2021-2022
Géologie Générale
S1 SVTU
M’RABET SOUAD
mrabet.souad@uit.ac.ma
Faculté des Sciences
Département des Sciences de la Terre www.uit.ac.ma
Chapitre I : Champs d’application de la Géologie et Formation de l’Univers et Système Solaire
Objectifs de ce chapitre est de
-donner la définition de la géologie et ses objets d’études -préciser les grandes étapes de l’histoire de l’Univers
-décrire les processus de la formation des étoiles et du système solaire -comprendre la nouvelle conception du système solaire
1- La Géologie et ses domaines d’étude
La géologie est une science qui étudie le fonctionnement de la Terre. Cette Terre sans cesse en mouvement et qui depuis la nuit des temps nous livre ses ressources minérales et énergétiques.
La géologie actuelle étudie la Terre par la tectonique des plaques et les processus magmatiques, métamorphiques et sédimentaires. Aujourd’hui, les sciences de la Terre élargissent de plus en plus leur domaine aux interactions atmosphère-hydrosphère-lithosphère-asthénosphère. Les relations océan, continent et atmosphère sont à l’ordre du jour par les changements climatiques actuels qu’enregistre notre planète. Le développement de l’informatique et de l’électronique de ces dernières décennies, ont donné aux géologues d’autres outils d’investigation comme la télédétection, le paléomagnétisme, la gravité, la sismique, le flux thermique, la géochimie…
qui ont ouvert aux géologues de nouveaux métiers.
L’homme moderne a de plus en plus besoin d’énergie pour faire tourner ses machines, après avoir presque épuisé les réserves du pétrole et l’utilisation du charbon qui augmente le taux de CO2 dans l’air, il s’oriente vers le solaire, le vent et les marées en utilisant d’autres matériaux pour maîtriser l’emploi de ces sources d’énergies. L’homme du futur continuera de puiser les matériaux de la Terre, de les transformer et de les adapter à ces nouveaux besoins. Les métiers de géologues évoluent en fonction des avancées scientifiques. Le géologue est un homme de terrain mais aussi un homme de laboratoire qui analyse les observations du terrain, les échantillons récoltés et de plus en plus les données recueillies par les satellites et les drones.
Le géologue a pour rôle de limiter les conséquences des crues, d’évaluer les zones à risques, de lutter contre la pollution des sous-sols, de traiter les déchets ménagers et industriels, de recycler les matériaux de construction, de trouver de nouvelles sources d’énergie et des ressources minérales… Il intervient dans l’aménagement du territoire, dans l’environnement, dans le génie civil, dans les mines et les carrières, dans l’extraction des hydrocarbures et de l’eau.
La géologie offre de nombreuses spécialités qui ont acquis leur autonomie : comme la géophysique, l’hydrogéologie, la géologie des hydrocarbures, la cartographie, la géochimie, la biogéochimie, le génie minier, la géologie de l’environnement, l’océanographie, la géologie de l’ingénieur dans le génie civil, la géologie du quaternaire avec l’archéologie, la biologie et la climatologie, la géologie économique avec l’économie et la métallogénie. Sans oublier les sciences fondamentales en géologie comme la géologie structurale, la minéralogie, la pétrographie et la pétrologie, la sismologie, la volcanologie, la stratigraphie et la paléontologie et d’autres disciplines encore.
2- Formation de l’Univers
Selon la théorie du Big Bang, toute la matière, toute l’énergie et tout l’espace étaient contenus dans un point dense et chaud et infiniment petit. La pression intenable qui règne en ce point a provoqué son explosion et l’expansion de cet espace réduit. L’expansion de l’Univers a permis son refroidissement qui est actuellement de -271 °C.
L’âge de l’Univers est définit par le modèle cosmologique standard, comme la durée écoulée depuis le Big Bang. Cet âge est estimé aujourd’hui à 13.799 ± 0.021 milliards d’années ≈ 13,8 Ga.
L’évolution des particules élémentaires a entrainé la formation de matière de plus en plus complexe, jusqu’à l’apparition de la vie et des êtres de plus en plus évolués.
