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1éres Génie Civil Technologie Notions de Géologie

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CHAPITRE 1 - NOTIONS DE GEOLOGIE I - LA PLANETE TERRE : I - 1 Formation de la terre : Les astronomes et les astrophysiciens supposent que la création de l’univers remonte à 15 milliards d’années et celle du système solaire, à 4,8 milliards d’années. La théorie la plus souvent admise est que l’univers, au départ, était formé de nébuleuses. Les nébuleuses sont composées exclusivement de gaz à très haute température. On peut d’ailleurs encore actuellement en observer dans l’univers. Leurs parties brillantes sont les zones occupées par les gaz et la poussière. Dans les régions qui apparaissent sombres, des poussières s’agglomèrent et donnent naissance, dans les zones froides, à des planètes.

a - Le système solaire s’est formé à partir d’une nébuleuse, masse de gaz et de poussière à très haute température et en rotation. b – En tournant, la masse de gaz et de poussière s’est contractée et la plus grande partie s’est rassemblée au centre, ce qui a donné une étoile appelée soleil. Les étoiles sont en état de fusion, mais moins chaudes que les nébuleuses. c - Ce qui restait de poussière s’est rassemblé en masses tourbillonnantes. d – Les masses tourbillonnantes sont devenues des planètes. Les planètes sont constituées par une enveloppe refroidie contenant une masse en fusion. La terre comme les autres planètes, résulte de la condensation d’un nuage de gaz et de poussières avec échauffement et fusion de fer et de nickel. Ceci explique que l’intérieur de la terre est encore en fusion actuellement et à une température très élevée. Les matériaux constituant la terre ont ensuite libéré des gaz qui ont donné l’atmosphère primitive. L’extérieur de la terre s’est encore refroidie et la vapeur d’eau s’est transformée en océans. Ce n’est qu’il y a 3,7 millions d’années que le système solaire s’est réellement constitué tel qu’il est maintenant. I - 2 Géométrie de la terre : La terre a la forme d’une sphère aplatie aux pôles. Son rayon polaire est de 6356,774 km. Son rayon équatorial est de 6378,160 km. Les océans occupent plus de 70% de la surface du globe.


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I - 3 Composition de la terre : La terre est composée de trois couches différentes :

- la croûte, la croûte continentale ayant une épaisseur de 30 km et la croûte océanique ayant une épaisseur de 10 km.

- Le manteau, d’épaisseur allant de la base de la croûte à une profondeur de 2900 km, et de composition différente de la croûte,

- Le noyau, situé au-dessous, le noyau externe allant de 2900 km à 5170 km, et le noyau interne situé au centre de la terre.

La lithosphère appelée aussi écorce terrestre correspond à la couche superficielle de la terre d’épaisseur 70 km sous les océans et de 120 km sous les terres. Elle comprend donc la croûte et une partie du manteau. Sous la lithosphère, se trouve l’asthénosphère qui s’étend jusqu’à 300 km de profondeur. Le passage de la lithosphère à l’asthénosphère ne correspond pas à une composition différente mais au passage à la température de 1300°C. Autour de la terre, existe l’atmosphère, couche épaisse de plusieurs centaines de kilomètres et l’hydrosphère (océans). Ce sont les séismes qui permettent de savoir quelles sont les différentes couches qui compose la terre. En effet, la vitesse de propagation de l’onde sismique à divers endroits de la terre dépend de la nature des milieux traversés, ce qui apporte dessus de précieux renseignements. II - L'ECORCE TERRESTRE : II - 1 Formation de l'écorce terrestre : L’écorce terrestre est formée de 12 plaques qui bougent les unes par rapport aux autres, ce qui entraîne des séismes, des éruptions volcaniques… Ces plaques ne dépendent pas de la distribution des océans et des continents. Voici la répartition de ces plaques :

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Ces plaques ont tendance :

- à s’écarter de quelques cm par an à cause de la remontée de magma, surtout dans les océans, ce phénomène est appelé accrétion,

- ou à se rapprocher o par enfoncement d’une des plaques sous l’autre ; c’est la subduction, o par affrontement des deux plaques, d’où naissance de montagnes ; c’est la collision.

