Structure et dynamique de la Terre

Introduction-Notions sur les matériaux et le temps en géologie

Structure Interne: Approche géophysique- Modéle de Terre sismologique- Tomographie sismique: Image de la Terre 2D et 3D

Grands processus géodynamiques: Approche géophysique- Tectonique des plaques- Frontières de plaques

Histoire Géologique de la Bretagne

– p. 1

IntroductionLa Terre, machine dynamique

–> compréhension de transferts de matière pendant une certaine période de temps

–> 3 questions : Quoi? Quand? Où?

I - Les materiaux

- les minéraux et les roches

II - Le temps- les datations relatives et absolues

- le calendrier géologique

III - Conclusion

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Les matériaux terrestresPlusieurs échelles du milliers de kilomètres à la taille des atomes

10 m6

10 m510 m3

10 m−3

10 m−5

10 m−9

10 m0

pli

minéraux

noyau

globe terrerstre

manteauocéan continent

lithosphère

réseau cristallin

schistosités

nappe de charriage

manteau

croute

croute

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Le minéralLa composition chimique: nature des éléments chimiques du minéral(ex:Silicium Si, Oxygène O,...)

La structure atomique: arrangement des atomes entre eux (ex:structure cu-bique)

Identification des minéraux

couleur (Qz plusieurs couleurs), éclat (métallique ou non métallique)

trait sur porcelaine(hématite: trait brun rougeâtre)

dureté: de 1 (talc) à 10 (diamant) selon rayure faite par un ongle, une pièce,une lame ou du verre

densité: sel (2.1 g/cm3), or (19 g/cm3)

forme cristalline

clivage: calcite se débite selon certains plans, le Quartz sans clivage enmorceaux irréguliers

effervescence: identification des minéraux carbonatés (test à l’acide)

propriétés optiques: chaque minéral possède ses propriétés optiques– p. 4

Minéraux constitutifs de la croûteO 46.6%, Si 27.7% , Al 8.1%, Fe 5.0%, Ca, Na, K, Mg,...

⇒ 95% volume de la croûte composé de silicates SiO4

Structure de base des silicates: le tétraèdre

Les pyroxènes, chaîne simple de tétraèdre, 2 plans de clivage à angle droit

Les amphiboles, chaîne double, 2 plans de clivages à 60 et 120◦

Les micas, chaîne planaire, 1 plan de clivage

Les feldspaths, réseau à 3 dimension, 2 plans de clivages

Le Quartz, réseau à 3 dimensions, pas de clivage– p. 5

Minéraux constitutifs du manteauAbondance d’oxygène, de silicium, de fer et de magnésium dans le manteau

55% d’olivine avec pyroxènes, spinelles et grenat dans le manteau supérieur

65% d’oxydes ferro-magnésiens et de pérovskites dans le manteau inférieur

NOYAU constitué de fer et nickel

⇒ Pas que des minéraux silicatés sur Terre:- carbonates (ex:Calcite)- sulfates (ex:Gypse)- phosphates (ex:Apatite)- sulfures (ex:Pyrite)- oxydes et hydroxydes (ex:Spinelle)- tungstates (ex:Wolframite)- halogénures (ex: halite)- éléments natifs Au et Ag

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Origine des Minéraux I

Cristallisation d’un liquide qui, par refroidissement, passe de l’état liquide àsolide

Cristallisation de vapeurs (cristallisation du soufre autour des fumerolles)

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Origine des Minéraux II

Précipitation chimique à partir d’une solution sursaturée par rapport à unminéral. (ex: formations des agates, dépôts dans les cavernes et séquenceévaporitique)

Transformation (recristallisation) de minéraux existants en formes cristallinesdifférentes de l’original.

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Du minéral à la roche

Le magma est à l’origine de la formation de la croûte terrestre. Il est la premièrephase du cycle.Trois grands types de roches:

Roche ignée: cristallisation du magma

Roche sédimentaire: cimentation des particules issues de l’érosion des rochesignées et métamorphiques

Roche métamorphique: transformation sous l’effet des hautes températures etpressions

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Les Roches Ignées

Cristallisation fractionnée : cristallisation des silicates dans un magma se faitdans un ordre défini, produit des assemblages minéralogiques différents quicorrespondent aux 4 grands types de roches ignées

Extrusives ou intrusives: taille des minéraux issus d’un processus derefroidissement lent (cristaux grossiers, ex:intrusif dans la coûte) et rapide(petits cristaux, ex:volcans sous-marins)

Fusion partielle : si la température d’un matériel augmente, une partie va fondreet devenir liquide. Tous les minéraux ne fondent pas à la même température.exemple: magma ultramafique issu de la fusion partielle de la péridotite – p. 10

Les Roches Sédimentaires I

l’altération superficielle: mécanique (ex: gel/dégel), chimique (ex: silicateattaqué part les eaux de pluies) et biologique (ex: lichen)

le transport: eau (principalement), vent, glace. Figures spécifiques (ex:granoclassement)

la sédimentation: accumulation des particules dans un bassin, dépôt encouche successives: stratification.