- Tout de suite après le Big Bang, dans la fraction de seconde qui suit 10-36 secondes, l’Univers avait une température de 1027 °C, il était formé de quarks, d’antiquarks, d’électrons, de positrons et de neutrinos.
- A 10-13 secondes, les particules et les antiparticules s’annulent pour redevenir des photons.
- L’Univers s’enrichit en photons et une certaine quantité de particules excédentaires est à l’origine de la matière actuelle.
- A 10-5 secondes, la température était de 1012 °C, les protons et les neutrons se forment.
- A trois minutes après, la température descend à 109 °C avec la formation des premiers atomes d’hydrogène. Les noyaux d’hydrogène se combinent pour former les premiers noyaux d’hélium.
- Après 20 minutes de son existence, l’Univers est formé de 75 % de noyaux d’H et 25
% de noyaux d’He.
Plus tard, 380 000 ans après, la température avoisine 6000 °C, les électrons entourent les noyaux et forment les atomes. Les électrons captés par les noyaux ne font plus barrière aux photons et l’Univers s’éclaire et se remplie de gaz d’hydrogène et d’hélium.
Des millions d’années après, la force gravitationnelle concentrent les gaz et les compressent dans un volume restreint nommé nuage interstellaire. Les premières étoiles voient le jour à partir des nuages interstellaires.
3- Formation des étoiles
Dans les régions où la pression des gaz d’H et d’He est extrêmement forte, la force gravitationnelle va favoriser l’organisation de la matière. En effet, la gravitation et durant des millions d’années et des milliards de kilomètres va favoriser le développement de volumes restreints de gaz à très hautes pressions. Les étoiles vont naître à partir de ces volumes de gaz que sont les nuages interstellaires ou aussi appelée la nébuleuse primordiale. En se contractant, la nébuleuse se met à tourner sur elle-même de plus en plus vite ce qui a pour conséquence de réchauffer les gaz et d'agiter les atomes.
Lorsque l’étoile en formation est suffisamment dense, la pression qui règne dans la région centrale déclenche les premières réactions de fusion nucléaire et la protoétoile se forme. La protoétoile peut avoir des masses différentes et donc selon la masse de la protoétoile, on aura des étoiles différentes, (figure 1) :
Figure 1 : Schéma d’évolution d’une protoétoile à partir du nuage interstellaire.
Pendant la séquence principale l’étoile va vivre sur ses réserves d’hydrogène, dont la transformation en hélium donne l’énergie nécessaire à l’équilibre. Lorsque l’hydrogène est épuisé, l’étoile quitte la Séquence Principale et devient une géante rouge (figure 2).
Figure 2 : Evolution des protoétoiles selon leur densité et leur masse.
Les étoiles les moins massives évoluent en nébuleuses planétaires, alors que les autres deviennent supernovæ. Au-delà, tout va dépendre de leur masse.
-Une étoile de faible masse comme le soleil se transforme en géante rouge après une dizaine de milliards d’années, puis se recomprime pour finir une naine blanche.
-Une étoile de grande masse, elle évoluera en super géante, exploser en supernovæ et terminer en étoile à neutrons ou pulsar ou finir en trou noir.
La formation des atomes
A partir de l’H et de l’He et au cœur des étoiles, les atomes se sont formés Li, Be, B, C, N, O, F, Ne, Na, Mg, Al, Si, Cl, Ar, K, Ca, Sc, Ti, … Fe. Les éléments de masse supérieure au fer sont produits pendant les explosions des supernovæs.
4- Galaxies et amas de galaxie
Les nuages interstellaires se sont organisés en galaxies qui ont données les étoiles ou les étoiles se sont organisées en galaxies, nulle ne sait, la question est toujours posée. Les galaxies présentent des aspects différents elliptiques, spiraux et irréguliers.
Les galaxies peuvent se grouper en un ensemble qui comporte moins d’une centaine de membres et est nommé groupe de galaxie. Les galaxies peuvent former des assemblages de plus de centaine de galaxies on les appelle alors amas de galaxie.
