chapitre 3 : initiation aux minéraux et roches de la...

Chapitre 3 :

Initiation aux minéraux et roches de la Terre

- Cours et Figures dans répertoire sur le BV : 2017-2018/Semestre1/UE Géosciences 1

- Cours en ligne également sur le site web du département « Géosciences » de l’Université de Poitiers dans le lien « Ressources pédagogiques ».

Cours suivants : fonctionnement actuel de la Terre avec :

- Les formes et visages de la Terre (Chap. 4)- Sismologie pour la structure interne du globe (Chap. 5)- Tectonique des plaques, géodynamique globale (Chap. 6, 7 et 8)

Cours passés (Chap. 1 et 2) : histoire et formation de l’Univers et du système solaire

On sait où est la Terre et comment elle s’est formé il y a 4,5 Ga.Mais que s’est t’il passé entre 4,5 Ga et aujourd’hui ? (Résumé en untransparent (!!) dans ce chapitre).

La première croute continentale s’est formés très tôt : à l’Archéen(entre 4 et 3,2 Ga) avec notamment les TTG (« tonalite-trondhjémite-granodiorite ») qui étaient en fait des granites (doncd’anciennes roches magmatiques) et que l’on retrouve actuellementau Canada sous forme de gneiss.

…roches qui contenaient donc déjà des minéraux tels que du quartz,des feldspaths…..

Premières roches terrestresn’étaient donc pasfondamentalement différentes desroches qui sont en cours deformation actuellement ; on yretrouve donc aussi uneminéralogie assez similaire.

Donc aujourd’hui :

Chapitre 3 :

Initiation aux minéraux et roches de la Terre

Chap. 3 : Initiation aux minéraux et roches de la TerreExemples de questions : - Qu’est ce qu’est une roche? ; Comment cristallisent les minéraux et quels sont les principaux minéraux des roches

terrestres ? Quelles sont les caractéristiques d’un minéral ? Comment cristallise un magma ?

Plan : 3.1. Généralités sur la place des minéraux dans la constitution de la Terre

3.1.1 Notion de différenciation appliquée à la Terre3.1.2 Schéma simplifié de la structure interne du globe et de sa minéralogie associée

3.2. Notions de minéralogie 3.2.1 Définitions minéral/cristal3.2.2 Maille et systèmes cristallins3.2.3 Les minéraux polymorphes3.2.4 Critères macroscopiques d’identification des minéraux (lien avec TP n°1)3.2.5 Les grandes familles de minéraux terrestres (lien avec TD n°3)

3.3. Les roches3.3.1 Définition d’une roche - cycles des roches3.3.2 Exemples des roches magmatiques

3.3.2.1 Classification3.3.2.2 Vitesse de refroidissement d’un magma et texture des roches associées (lien avec TD n°3)3.3.2.3 Processus de cristallisation d’un magma (lien avec TD n°3 et 8; TP n°2 et 3)

Ce qu’il faut connaitre

3.1. Généralités sur la place des minéraux dans la constitution de la Terre3.1.1 Notion de différenciation appliquée à la Terre

- Rappel sur les météorites : Les achondrites résulteraient de la fragmentation de corps célestes après une phased’accrétion et de différenciation.

- La même analogie peut-être faîte pour la planète « Terre » (détails dans le 1er cours de Roberto Machiarelli).Résumé: - Noyau de Fe/Ni déjà formé (en 30/40 Ma environ après la formation de la Terre),

- Présence d’un océan magmatique généralisé en surface à l’Hadéen (4 Ga) avec des premièresroches datées à 4.03 Ga : c’est très tôt dans l’histoire de la Terre

Donc : différenciation très précoce.

3.1.2 Schéma simplifié de la structure interne du globe et de la minéralogie associée

- En surface (lithosphère) : la croute continentale est typiquement constituée de roches de type « granite » avecquartz, feldspaths comme minéraux typiques.

- En surface (lithosphère) : la croute océanique est typiquement constituée de roches de type « basalte », avecfeldspaths, pyroxènes et olivine comme minéraux typiques.