La physionomie de la terre change donc en permanence au cours du temps et pas seulement à cause des hommes. Il y a les éruptions volcaniques, les tremblements de terre… Les montagnes anciennes telles que le massif central, datent de 400 à 300 millions d’années et les montagnes plus jeunes telles que les Alpes et les Pyrénées datent de 60 à 10 millions d’années. La tectonique est la science qui étudie les déformations affectant la croûte terrestre et ses matériaux, et les mécanismes qui en sont la cause. II - 2 Les différents types de roches et leurs processus de formations : La croûte terrestre est formée de trois types de roches :

- les roches sédimentaires, qui couvrent 75% de la surface de la terre, - les roches magmatiques, - les roches métamorphiques.

II – 2 – 1 les roches sédimentaires : Les roches sédimentaires sont formées de sédiments organiques (végétaux ou animaux) ou minéraux accumulés au fond des lacs ou océans à des endroits sans courant comme dans les grands fonds, et par diagenèse. La diagenèse est une augmentation de pression qui lie les sédiments entre eux pour en faire une roche. Les roches sédimentaires constituent donc des dépôts stratifiés en lits superposés. On reconnaît justement les roches sédimentaires par les différentes strates visibles. Une couche est plus jeune que celle qu’elle recouvre. Les roches sédimentaires peuvent être d’origine :



- détritique (minéral) : Les sédiments ont été obtenus grâce à l’érosion d’autres roches. La pluie, la grêle, la neige, la glace, le vent, l'alternance du gel et du dégel, les vagues et les marées ( c'est à dire les agents atmosphériques ) ont provoqué cette érosion qui a désagrégé les roches. Puis les alluvions ont été charriés puis déposés. Cette transformation de roches nécessite des millions d'années. Ces roches sont soit argileuses, comme les argiles, c’est à dire formées de très fines particules, soit siliceuses comme le sable et le grès.

Exemple de grès rose des Vosges Exemple d’argile en région parisienne

- organique avec animaux (biochimique) : Les sédiments résultent de l’accumulation de fossiles, squelettes d’animaux unicellulaires ou de mollusques. Les roches obtenues sont carbonatées, comme le calcaire et la craie.

Falaise de craie à Etretat calcaires normands

- organique avec végétaux : Les sédiments résultent de l’accumulation de débris organiques végétaux. Les roches obtenues sont des roches combustibles telles que la houille et le pétrole.

- chimique : Les sédiments proviennent de réactions chimiques et de l’évaporation de l’eau. Ce

sont des roches salines. C’est le cas du sel et du gypse.



II – 2 – 2 Les roches magmatiques : Le manteau de la terre comporte du magma qui donne des roches magmatiques. Ces roches viennent des profondeurs de la terre où elles se trouvaient à l'état liquide à haute température. Ces roches peuvent être :

- volcaniques, c’est à dire formées par rejet brutal de l'intérieur de la terre vers l'extérieur. Ces roches ne sont pas entièrement cristallisées car leur refroidissement a été trop rapide. Elles possèdent une partie cristallisée, donc avec des minéraux, et une partie vitreuse. 90% des roches volcaniques sont du basalte.

- Plutoniques, c’est à dire refroidies à l’intérieur de la terre au fur et à mesure en se soulevant,

et donc minéralisées entièrement. On peut actuellement voir les roches plutoniques grâce à l’érosion de celles qui se trouvaient au-dessus. 95% des roches plutoniques sont du granite.

Un même magma peut donner naissance à deux roches de compositions chimiques identiques mais de textures différentes. La roche plutonique qui correspond au basalte s’appelle le gabbro et la roche volcanique qui correspond au granite s’appelle la rhyolite. Exemple de basalte Exemple de granite en Loire-Atlantique II – 2 – 3 Les roches métamorphiques : Les roches métamorphiques proviennent de la transformation à l’état solide des trois types de roches (sédimentaires, magmatiques et métamorphiques). Le métamorphisme est une réorganisation lente et progressive des réseaux d’atomes accompagnés d’échanges entre cristaux , ce qui explique la formation de nouveaux minéraux. Du fait qu’il n’y a pas de liquide, le changement se fait à composition chimique globale constante. Pour comprendre cette transformation, on comprend la différence entre un pot en argile avant de le cuire et une fois qu’il est cuit. Cette transformation peut avoir des origines différentes. Elle peut être due à une augmentation de température ou à une augmentation de pression ou aux deux ensemble.

