La lithosphère – partie A

Généralités et principes – notions de base – le temps géologique - processus types de

mise en placeExemples

Denise Fontaine – UQAM – Sciences de la terre et de l’Atmosphère

Références éducatives

• Activités pédagogiques – enseignants• Vidéo : • Ier cycle secondaire – activités pédagogiques –

élèves • Éducation Ministère des ressources naturelles• Outils éducatifs du MNRF• Année polaire internationale • http://climatdemain.ipsl.jussieu.fr/p3.php

• Pierre Pagé. 1999, Les grandes glaciations, 2e éd. Guérin, UQAM.

• Landry, B., Mercier M., Notions de géologie, éd. Modulo, 3e édition, 1992.

• Bases-Terres du St-Laurent• Travaux étudiants – pétrographie – UK

Geological Society;• Introduction aux processus sédimentaires –

vidéos.• Centre géo scientifique – INRS - enseignants

Commission géologique du CanadaFormes géologiques Géopanorama- CanadaMont-Royal et Montérégiennes (Montréal)Début de la vie sur terre – stromatolithesGlaciaire 13000 ans

Histoire de la science

Sciences naturelles = observationsSciences naturelles = descriptions

Chaque science dite naturelle a développé son vocabulaire … tout en parlant des mêmes phénomènes.Exemples: géomorphologie – pétrographie – géotechnique

- pétrologie – géographie minéralogie – géochimie – pédologie – agronomie – hydrogéologie…

Tous ces spécialistes parlent de la terre…chacun à leur façon.

But de chaque science

Chacune de ces sciences est spécialisée et est orientée vers un domaine spécifique: Géologie d’exploration: détecter les mines de métaux usuels ou rares;Géomorphologie : comprendre la mise en place des paysages terrestres – vallées - bassin versants- rivières – collines – glaciers;Géochimie: déterminer la nature des composants, d’analyser les roches, de les dater;Géologie structurale : comprendre la forme des structures du sous-sol, faille, chevauchements etc.

Méthode scientifique – cycle

• Observations;• Banque de données;• Réflexion, comparaisons régionales,

continentales, mondiales;• Hypothèse(s);• Re-observations;• Mesures de plus en plus sophistiquées;• Re-banque de données.

Taille des phénomènes: du micron au volume terrestre

• Éléments chimiques: distribution terrestre connue;• Minéraux: cristaux visibles en blocs homogènes ou

millimétriques;• Minerais: zone de concentration monstrueuse (anomalie) d’un ou

de plusieurs métaux ;• Roches : de la taille de kilomètres ou cailloux;• Sols- pédologie : particules assez petites à très fines – parfois

organique;• Sédimentaires: produit qui sont meubles ou qui l’ont été avant

d’être parfois indurés (métamorphisme);• Volcaniques ou ignées : proviennent du magma sous-terrain et

déposés en ou près de la surface de la terre;• Morphologie des paysages: côtes, plaines, vallons, bassins

versants, montagnes jeunes ou âgées.

Abondance des éléments chimiques

Minéral - définitions

• Espèce chimique naturelle se présentant le plus souvent sous forme de solide cristallin;

• Phase homogène se formant habituellement lors de la cristallisation - terme parfois limité aux phases cristallines, inorganiques;

• Élément ou composé chimique naturel, constituant de l'écorce terrestre;

• La classification est basée sur les formes cristallines;• Un minéral est la forme normale d’un composé

chimique – naturel ou artificiel.

Minéral - Wikipedia• Taille des minéraux : de 1micromètre (µm) à des blocs de

quelques mètres;• Les minéraux forment la roche et une grande partie des sols;• La forme géométrique de leur cristallisation détermine leur

caractéristiques physico-chimiques.

EXEMPLES

Le quartz et les montres = piézoélectricitéDécouverte des frères Pierre et Jacques Curie en 1880

Magnétite = effet d’attirance des composés de fer.Formule Fe2O4 -----mais aussi FeO. FeO3 – 1100oC

Calcite – propriété - polarisation Forme de losange «rhombe» dit rhomboédrique qui polarise la lumière

D’où le moyen de suivre le soleil non polarisé puisque le spath d’Icelande dépolarise la lumière du soleil qui est polarisée par l’atmosphère.On l’avait baptisé la pierre de soleil. Voir la référence historique Vikings qui suit.