- Roches du manteau de la lithosphère (manteau supérieur rigide) : péridotite typiquement constituée d’olivineset de pyroxènes.

Structure interne de la Terre et minéralogie associée(Géosciences, Robert et Bousquet, Belin)

3.2. Notions de minéralogie Pourquoi s’intéresser à la minéralogie….

Du point de vue d’un biologiste…

Nutrition des plantes

Bio-minéralisations

aragonite

foraminifères

Gloeomargarita lithophora cyanobactérie

Du point de vue d’un géologue…

Les minéraux sont des témoins du passé de notre planète unique et permettent de comprendre son fonctionnement passé, actuel et futur.

Enregistrement des conditions de formation (P, T, X), des rochesPlus vieux zircon à 4.4 Ga

pyrite

2.1 Ga : première trace d’organismes pluricellulaires (Gabon)

Conservation d’un dinosaure avec ses plumes

(Chine)

3.2. Notions de minéralogie 3.2.1 Définitions minéral/cristal

- Minéral (Bonin, 1988) : 4 caractéristiques :- solide naturel- macroscopiquement homogène- composition chimique- structure atomique ordonnée

- Les minéraux sont constitués d’atomes associés par des liaisons chimiques de plusieurs types et plus oumoins résistantes.

Images d’atomes de silicium (microscope à effettunnel) – Arrangement régulier hexagonal serépétant à l’infini – Cas de liaison covalente. (Earth’s

dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)

Liaisons fortes:

- liaison métallique- liaison covalente- liaison ionique

Liaisons faibles:

- liaison hydrogène- liaison de Van der Waals

Fig. 3.1 : Deux grandes types de liaisons chimiques entre deux atomes (dans les deux cas les liaisonsimpliquent les électrons des couches superficielles des atomes).

(A) liaison ionique entre Na et Cl. (B) liaison covalente entre Si et O (cas des minéraux silicatés). (Earth’s

dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)

A B

- Cristal : solide dont les atomes sont arrangés de manière régulière selon une disposition fondamentale (maille) etrépétée dans l’espace (réseau cristallin).

maille : l’enveloppe du plus petitvolume de matière cristalliséeconservant les mêmes propriétésgéométriques, physiques etchimiques que celles du cristal.

Cette organisation se reflète àl’échelle macroscopique.

3.2.2 Définitions maille/système cristallin

- il existe 7 géométries possibles pour la maille (ce qu’on appelle des systèmes cristallins) :

- géométrie de la maille :

Un repère Oxyz

3 angles a, b, g

3 longueurs a ,b, c

6 paramètres

Fig. 3.2 : Les sept systèmes cristallins pour la maille.

- Le minéral a les mêmes propriétés géométriques que celle de sa structure cristalline.

(symétries visibles à l’échelle macro)

Macroscopique (cristal)

Réseau cristallin

Micro (maille)

propriétés du cristal = propriétés de la maille

Na

Cl

Chimie de la maille = chimie du cristal

Exemple 1 :

Ex. : Kaolinite, Si2Al2O5(OH)4

Structure en feuillet découlant directement de la structure atomique

Exemple 2 :

3.2.3 Les minéraux polymorphes

Minéraux ayant exactement la même composition chimique, mais des structures cristallines (mailles) différentes.

Exemple 1 :

Polymorphe du Carbone

très mou

conducteur de courant

opaque

très dur

isolant

transparent

Fig. 3.3 : Exemples de minéraux polymorphes : graphite et diamant (même composition chimique maisstructure cristalline différente). (Earth’s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)

Exemple 2 : les silicates d’alumine Al2SiO5

(minéraux du métamorphisme)

disthène

SiO4

AlO6

andalousite

SiO4

AlO6

AlO5

sillimanite

AlO6

SiO4

AlO4

3.2.4 Critères macroscopiques d’identification des minéraux (lien avec TP n°1)

(1) Automorphe – Xénomorphe

(2) Habitus (forme polyédrique du cristal)

(3) Les macles

(4) La cassure – le clivage

(5) La dureté

(6) Eclat- réflexion – couleur

+ Effervescence : test à l’acide chlorhydrique pour tester la présence de calcite

(carbonate de calcium) via l’émission de CO2(g).

