La lithosphère PP 15 fév 2012 - partie A

Report
La lithosphère – partie A
Généralités et principes – notions de
base – le temps géologique - processus
types de mise en place
Exemples
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 Canada
Formes géologiques Géopanorama- Canada
Mont-Royal et Montérégiennes (Montréal)
Début de la vie sur terre – stromatolithes
Glaciaire 13000 ans
Histoire de la science
Sciences naturelles = observations
Sciences 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 versantsrivières – 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 = piézoélectricité
Découverte 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.
Pierre de 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, exprofesseur 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. »
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.
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 biotite
Les lames minces sont de 40 microns d’épais. Vision en lame mince lumière polarisée
Mica des grilles pain anciens
Exemple: mica blanc ou muscovite
Les lames minces sont de 40 microns d’épais. Vision en lame mince lumière polarisée
Les aimants – magnétite minérale
Ce que fait l’aimant
Source du phénomène
• Il attire et retient les métaux • Le type de mélange de Fe2+ et
ferreux exclusivement.
Fe3+
• On peut jouer avec les aimants
– Des molécules d’oxyde de fer
en testant leur susceptibilité
noir dans l’oxyde de fer rouge
magnétique:
• Structure cristalline assez
– Canette de boissons,
– Cartons,
précise pour être déterminée
– Fer –aiguilles, tôles,
par la diffraction de rayons -X –
– Acier inoxydable,
octaédrique et tétraédrique;
– Aluminium,
• Son nom minéralogique naturel :
– Plastiques…etc
– L’aimant sert de générateur
magnétite maghémite et
électrique dans les moteurs….
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 roches
Pendant 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 chimiques
des 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.
Métamorphique
Roche (ignées ou sédimentaire)
ayant subit les effets de la
chaleur et de la pression.
Sédimentaire
Matière 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.
Roches ignées ou
volcaniques
La pétrologie classifie les roches
volcaniques par leur contenu en
silice ou en fer et en feldspaths
Plus 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
Minéraux
Q = Quartz
A = Feldspath alcalin
P = Plagioclase
F = 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 - extrusives
Intrusive
granite
granodiorite
diorite
gabbro
Extrusive
rhyolite
dacite
andésite
basalte
Proportion
relative des
minéraux
péridotite
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
Leur présence dans une
roche métamorphique
est toujours indicatrice
de métamorphisme et de
l’intensité pressiontempérature atteinte.
Grenats
Les métamorphiques
résultent
d’enfouissement
profond, de pression
latérale lors
d’orogénèses, de chaleur
suite à une intrusion
magmatique…
http://www.geowiki.fr/index.php?title=M%C3%A9tamorphisme#Le_m.C3.A9tamorphisme
Oxydation – dissolution - recristallisation
Pyrite
Oxydation de Pyrite
Sulfate de fer ou Jarosite
Diffraction de rayons X
Pyrite
Jarosite
Recyclage
de la
roche
Ségrégation minéralogique
pendant 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
Dépôts meubles – Île de Montréal – École
polytechnique de Montréal
http://www.cours.polymtl.ca/glq1100/pdf/Prest_mtl_net.pdf
Pierres architecturales
En 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
• 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.
des granits;
des grès;
des gneiss;
un marbre.
Exemples d’usages
de minéraux et de roches
Produits québécois - Granicor
Roches ignées - granitiques
Compagnie du Lac-Saint-Jean, fondée en 1922 par Eugène Robitaille -
Pierres anciennes – ville de Québec
Roches
métamorphiques
Pierre argileuse du
Cap Diamant
Souvent calcaire aussi
Pierre calcaire à fossilesPlateforme du St-Laurent
Grès verdâtre exploité à
Sillery et Cap-Rouge
Héritage
Montréal
Carte du 19e siècle
Exemple - formule chimique vs forme
cristalline - Al2O3
Formule chimique :
Al2O3 = 55% Al
Formule chimique:
δ Al2O3 = 55% Al
Forme Alpha = corindon - naturelle
= saphir (traces d’oxyde de titane)
= rubis (traces d’oxyde de chrome)
Forme gamma = δ alumine
Fusion : à 2050oC
Insoluble dans les acides même acide
fluorhydrique
Sert à faire des prothèses de hanche –
gemmologie – produits d’usure –
papier sablé (émeri) –
Absente avant 600oC
Décomposition: vers 1130oC en corindon
Fusion : aucune
Solubilité dans les acides
Sert à la préparation d’aluminium métal
avec fluorure de calcium
Exemples Al2O3 ou ZrO2 - minéraux
Bougie d’allumage - Al2O3
Couteaux de cuisine –ZrO2
Prothèse de hanche
Produits industriels divers en céramiques
Rio-Tino-Alcan

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