la diagenèse: processus chimiques et mécaniques affectants un dépôt sédi-mentaire après sa formation qui vont de la compaction du sédiment à sa ci-mentation, en passant par des phases de dissolution, de recristallisation ou deremplacement de certains minéraux. – p. 11

Les Roches Sédimentaires II3 sources:

terrigène: érosion des continents

allochimique (essentiellement calcaire):particules issues du bassin desédimentation: coquilles et/oufragments

orthochimique: précipités chimiquesdans le bassin de sédimentation ou àl’intérieur du sédiment durant la dia-genèse

Nom des roches:

taille des particules pour terrigène etallochomiques

composition minéralogique

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Les Roches Métamorphiques IRoches ignées ou sédimentaires sous hautes températures et/ou pressions

2 processus:

1- métamorphisme de contact: se produit dans la roche encaissante au contactd’intrusifs par transferts de chaleur

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Les Roches Métamorphiques II

2- métamorphisme régional et foliationmétamorphique: importantes pressions ettempératures. C’est le métamorphisme dechaîne de montagne.

développement de minéraux ditsmétamorphiques et d’une foliation (cristauxaplatis et étirés)

métamorphisme de choc : chute de météoritesavec températures et pressions bien plusélevées

détermination du niveau de pression ettempérature à partir des assemblagesminéralogiques présents

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Le temps en géologiePlusieurs échelles du milliards d’années à la seconde

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La séquence géologique

Le temps est matérialisé par l’empilement des couches géologiques

stratification des roches sédimentaires témoin du temps nécessaire pour queles sédiments se déposent

roches intrusives: témoin d’événements ponctuels plus courts

discordance: témoin du temps où les dépôts ont été érodés

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La séquence géologique

⇒ 2.5 milliards d’années d’histoire dans le Grand Canyon, Colorado

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Datation relative IÉtablissement de l’âge des couches l’une par rapport à l’autre. 2 méthodes :physique et paléontologique

Méthodes physiques de datation relative.

principe de l’horizontalité primaire descouches sédimentaires et principe desuperposition.⇒ couche 4 plus jeune que la 3, elle

même plus jeune que la 2, ...

Règle de recoupement: un corps rocheux quien recoupe un autre est nécessairement plusjeune que celui qu’il recoupe

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Datation relative II

discordance d’érosion: contact irrégulier entre masseintrusive et couches sédimentaires

discordance angulaire: séquence de formation de ladiscordance

⇒ dépôt, plissement, érosion et nouveau dépôt– p. 19

Datation relative IIIMéthodes paléontologiques de datation relative

datation par les fossiles

plusieurs méthodes:- la méthode des fossiles pilotes utilise des fossiles à courte durée de vie- la méthode des assemblages fossilifères basée sur des fossiles trouvés

ensemble dans une couche sédimentaire, témoin d’un époque précise. Aucunfossile pris individuellement n’aurait pu fournir un âge aussi précis.

- la méthode des lignées évolutives, similaire à la méthode des assem-blages mais avec des fossiles d’un même groupe biologique.

⇒ Établissement d’une échelle relative des temps géologiques par les paléonto-logues.⇒ Aucun temps exprimé en nombre d’années

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Datation AbsolueLa datation radiométrique

développé au début du 20eme après la découverte de la radioactivité par Pierreet Marie Curie

principe: certains éléments chimique ont la propriété de se désintégrer. Encalculant le temps qu’a mis une certaine portion d’un élément contenu dans unminéral à se désintégrer, on obtient l’âge de formation de ce minéral

dépend de la demie-vie de l’élément radioactif: temps nécessaires pour que lamoitié de l’élément initial soit désintégré

exemple: demie-vie de 238 U est de 4.5 milliards d’année, demie-vie du 14 Cest de 5730 années

⇒ Choisir son élément radioactif en fonction de l’objet à dater si plus vieux que75000 ans il est inutiles d’utiliser le 14 C car il n’en restera qu’en très faible quantité.

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Calendrier géologique

Avec la datation radiométrique, on aobtenu des âges absolus.

Les ères géologiques ne sont pas dedurées égales: prédominance duprécambrien avec 90% de tout le tempsgéologique (peu de fossiles auprécambrien).

hadéen : mal connu car pas de vestigerocheux. Il commence à 4.03 Milliardsd’années parce que c’est la plus vieilleroche terrestre connue.

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Conclusion

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

10

−10 −9 −8 −7 −6 −4−5 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5 6 710

continentaleFranceMont Blanc

de la Terrediamètreminéral ammonite

cristallinemaille

TAILLES échelle logarithmique (m)

(milliers de km)échelle linéaire

⇒ Dimension, temps et matériaux: 3 notions importantes en géologie

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