisme progressif d’un basalte et d’un shale

Les roches métamorphiques

Les roches métamorphiques en Amérique du Nord

http://nationalatlas.gov/articles/geology/types/metamorph.html

Localisées sur le Bouclier Canadien

Les roches métamorphiques

(41)

C’est l'interaction des processus internes (endogènes) et externes (exogènes) de la Terre.

Il décrit les processus de transformation des trois principaux types de roches (sédimentaires, métamorphiques et magmatiques).

C’est une boucle fermée qui se répète sans cesse (mouvement des plaques tectoniques, érosion, sédimentation, diagenèse).

Le cycle des roches

http://www.nagra.ch/g3.cms/s_page/81670/s_name/roches

Le cycle des roches

(42)

Le cycle des roches

Pour connaitre et reconnaitre les roches du Québec… et d’ailleurs:

Guide pratique d'identification des roches Notions élémentaires de pétrologie Ministère des Ressources naturelles et de la Faune