(1) Automorphe – Xénomorphe

Minéral automorphe : peut s’exprimer sous formede cristal géométrique (suffisamment de place pour« grandir » - voir section 3.3.2.2) ; que dans descontextes très favorables.

Minéral xénomorphe : ne peut s’exprimer sous forme decristal géométrique (pas suffisamment de place pour« grandir » - voir section 3.3.2.2) ; cas le plus fréquent.

Échelle macro :

Échelle micro :

(2) Habitus (forme polyédrique du cristal)

Définition: c’est la forme extérieure d’un minéral(faces cristallines exprimées), souvent associée àson mode de croissance.

selon les conditions physico-chimiques

une même espèce minérale peut

se présenter sous des habitus cristallins différents

Exemple :

le quartz (SiO2 – hexagonal) présente plus de 100 habitus différents

Différents habitus du quartz :

tourmaline prismatique

(3) Les macles

Définition : les macles sont des associations de deux ou plusieurs cristaux de même espèce et qui sont orientés suivantdes lois cristallographiques particulières.

Exemples :

orthose

Macle simple de « Carlsbad » del’orthose (feldspath-K)

Macle polysynthétique de l’albite(feldspath-Na)staurotide

Macle simple en croix de la staurotide(minéral du métamorphisme)

quartz

Macle simple entre deuxcristaux de quartz

(4) La cassure – le clivage

Définition : Le clivage est l’aptitude d’un minéral à se fracturer (casser) facilement suivant selon une famille de plansparallèles. Ce sont les plans préférentiels de cassure liés à l’orientation des plans atomiques.

Exemples : la cassure planemuscovite

À l ’échelle atomique...

Feuillet (liaisons iono-covalentes = fortes)

feuillet

feuillet

liaison faibles (VdW)

liaison faibles (VdW)

Exemples : cassure en gradin (à environ 120 °C pour les amphiboles ; à environ 90 ° pour les pyroxènes)

Illustration sur les amphiboles :

...à l’échelle atomique

...sur une face du cristal, comme dans la structure atomique, on peut voir des angles d’environ 120°C entre les deux directions de clivage (ou deux plans atomiques).

Exemples : pas de clivage, ou clivage de mauvaise qualité

Illustration avec la cassure conchoïdale du quartz massif

(5) Dureté

La dureté est la capacité de résistance d’un minéral à la destruction mécanique de sa structure (en pratique :résistance à la rayure). C’est une propriété anisotrope qui dépend de la cohésion du minéral donc de sa structurecristalline.

On utilise généralement l’échelle de Mohs pour estimer la dureté d’un minéral.

Fig. 3.4 : Échelle de dureté des minéraux (échelle de Mohs)

(6) Eclat - Réflexion

Certains minéraux ont un éclat métallique dû àun fort pouvoir réflecteur : cas des oxydes de feret de la pyrite

hématite pyrite

D’autres minéraux ont un faible pouvoirréflecteur et un éclat « pierreux », tel que l’éclat« gras » du quartz :

quartz

La couleur d’un minéral dépend de sa composition chimique, de sa structure et de la présence d’impuretés.

(le graphite est opaque et noir alors que le diamant est incolore et transparent, alors que tous les deux ne sontconstitués que d’atomes de carbone)

Mais attention :

beaucoup de minéraux peuvent prendre des couleurs différentes en fonction de leur type de gisement et n’ont doncpas forcément de couleur propre.

Exemple: le quartz (SiO2)

Améthyste(infime inclusion d’oxyde Fe) –

stable que si T<250°C

Citrine (infime inclusion d’oxyde Fe) – Forme

HT de l’améthyste Quartz rose(inclusion d’oxydes Mn et Ti) Quartz fumé

(irradiation de sel d’Al)

Quartz hématoïde(inclusion d’hématite (oxyde-Fe))

3.2.5 Les grandes familles de minéraux terrestres (lien avec TD n°3)

Plus de 92% des minéraux terrestrescorrespondent au groupe des silicates(contenant du silicium et de l’oxygène).