Comment maintenir le cap sur d'aussi longues distances en faisant fi de conditions climatiques pouvant être désastreuses ?2e piste: la découverte, en 2003, dans une épave d'un navire anglais gisant depuis quatre siècles près de l'île anglo-normande d'Anderley (Aurigny), d'un cristal à la configuration d'un Spath d'Islande. Mais que faisait-il sur un bateau anglais qui disposait déjà d'une boussole ? « Ce navire était équipé de lourds canons en fer. Or ces masses métalliques pouvaient dérégler la boussole. » Expérience: prendre une boussole, la placer juste à côté une simple clé de voiture ! Elle perdra le nord vite fait ! Pas le cristal.Dispositif en bois dans lequel on a placé un de ces cristaux. Un dispositif ingénieux. « Il suffit de le pointer vers le ciel, de faire tourner le cristal et on détermine la direction du soleil. 

« On sait que des Vikings, cinq siècles avant Christophe Colomb, ont gagné le Canada et sans doute les États-Unis en longeant le Groënland », explique Albert Le Floch, ex-professeur de physique à l'université de Rennes « Mais ils ne pouvaient pas s'aider des étoiles pour se diriger ni de la boussole qui n'a été inventée qu'au treizième siècle. Et même s'ils disposaient d'une boussole, la proximité du pôle magnétique l'aurait rendue quasi inutilisable. »Pierre de soleil

Système cristallin - 7 classes

Quelques formes simples du système cubique

WEB Minéral - minerais

Minéral : Composé chimique distinct se produisant en nature inorganique, ayant une structure moléculaire ou un système définie de cristallisation et de propriétés physiques bien définies, constitue des espèces minérales » (brosse et Penfield, 1898). Peut être synthétique. On produit du quartz synthétique pour les montres.Modèles cristallographiques : papier déplié Exemple Quartz

Minerais Roche qui contient des minéraux que l'on peut extraire - Concentré Exemples: le minéral sulfure de zinc (sphalérite) (Zn,Fe)S = source de zinc le minéral de sulfure de cuivre (chalcocite) Cu2S = source de cuivre

Les systèmes cristallins

•Le système Cubique. •Le système Tétragonal. •Le système Hexagonal. •Le système Rhomboédrique. •Le système Orthorhombique. •Le système Monoclinique. •Le système Triclinique.

Microscopie des minéraux

Exemple: mica noir ou biotiteLes lames minces sont de 40 microns d’épais. Vision en lame mince lumière polarisée

Mica des grilles pain anciens

Exemple: mica blanc ou muscoviteLes lames minces sont de 40 microns d’épais. Vision en lame mince lumière polarisée

Les aimants – magnétite minéraleCe que fait l’aimant

• Il attire et retient les métaux ferreux exclusivement.

• On peut jouer avec les aimants en testant leur susceptibilité magnétique:– Canette de boissons,– Cartons,– Fer –aiguilles, tôles, – Acier inoxydable,– Aluminium, – Plastiques…etc– L’aimant sert de générateur

électrique dans les moteurs….

Source du phénomène

• Le type de mélange de Fe2+ et Fe3+

– Des molécules d’oxyde de fer noir dans l’oxyde de fer rouge

• Structure cristalline assez précise pour être déterminée par la diffraction de rayons -X – octaédrique et tétraédrique;

• Son nom minéralogique naturel : magnétite maghémite et magnéto ferrite (synthétique)…

Vers des bandes, disques et disquettes informatiques et les éoliennes

• En dessous du point de Curie (environ 800oC) on observe une évolution du cristal. Les propriétés magnétiques du matériau changent pendant le refroidissement lent et sous un champs magnétique orienté et de force calibrée. De sorte qu’il y a une multitude de produits magnétiques.

• Dans exemple ci-dessous, la Maghémite est métastable. Cette forme cristalline la propriété de réalignement par un champs magnétique ce qui signifie : d’effacer et de réenregistrer sur le même bande magnétique. (idem pour les disquettes…)

• En ajoutant des Terres Rares (néodyme) au Fe2O3 gamma, les aimants deviennent de super aimants utilisés entre autre pour la fabrication d’un générateur d’éolienne.