La Voie lactée est la galaxie à laquelle appartient le système solaire et elle fait partie d’un groupe de galaxie nommé Le Groupe Local. La Voie lactée est formée de bras et d’un bulbe central où naissent les étoiles.
5- Le système solaire
Le système solaire s’est formé par effondrement gravitationnel d’un fragment d’un nuage interstellaire nommé la nébuleuse protosolaire. Les mouvements mis en œuvre dans la nébuleuse ont favorisé les télescopages et l’agrégation des condensats, produisant des noyaux de plus en plus massifs. Ces noyaux sont devenus des attracteurs gravitationnels importants, attirant vers eux de plus en plus de matière. Ces corps de la taille s’un astéroïde ou d’une comète (1 à 100 km) prennent le non de planétésimal qui sont des embryons planétaires ou protoplanètes. Ces corps continuent d’attirer les débris, les roches et les poussières du disque nébulaire et s’agrandissent. Des collisions entre ces corps se continuent. Ce processus est celui de la formation planétaire par accrétion. Il a fallu 100 millions d’année pour créer les planètes du Système solaire.
Le système planétaire (figure 3) est composé de - une étoile au centre du système : le soleil ;
- les planètes telluriques (Mercure, Vénus, la Terre et Mars) qui sont proches du soleil.
Elles se caractérisent par leur petite taille, par leur masse assez faible, leur densité élevée et le fait qu’elles sont rocheuses ;
- les planètes gazeuses ou joviennes et les planètes géantes de glaces (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune). Elles sont éloignées du Soleil. Elles sont massives volumineuses et de faible densité. Leur atmosphère est constituée entre autres d’Hydrogène. Elles ont de nombreux satellites et sont entourées d’anneaux.
- les planètes naines une autre catégorie de planètes. Elles sont petites et se situent au- delà de Neptune. Elles sont aussi nommées planètes trans-neptuniennes. Dans cette catégorie, il y a Pluton, Eris, Makemake et Haumea…
- des astéroïdes sont des milliards de corps rocheux qui gravitent entre Mars et Jupiter dans ce qu’on appelle la ceinture d’astéroïdes
- des comètes proviennent du nuage d’Oort.
Figure 3 : Le système solaire et ses planètes.
6- Le système solaire plus étendu et plus riche
6.1- Notion d’unité astronomique, d’année lumière et de parsec
L’unité astronomique est une unité de longueur utilisée en astronomie pour exprimer les dimensions du Système solaire et de l’Univers. Elle correspond à la distance Terre-Soleil.
L’unité astronomique est définie comme égale à 149 597 870 700 mètres exactement. Son symbole est UA et 1 UA ≈ 150 000 000 km.
L’année-lumière (symbole al) est une unité de distance utilisée pour mesurer les objets dans l’Univers. Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière dans le vide (en dehors de tout champ gravitationnel ou magnétique) en une année (365,25 jours) soit : 31 557 600 secondes. La vitesse de la lumière dans le vide étant de 299 792 458 m/s : une année-lumière est exactement égale à : 9 460730 472 580,800 km. 1 al ≈ 9 460*109 km.
Le parsec (symbole pc) est défini comme la distance à laquelle une unité astronomique (ua) sous-tend un angle d'une seconde d'arc. Sachant qu'une unité astronomique correspond à la distance Terre-Soleil. 1 pc= 648 000/π ≈ 3,26 al
6.2- La ceinture de Kuiper
Cette ceinture commence vers 30 UA et s’étend jusqu’à environ 100 UA. Elle contient plus de 200 millions de petits corps glacés susceptibles de devenir des comètes. Neptune planète naine fait partie de la ceinture de Kuiper. Les perturbations gravitationnelles engendrées par les planètes géantes peuvent modifier l’orbite d’un de ces corps et déclencher un changement de trajectoire vers le Soleil. Ces corps deviennent des comètes à courte période (inférieure à 200 ans, comme celle de Halley). Leur trajectoire a pour propriété de se trouver dans le plan écliptique du soleil comme celle des planètes (figure 4).