La brique élémentaire de tous les silicatesest le tétraèdre [SiO4]4-

Fig. 3.5 : Abondance massique des éléments chimiques dans la croute terrestre

- Les briques élémentaires [SiO4]4- sont reliées les unes aux autres pour former des édifices à 1, 2 ou 3 dimensions ; lesmotifs sont reliés par des cations compensateurs de type Ca2+, Na+, Mg2+, K+, Fe2+.

(1) Tétraèdres isolés : groupe des olivines

(2) Tétraèdres en simple chaîne : groupe des pyroxènes

(3) Tétraèdres en double-chaîne : groupe des

amphiboles

(4) Tétraèdres agencés en 2 D : groupe des minéraux

argileux

(5) Tétraèdres agencés en 3 D : groupe des

tectosilicates (quartz, feldspaths)

…détail en TD n°3

Fig. 3.6 : Différentes associations des tétraèdres de silicium, à l’origine des différentes classes de silicates. (Earth’s dynamic

systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)

- Abondance des silicates dans la croute terrestre : 92 %

Les silicatesParmi les minéraux « non-silicatés » :

- Les minéraux carbonatés (calcite,

dolomite)

- Les sels dits « solubles » (halite

(sel de cuisine), gypse)

- Les oxydes/hydroxydes de Fer

(hématite, goethite).

Plagioclase dans un granite

Fig. 3.7 : Les silicates

3.3. Les roches3.3.1 Définition d’une roche - cycles des roches

Quiz :

(a) Une roche est-elle toujours un solidecohérent (qui se « tient ») ?

Non. Exemple : un sable ou une argilesont des roches meubles

(b) Une roche est-elle toujours inorganique ?Non. Exemple: le charbon est uneroche

Définition d’une roche : matériau naturel généralementsolide, constitué en totalité ou partiellement d’unassemblage de minéraux. Une roche peut contenir aussides fossiles, du verre (résultant d’un refroidissementd’un liquide comme en volcanisme) ou des agrégatsd’autres roches.

Pourquoi s’intéresser aux minéraux lorsque l’on s’intéresseaux roches (et notamment celles sur le terrain) ?

Fig. 3.8 : De l’atome à la montagne, ou comment les atomesse combinent pour constituer les minéraux des roches. (La

Terre, une planète singulière. R. Trompette. Ed. Belin)

Fig. 3.9 : Le cycle simplifié des roches – Il est

essentiellement cantonné à la lithosphère, enveloppesuperficielle de la Terre, mais comporte quelques échanges avecle manteau.(La Terre, une planète singulière. R. Trompette. Ed. Belin)

Cycles des roches : Les roches sont généralementclassées en fonction de leur histoire :

- roches ignées (ou magmatiques) quicristallisent en profondeur ou en surface (laves) à partird’un magma

- roches sédimentaires, formées à la surfacede la Terre, qui résultent soit de l’accumulation de débrisde roches superficielles, soit de la précipitationd’éléments dissous dans l’eau

- les roches métamorphiques, qui proviennentde la transformation en profondeur, sous l’effet de latempérature et la pression, des deux autres groupes deroches.

3.3.2 Exemples des roches magmatiques3.3.2.1 Classification

Définition d’une roche magmatique (ou ignée) :

- roche provient de la cristallisation d’un magma (qui estune roche en fusion contenant des liquides, des gaz etdes inclusions solides comme des minéraux).

- Il existe une large variété de magma, mais touscontiennent : O, Si, Al, Ca, Na, K, Mg et Fe. La teneur enSi et O contrôle la viscosité du magma (« fluidité »).

- Deux cas extrêmes de magma : a) les magmasbasaltiques (de 900 à 1200 °C) très fluide (pauvres en Si)et (b) les magmas granitiques plus froids (moins de850°C) et plus visqueux (riches en Si).