Le magnétisme et la terre – géophysique du globe

Effet du magnétisme sur les rochesPendant le refroidissement du magma, les oxydes de fer cristallisent, forme des magnétites qui s’orientent dans la direction des pôles magnétiques. Or les pôles se sont inversés…Ce phénomène permet de découvrir l’emplacement les continents lors de la cristallisation de la roche en comparaison avec leur site actuel.La magnétite est un indice chronologique important pour représenter l’évolution des continents à la surface du globe durant 4,6 milliards d’années.

Propriétés physiques et chimiquesdes minéraux inorganiques

Physiques• Stabilité thermique• Susceptibilité

magnétique• Fragilité – dureté• Ductilité• Exothermie ou

endothermie sous l’effet de la chaleur.

Chimiques• Valences• Ionisation• Réactions chimiques • Oxydation • Réduction• Exothermie ou

endothermie lors des réactions chimiques ou la mise en solution.

Minerais de fer et de cuivre

Lithologie - Roche volcanique (ignée) – métamorphique et sédimentaire

Volcanique Matière silicatée provenant de la fusion totale ou partielle qui se met en place suite à une grande pression en raison de la profondeur, de la compression latérale, d’un épanchement magmatique ou explosive.

SédimentaireMatière silicatée provenant de l’érosion des roches volcaniques qui est en général déposée par l’eau sous forme de strates ou de bancs.L’eau provient des glaciers qui fondent, des mers qui envahissent les continents, des fleuves qui débordent, suite à un changement isostatique.

MétamorphiqueRoche (ignées ou sédimentaire) ayant subit les effets de la chaleur et de la pression.

Roches ignées ou volcaniques

La pétrologie classifie les roches volcaniques par leur contenu en silice ou en fer et en feldspathsPlus il y a de Q plus la roche est visqueuse à chaud et plus il y a du fer, plus elle est fluide.Cette science tient compte de la présence de Al, de Mg, de Ca ou d’alcalis (Na-K).

Classification minéralogique selon la quantité de minéraux présents

MinérauxQ = QuartzA = Feldspath alcalinP = PlagioclaseF = Feldspathoïde

Classification chimique

Les minéraux sont classés en fonction de leur contenu chimique.La valeur en SiO2 (Q) varie de 37% à 77%.Autres éléments : K , Na et Fe.

Ignées intrusives - extrusivesIntrusive granite grano-

dioritediorite gabbro péridotite

Extrusive rhyolite dacite andésite basalte

Proportion relative des minéraux

Roches volcaniques (ignées)

• Les volcaniques sont en général dures.• Ce sont souvent des roches en place qui

signifie qu’elles ont été formées là où on les trouvent (socle ou volcanisme récent).

• Les cristaux sont dans la masse, ils se forment lors du refroidissement.

• Plus le taux de fer augmente, plus elles sont oxydées et s’altèrent. De noirs elles deviennent rougeâtres et tendres.

• Les roches s’effritent, les oxides ou sulfures se dissolvent, elles sont érodées.

• En général les cailloux et les sables qui se forment suite à l’érosion sont des quartz ou des feldspaths résiduels.

Roches sédimentaires

• Vue de coupe, les sédimentaires sont souvent litées.

• Vue en surface : elles sont craquelées par l’assèchement si elles sont riches en argiles.

• Les argiles sont le résultats du broyages des roches de tous types. Leur taille est < 4 µm. Micron = 0,001 millimètre.

Cémentation des sédimentaires • Dans le grand processus de recyclage des minéraux les produits de

l’érosion créent de nouvelles roches : les sédimentaires (grès, l’ardoise, le schiste, le gneiss…)—Leurs grains sont des minéraux très peu solubles dans l’eau

comme le quartz, les corindons, les zircons, les feldspaths, la syénite néphéline….

• L’eau en contact avec les roches en place s’est minéralisée en s’attaquant aux minéraux les plus solubles : calcite, mica et ferromagnésiens…—Ces fluides circulent entre les grains : éléments principaux : Ca, Fe,

Na, K …• La compaction avec le temps, chasse l’eau en périphérie et les grains

finissent par se toucher.—Des précipités provenant des fluides lient les grains entre eux.