6.3- Le nuage d’Oort
Le nuage d’Oort (figure 4) est probablement formé d’objets éjectés aux premières heures du système solaire par des phénomènes comme la résonnance avec les planètes géantes. Il s’étend sur des distances entre 30.000 et 100.000 UA et doit contenir des centaines de milliards d’objets.
Le nuage d’Oort constitue le réservoir des comètes à longue période. Les noyaux de comètes se trouvent à une fraction non négligeable de la distance qui nous sépare des étoiles les plus
proches. Ces dernières vont donc provoquer des perturbations gravitationnelles qui peuvent conduire un corps du nuage d’Oort à se précipiter vers l’intérieur du système solaire.
Figure 4 : Représentation du système solaire.
7- Découverte d’autres systèmes à planètes (les planètes extrasolaires ou exoplanètes) La première exoplanète a été découverte en 1992 en orbite autour d’un pulsar. En mars 2012, 736 exoplanètes ont été répertoriés. Certaines sont des géantes gazeuses comme Jupiter et d’autres rocheuses comme la Terre.
La découverte de planètes entourant d’autres étoiles que le Soleil ouvre des pistes de recherche sur le processus de formation d’un système solaire et la possibilité d’en découvrir d’autres mondes ou d’autres vies.
8- Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté brièvement les champs d’activité de la géologie et ses diverses disciplines. Elle est à la base de tout projet de pont, de route, de barrage, de bâtiment, de piste d’atterrissage, de tunnels… afin de connaître la nature géologique du terrain. C’est l’investigation, l’étude et la reconnaissance des sites avant la réalisation des grands projets. Le choix de ces sites demande des cartes topographiques et géologiques, la télédétection, les levés géophysiques, la localisation du substratum rocheux et la description lithologique de massifs rocheux. L’exploration du sous-sol et l’extraction de ses richesses minérales et hydriques demande l’intervention des géologues. Les études en géologie permettent aussi de comprendre les mécanismes à l’origine des éruptions volcaniques, des séismes, des tsunamis et des mouvements de terrains, phénomènes naturels souvent meurtriers.
Puis, il vous est présenté les principaux événements du Big Bang à la formation du système solaire. L’Univers immensément grand avec des centaines de milliard de galaxies et le système solaire qui ne représente que moins de 1/100*109 de la Voie lactée. A partir du Big Bang, les particules élémentaires se sont formées, elles se sont regroupées pour formés les premiers noyaux pour permettre la formation des premiers atomes notamment l’hydrogène et l’hélium.
Les gaz, l’H et l’He sont les matériaux de base dans la formation des étoiles et des galaxies.
9- Travail demandé
Connaître la définition exacte du vocabulaire suivant :
Accrétion, Année-lumière, Astéroïdes, Big Bang, Ceinture d’astéroïdes et Ceinture de Kuiper, Comète, Densité des planètes, Exoplanète, Expansion de l’Univers, Météorite, Nébuleuse protosolaire, Nuage d’Oort, Nuage interstellaire, Parsec, Planète tellurique, gazeuse et naine, Planétésimal, Pulsar, Unité astronomique Supergéante, Supernova, Trou noir, Voie lactée.
Recherches personnelles
1) Quelles différences entre les planètes telluriques et les planètes gazeuses d’un point de vue composition de leur atmosphère, de la densité, de la pression et de la température ?
2) Définition de météorite et quel est l’intérêt des études sur les météorites ?
3) Faire une recherche sur la structure de la Terre, sa composition chimique et sur la chaleur terrestre.
TD 1
1) La galaxie d’Andromède se situe à environ 2,54 al de la terre, calculer cette distance en UA ? 2) La lune se trouve à 384 400 km de la Terre, donner cette valeur en al.
3) Mars tourne autour du Soleil à une distance de 1,52 UA. Quelle est la valeur du rayon de cette orbite exprimée en kilomètres ?
4) Quelle différence entre le mot astre et planète et qu’est-ce une exoplanète ? 5) Une planète est-elle un astre qui émet de la lumière ?
6).Toutes les planètes celles du système solaire ou les exoplanètes possèdent-elles des formes de vies ?