1éres Génie Civil Technologie Notions de Géologie L’élévation de température peut être due à la remontée d’un magma le long d’une faille. C’est le cas des schistes. Il faut savoir que la température dans la terre augmente de 30°C par kilomètre parcouru en profondeur. L’augmentation de pression peut être due à l’affrontement de deux plaques de l’écorce terrestre. C’est le cas du gneiss issu du granite. La combinaison de l’augmentation de pression et de température peut être due aux volcans et aux séismes.


Exemple de schiste ardoisier Exemple de gneiss II – 2 – 4 Cycle des roches : Pendant que l'érosion continuait son œuvre, les différentes couches de l'écorce terrestre ont subi des bouleversements continuels, se sont plissés et disloqués. La conjugaison de ces effets pendant des millions d'années a façonné l’écorce terrestre pour lui donner l'aspect que nous lui connaissons aujourd’hui. Les transformations géologiques se poursuivent sans cesse à un rythme si lent que l'être humain ne peut les apercevoir, à part les séismes et les éruptions volcaniques. On comprend que c’est un véritable cycle des roches. En effet les roches sédimentaires pouvant provenir de l’érosion des trois sortes de roches, sont recouvertes d’autres couches de sédiments qui par leur poids, exercent une pression sur elles et les transforment en roches métamorphiques. Certaines roches s’enfoncent et d’autres sont soulevées. Les roches qui affleurent actuellement dans le massif central étaient il y a plusieurs centaines de millions d’années situées au-dessous à 20 ou 30 km de profondeur.



Dans le génie civil, les roches nous intéressent pour deux raisons : 1°) Elles sont utilisées comme matériaux de construction. (voir III) 2°) Elles sont les sols sur lesquels se fondent les ouvrages.(voir chapitre 2) II – 3 Définitions : La géologie est la science qui étudie la terre, qui décrit donc les matériaux constituant le globe terrestre, et qui étudie les transformations actuelles et passées subies par la terre, ainsi que les fossiles. En grec, geos veut dire terre et logos, discours. La géotechnique est la partie de géologie appliquée qui étudie les propriétés des sols et des roches en fonction des projets de construction d’ouvrages. III – ROCHES UTILISEES COMME MATERIAUX DE CONSTRUCTION : Les roches peuvent être utilisées comme matériaux de construction. Voici quelques exemples courants : TYPES DE ROCHES ORIGINE NOMS DES

ROCHES UTILISATION

Argile Briques, tuiles, carrelage, clinker pour faire le ciment

Bentonite Soutènement de sol Sable, graviers Granulats pour Béton

Détritique minéral

Grès Revêtement de sol Calcaire Pierres de construction Organique

Avec animaux Craie chaux

SEDIMENTAIRES

chimique gypse plâtre Volcaniques basalte Pierres de construction

granite Pierres de construction, pavés et bordures de trottoir

MAGAMATIQUES

Plutoniques

gabbros Pierres de construction Schiste Couvertures en ardoises et

façades METAMORPHIQUES Augmentation

de température marbre Revêtements de sols et murs


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Augmentation de pression

gneiss Pierres

La bentonite est une argile très spéciale, riche en magnésium. Mélangée à de l'eau, elle donne une boue thixotropique (qui possède deux états, un état pseudo-solide au repos et un état liquide lorsqu'elle est en mouvement). Elle permet de maintenir les parois d'un forage et est utilisée pour l'exécution des fondations spéciales. Les marnes sont des mélanges naturels de calcaire et d'argile. Ce sont des roches sédimentaires. Elles sont utilisées pour fabriquer le ciment. Le marbre est le métamorphisme du calcaire. IV – L’EAU SOUTERRAINE : L’eau souterraine est une véritable ressource géologique. Il faut en évaluer les réserves, équilibrer les prélèvements et surveiller sa qualité. L’eau souterraine est plus difficile à récupérer que l’eau de surface mais elle est de meilleure qualité. IV - 1 Définitions : L'hydrologie est la science qui traite des propriétés mécaniques, physiques et chimiques des eaux marines et continentales. L’hydrogéologie est la partie de la géologie qui s’occupe de la recherche et du captage des eaux souterraines. IV – 2 Cycle de l’eau : L’eau des précipitations (pluie, neige…) atteint les cours d’eau :

- soit en tombant directement dedans, - soit en ruisselant à la surface des sols, - soit en s’infiltrant dans le sol pour former une source qui se rejette dedans.