Les sédimentaires d’origine marine

Les roches sédimentaires d’origine marine (eaux saumâtres aussi) contiennent toujours des poissons fossilisés, des invertébrés, des coquillages.C’est leurs indicateurs visuels principaux.Les sédimentaires des berges par contre, renferment des fossiles de plantes et de spores. Ces découvertes permettent de dessiner les contours. (Miguasha)

Minéraux-témoins du niveau de métamorphisme = pression et chaleur

http://www.geowiki.fr/index.php?title=M%C3%A9tamorphisme#Le_m.C3.A9tamorphisme

Leur présence dans une roche métamorphique est toujours indicatrice de métamorphisme et de l’intensité pression-température atteinte.

Les métamorphiques résultent d’enfouissement profond, de pression latérale lors d’orogénèses, de chaleur suite à une intrusion magmatique…

Grenats

Oxydation – dissolution - recristallisation

Sulfate de fer ou Jarosite

Pyrite

Oxydation de Pyrite

Diffraction de rayons X

Jarosite

Pyrite

Recyclage de la roche

Ségrégation minéralogiquependant ce cycle

Sols et dépôts meubles• Matériel détritique = Dépôt meuble

–Résidu d’altération quelques soit le mécanisme - il n’est pas consolidé;

–S’il est consolidé = roche sédimentaire;• Sol agraire = Matériel détritique

– Mais riche en matière organique,– En oligo-éléments,– Colonisé par une faune microbienne et

autres.

Lithologie du Québec /Canada

http://www.cours.polymtl.ca/glq1100/pdf/Prest_mtl_net.pdf

Dépôts meubles – Île de Montréal – École polytechnique de Montréal

Pierres architecturalesEn 2007, on dénombrait 98 carrières actives de pierre

architecturale au Québec inventoriées dans 52 localités. Dans ces carrières, on exploitait principalement :• des roches des suites anorthositiques, charnockitiques et

granitiques pour la production de pierre dimensionnelle; • de la stéatite, la pierre à savon et la serpentinite pour la

sculpture et pour la production de plaques réfractaires; • des ardoises pour la production de tuiles à toiture et de

dalles; • des calcaires, des grès, des marbres, des schistes et des

gneiss pour la production de pierre dimensionnelle et de pierre d’aménagement paysager.

— Classement par couleur— Classement par types pétrographique

Pétrographie - Définition

des granits; des grès; des gneiss; un marbre.

• Ensemble des caractères macroscopiques des roches, notamment des roches sédimentaires et détritiques (composition minéralogique, texture, couleur etc.).

• Science qui étudie l'origine, l'histoire, la structure, la composition chimique et la classification des roches.

• Étude des roches. • Étude géologique ayant pour but de reconnaître l'architecture des roches

et leur composition. • Science qui étudie les couches du sial et du sima de la croûte terrestre, et

particulièrement les roches elles-mêmes et la distribution de leurs éléments.

• Étude des propriétés physiques et de l'aspect des roches.

Exemples d’usages de minéraux et de roches

Produits québécois - Granicor

Compagnie du Lac-Saint-Jean, fondée en 1922 par Eugène Robitaille -

Roches ignées - granitiques

Pierres anciennes – ville de Québec

Pierre argileuse du Cap Diamant

Souvent calcaire aussi

Pierre calcaire à fossiles-Plateforme du St-Laurent

Grès verdâtre exploité à Sillery et Cap-Rouge

Roches métamorphiques

Héritage Montréal

Carte du 19e siècle

Exemple - formule chimique vs forme cristalline - Al2O3

Formule chimique : Al2O3 = 55% Al

Forme Alpha = corindon - naturelle= saphir (traces d’oxyde de titane)= rubis (traces d’oxyde de chrome)

Fusion : à 2050oCInsoluble dans les acides même acide fluorhydrique

Sert à faire des prothèses de hanche – gemmologie – produits d’usure –papier sablé (émeri) –

Formule chimique: δ Al2O3 = 55% Al

Forme gamma = δ alumine

Absente avant 600oCDécomposition: vers 1130oC en corindon

Fusion : aucuneSolubilité dans les acides

Sert à la préparation d’aluminium métalavec fluorure de calcium

Exemples Al2O3 ou ZrO2 - minéraux

Couteaux de cuisine –ZrO2

Bougie d’allumage - Al2O3

Produits industriels divers en céramiques

Rio-Tino-Alcan

Prothèse de hanche