- Des magmas cristallisant en profondeur donnent desroches « intrusives » alors que les laves cristallisant ensurface donnent des roches extrusives. Ces roches,même si elles peuvent avoir des compositionschimiques identiques, ont des textures drastiquementdifférentes. Pourquoi ?

Teneur en Si et viscosité augmentent

Fig. 3.10 : Classification des roches ignées les pluscourantes – La taille d’écriture du nom de chacune d’entre elle

est approximativement proportionnelle à son abondance à lasurface de la Terre.(Earth’s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)

3.3.2 Exemples des roches magmatiques3.3.2.2 Vitesse de refroidissement d’un magma et texture des roches associées (lien avec TD n°3)

Fig. 3.11 : Taux de nucléation (ou germination)et croissance cristalline lors du refroidissementd’un magma– Tm est la température de fusion ; T est la

température de mise en place. DT=Tm-T est l’indicateur decondition de refroidissement du magma. Des noms typiquesde texture de roches sont indiqués pour différentes valeurs deDT (faible, élevée, très élevée). (Eléments de Géologie, Renard etal., Ed. Dunod)

Si DT est faible : taux decroissance maximale. Peu decristaux mais de grande taille.

Si DT est élevé : taux de nucléation très important, maistaux de croissance faible. Beaucoup de petits cristaux.

Si DT est très élevé : presque aucun cristal : texturevitreuse.

DT faible

DT élevée

DT très élevée

Exemples de textures différentes pour des roches ayantapproximativement la même composition chimique :

A

DC

BA : texture vitreuse (obsidienne) : aucuncristal/grain -refroidissement très brutald’un magma

B : texture aphanitique ou microgrenue(rhyolite) : grain trop petit pour êtrevisibles à l’œil nu – refroidissementrapide d’un magma

C : texture phanéritique ou grenue(granite) : grains observables à l’œil –témoin d’un refroidissement lent dumagma

D : texture pyroclastique (tuf) : cendresformés de fragments de cristaux, deroches et de verre éjectés par un volcanEarth’s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall.

3.3.2 Exemples des roches magmatiques3.3.2.3 Processus de cristallisation d’un magma (lien avec TD n°3 et 8; TP n°2 et 3)

Les différents minéraux ne cristallisent pas tous à lamême température (série de Bowen vue au lycée)

=

la composition d’un magma (qui est un mélange deliquide, gaz et inclusion de roches et minéraux)évolue au cours du refroidissement

=

un magma avec une composition initiale va donnernaissance à différentes roches, dont la compositionévoluera d’un pôle peu différencié (ex: basalte) à unpôle très différencié (ex : granite). Fig. 3.12 : Ordre de cristallisation des principaux minéraux

lors du refroidissement d’un magma (série de Bowen) – Par

exemple, l’olivine cristallise à haute température à partir d’un magma richeen Fe/Mg (magma peu différencié) alors que le quartz cristallise à beaucoupplus faible température à partir d’un magma très riche en Si (donc trèsdifférencié).(Earth’s dynamic systems, Hamblin and Christiansen, Ed. Prentice Hall)

CE QU’IL FAUT RETENIR/SAVOIR : questions typiques :

- Connaitre les définitions d’un minéral, d’un cristal et d’une maille- Reconnaitre les axes de symétrie d’une maille- Savoir utiliser les critères macroscopiques de reconnaissance des minéraux (TP n°1)

- Savoir quels sont les deux éléments chimiques les plus abondants dans la croute terrestre.- Connaitre la brique élémentaire de tous les silicates – Pouvoir donner le nom de quelques silicates (TD n°3)

- Connaître la définition d’une roche.- Relier la texture d’une roche magmatique à la vitesse de refroidissement du magma (TD n°3 et TP n°2)- Pouvoir donner le nom de minéraux cristallisant à haute température, et certains à basses températures (TP n°1)

PROCHAIN COURS:

Chapitre 4 : Formes et visage de la Terre : initiation à la géodésie et à l’isostasie

On sait que les différentes enveloppes du globe (croute, manteau…) sont constituées de roches….