Puis l’eau par évaporation des lacs et des océans, et par transpiration des arbres, se retransforme en nuages dans le ciel.

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1éres Génie Civil Technologie Notions de Géologie IV - 3 Nappes d’eau souterraines : Les nappes d’eau souterraine sont donc alimentées par les pluies et les rivières. Ainsi l’eau est une ressource renouvelable. Cependant, à un moment donné et à un endroit donné, les réserves ne sont pas inépuisables car le renouvellement n’est pas instantané. Les eaux souterraines proviennent de l’infiltration des eaux de surface dans le sol. Elles ne s’y accumulent que si leur progression vers le bas est arrêtée par une couche imperméable. L’eau s’accumule donc dans une couche de sol perméable située au-dessus d’une couche de sol imperméable. Cette couche de sol perméable est une roche réservoir.


Si la nappe d’eau peut être alimentée par toute sa surface de dessus, ce qui veut dire qu’aucune couche de sol imperméable ne la surmonte, cette nappe d’eau est dite libre et est appelée nappe phréatique.(cas de A sur le schéma) Si la nappe d’eau est surmontée par une couche imperméable (cas de B), la zone d’alimentation est alors réduite aux affleurements de la couche perméable, la nappe d’eau est dire captive. Cette nappe captive peut alors être sous pression. Ainsi lorsque l’on effectue un forage dans cette nappe, l’eau sous pression remonte toute seule sans la pomper jusqu’à un certain niveau appelé niveau piézométrique. Le forage d’une telle nappe s’appelle puits artésien.



IV – 4 Exploitation des nappes d’eau souterraines : L’homme capte l’eau des sources ou la pompe en profondeur grâce à des forages pour :

- s’alimenter ainsi que les animaux, se laver…, l’eau devant être de bonne qualité et non polluée,

- irriguer les champs,

- se chauffer par géothermie.

La géothermie consiste à pomper de l’eau à 70°C à environ 2 km de profondeur pour en récupérer sa chaleur, cette eau étant réinjectée ensuite afin de ne pas polluer, dans la même nappe par un autre forage situé un peu plus loin. IV – 5 L’eau dans le sol : Les eaux souterraines sont naturellement filtrées en passant dans les différentes couches du sol, et se minéralisent par dissolution des éléments minéraux des roches. Ainsi, plus une nappe d’eau est profonde, moins elle est polluée et plus elle est minéralisée La porosité des roches définit la capacité de stockage de l’eau. L’eau intervient de plusieurs façons dans une roche :

- en eau de constitution qui entre dans la composition des grains et qui ne peut être enlevée,

- en eau liée, fine pellicule d’eau collée aux grains par adsorption qui ne peut être enlevée que par forte sécheresse,

- en eau capillaire, qui se colle aux grains par tension superficielle, mais qui existe que si la

roche n’est pas saturée d’eau,

- en eau libre, non retenue par les tensions capillaires, qui s’écoule par gravité par les interstices laissés entre les grains, et qui existe si la roche est saturée d’eau.

IV – 6 Méfaits dus à l’eau :



Une nappe phréatique trop pleine peut soulever une partie d’un bâtiment, comme un dallage. Il faut alors solidariser le dallage avec l’ensemble du bâtiment. Certains sols argileux ont tendance à gonfler par temps humide et à diminuer de volume par temps sec, ce qui risque de fissurer le bâtiment à cause des tassements. Fonder le bâtiment plus profondément, par exemple mettre un sous-sol, est une bonne solution. L’eau de pluie imprègne le sol autour de la construction et peut réduire sa capacité portante. C’est pour cela que l’on met des drains tout autour d ‘un bâtiment pour récupérer cette eau.

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