Structure et dynamique de la Terre

• Introduction - Notions sur les matériaux et le temps en géologie • Structure Interne: Approche géophysique - Modèle de Terre sismologique - Tomographie sismique: Image de la Terre 2D et 3D • Grands processus géodynamiques: Approche géophysique - Tectonique des plaques - Frontières de plaques

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Introduction

La Terre, machine dynamique: compréhension de transferts de matière pendant une certaine période de temps 3 questions : Quoi? Quand? Où?

I - Les matériaux

- les minéraux et les roches

II - Le temps

- les datations relatives et absolues - le calendrier géologique

III - Conclusion

Les matériaux terrestres

Plusieurs échelles du milliers de kilomètres à la taille des atomes

Le minéral

• • • • • • • • • • • • La composition chimique: nature des éléments chimiques du minéral (ex: silicium Si, oxygène O,...) La structure atomique: arrangement des atomes entre eux (ex: structure cubique) 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 en morceaux irréguliers effervescence: identification des minéraux carbonatés (test à l'acide) propriétés optiques: chaque minéral possède ses propriétés optiques

Minéraux constitutifs de la croûte

• • • • • • • O: 46.6%, Si:27.7% , Al:8.1%, Fe:5.0%, Ca, Na, K, Mg,... ⇒ la croûte composé de silicates SiO 4 95% volume de 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 dimensions, 2 plans de clivages Le Quartz, réseau à 3 dimensions, pas de clivage

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Minéraux constitutifs du manteau et noyau

Abondance d'oxygène, de silicium, de fer et de magnésium dans le manteau 55% d'olivine avec pyroxène, spinelle et grenat dans le manteau supérieur 65% d'oxydes ferro-magnésiens et de pérovskite dans le manteau inférieur, magnésiowüstite Le noyau est constitué de cristaux de fer et nickel Mais il n’y a 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, Ag, Cu

Origine des minéraux I

Origine des minéraux II

Du minéral à la roche

Le magma est à l'origine de la formation de la croûte terrestre. Il est la première phase du cycle.

• • • Il existe trois grands types de roches: Roche ignée: cristallisation du magma Roche sédimentaire: cimentation des particules issues de l'érosion des roches ignées et métamorphiques Roche métamorphique: transformation des 3 types sous l'effet des hautes température et pression

Les roches ignées ou magmatiques

• Fusion partielle : si la température d'un matériel augmente, une partie va fondre et devenir liquide. Tous les minéraux ne fondent pas à la même température.

exemple: magma ultrabasique issu de la fusion partielle de la péridotite Cristallisation fractionnée : cristallisation des silicates dans un magma se fait selon un ordre défini et produit des assemblages minéralogiques différents qui correspondent aux 4 grands types de roches ignées extrusives ou intrusives: taille des minéraux issus d'un processus de refroidissement lent à cristaux grossiers (ex: granite intrusif dans la coûte) ou rapide à petits cristaux ou quasi absence de cristaux (ex: verres basaltiques sous marins).

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Les roches sédimentaires I

l'altération superficielle: mécanique (ex: gel/dégel), chimique (ex: silicate attaqué 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 en couches successives: stratification.

la diagenèse: processus chimiques et mécaniques affectant un dépôt sédimentaire après sa formation qui vont de la compaction du sédiment à sa cimentation, en passant par des phases de dissolution, de recristallisation ou de remplacement de certains minéraux.

Les roches sédimentaires II

• • • 3 sources: terrigène: érosion des continents allochimique (essentiellement calcaire): particules issues du bassin de sédimentation (coquilles et/ou fragments) orthochimique: précipités chimiques dans le bassin de sédimentation ou à l'intérieur du sédiment durant la diagenèse • • Nom des roches: Selon taille des particules pour terrigènes et allochomiques Selon composition minéralogique

Les roches métamorphiques I

• Ce sont des roches ignées ou sédimentaires soumises à hautes températures et/ou pressions; il existe 2 types de processus: 1-Métamorphisme de contact produit dans la roche encaissante au contact d'intrusifs par transferts de chaleur

Les roches métamorphiques II

2- métamorphisme régional et foliation métamorphique: importantes pressions et températures. C'est le métamorphisme des chaînes de montagne.

Développement de minéraux dits métamorphiques et d'une foliation (cristaux aplatis et étirés, orientés) 3- métamorphisme de choc : tectites dues aux impacts de météorites avec températures et pressions bien plus élevées Détermination du niveau de pression et température à partir des assemblages minéralogiques présents

Le temps en géologie

Il existe plusieurs échelles: du milliard d'années à la seconde!

La séquence géologique I

• • • Le temps est matérialisé par l'empilement des couches géologiques stratification des roches sédimentaires, témoin du temps nécessaire pour que les sédiments se déposent roches intrusives: témoin d'événements ponctuels plus courts discordance: témoin du temps où les dépôts ont été érodés

La séquence géologique 2

On voit 2,5 milliards d'années d'histoire dans le Grand Canyon, Colorado

Datation relative I

Établissement de l'âge des couches l'une par rapport à l'autre. deux méthodes: physique et paléontologique Méthodes physiques de datation relative.

Principe de l'horizontalité primaire des couches sédimentaires et principe de superposition.

La couche 4 est plus jeune que la 3, elle même plus jeune que la 2, ...

Règle de recoupement Un corps rocheux qui en recoupe un autre est nécessairement plus jeune que celui qu'il recoupe

Datation relative II

• • discordance angulaire (à gauche): séquence de formation de la discordance ex: dépôt, plissement, érosion et nouveau dépôt discordance d'érosion (en bas): contact irrégulier entre masse intrusive et couches sédimentaires

Datation relative III

• • Méthodes 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 une faune/flore fossile trouvée dans une couche sédimentaire, témoin d'un époque précise. Aucun fossile pris individuellement n'aurait pu fournir un âge aussi précis.

- la méthode des lignées évolutives, comparable à la méthode des assemblages mais avec des fossiles d'un même groupe biologique.

On établit ainsi une échelle relative des temps géologiques par la paléontologie.

La notion de temps exprimé est relative, pas d’âges précis.

Datation absolue

• • • La datation radiométrique a été développée au début du XXème siècle après la découverte de la radioactivité par Henri Becquerel et de son origine pas Pierre et Marie Curie Principe: certains éléments chimiques ont la propriété de se désintégrer. En calculant le temps qu'a mis une certaine proportion d'un élément contenu dans un minéral à se désintégrer, on obtient l'âge de cristallisation de ce minéral Dépendance à la demi-vie T ou période de l'élément radioactif: temps nécessaire pour que la moitié des atomes de l'élément initial se soit désintégrée (exemple: demi-vie de l’ 238 milliards d'années, celle du 14 C de 5730 années U est de 4.45 Il faut donc choisir son élément radioactif en fonction de l'objet à dater (par ex. s’il est plus vieux que 75000 ans il est inutile d'utiliser le 14 C car il aura quasiment disparu).

Calendrier géologique

Avec la datation radiométrique, on a obtenu des âges absolus.

Les ères géologiques ne sont pas de durées égales • • prédominance du précambrien avec 90% de tout le temps géologique (peu de fossiles au précambrien).

Hadéen : mal connu car peu de roches héritées. Il commence à 4.03 milliards d'années parce que c'est la plus vieille roche terrestre connue.

Conclusion

Attention! Dimension, temps et matériaux sont 3 notions importantes en géologie