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Coulées de la lave récentes (Ardoukôba, 1978 - Djibouti)
Roche volcanique poreuse et fissurée
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Coulées de lave en strates diaclasées (Région de Randa, Djibouti)
(découpage en blocs parallélépipédiques de la roche massive en place)
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A. Altération mécanique
Une forme d'altération mécanique est celle observée au sommet des aiguilles granitiques de la chaîne du Mont Blanc dans les Alpes. En altitude, l'eau qui s'infiltre dans les diaclases qui affectent tout granite, elle gèle et écarte les fissures. De gels en dégels, l'écartement est suffisant pour provoquer le détachement d'un bloc qui, par gravité, chute et participe à la formation d'un éboulis au pied de l'aiguille. Voir Animation
Un autre phénomène s'observe dans nos régions, sous l'action des importantes variations de température, les blocs se dilatent et se rétractent, ouvrant ainsi les fissures pré-existantes.
L'échantillon photographié ci-contre a été utilisé pour mettre en évidence l'action du gel et du dégel sur l'ouverture d'une fissure au laboratoire.
"L'échantillon a été plongé dans l'eau, on a observé des bulles d'air qui se sont échappées de la fissure, puis il a été placé au congélateur.
Cette manipulation a été répétée une dizaine de fois jusqu'à repérer à l'aide d'une épingle insérée sans forcer dans la fissure, un élargissement de cette fissure.
Cette expérience, plutôt qualitative que quantitative, nous a permis de montrer :
• l'action du gel et du dégel sur l'ouverture de fissures préexistant dans la roche
• que cette action cyclique doit être répétée de nombreuses fois pour être efficace."
(Compte-rendu d'un groupe IDD - L'eau façonne les paysages - 2004)
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Microfissure dans les schistes de la région de Tayyibah.
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B. Altération chimique
1. Observations des roches observées dans la région de Tayyibah
On observe à la surface des roches altérées et dans les fissures, des taches de "rouille" (oxydes de fer), des cristaux entourés d'une auréole de couleur rouille et une poudre fine argileuse. Par contre lorsqu'on casse la roche elle apparaît "saine" à l'intérieur.
La présence de fissures facilite l'altération de la roche sous l'action de l'eau et de l'oxygène de l'air. Cette altération est le résultat d'une réaction chimique (comme il a été mis en évidence expérimentalement en cours de chimie et en IDD avec la formation de la rouille à partir de laine de fer).
2. Mieux comprendre le phénomène d'altération chimique d'un roche à partir de l'étude du granite altéré.
Dans un affleurement de granite d'un massif ancien (carrière, tranchée de bord de route du Massif Central ou du Massif Armoricain) on observe du granite diaclasé en place. Au cœur des blocs on peut prélever le granite sain, en surface des blocs et au pied dans les éboulis naturels, on peut prélever le granite altéré friable et plus bas un matériau meuble, l'arène granitique.
a - Observation d'un granite "sain".
Le granite est une roche qui se forme en profondeur dans la croûte terrestre, elle n'est donc pas visible au moment de sa formation. C'est une roche endogène. Seul un soulèvement (formation d'une chaîne de montagne suivi d'une érosion peuvent faire affleurer la roche et la rendre visible.
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L'image ci-contre présente des phénomènes de désagrégation chimique des schistes observés dans la région de Tayyibah.
On observe parfaitement la formation de dépôts d'oxydes de fer (rouille) à gauche et de poudre argileuse à droite.
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C'est une roche entièrement cristallisée, les cristaux sont soudés et bien visibles à l'œil nu : c'est une roche grenue.
On distingue trois constituants différents :
un constituant noir brillant, la BIOTITE ou mica noir (B)
un constituant gris clair, le FELDSPATH (il peut aussi être rose) (F)
un constituant transparent d'aspect gris plus soutenu, le QUARTZ. (Q)
L'observation d'une lame mince en lumière polarisée confirme que les trois constituants sont parfaitement soudés. L'aspect en lumière polarisée et en faisant varier l'angle de l'analyseur permet de reconnaître les constituants.
La biotite est de couleur mordorée,
le feldspath présente une couleur grise allant du gris clair au noir,
le quartz est transparent.
b - Observation d'un granite altéré.
A l'échelle de l'échantillon, et en fonction de l'altération :
des auréoles de couleur rouille entourent les cristaux de biotite, les feldspaths sont ternes, la roche présente en surface une couleur marron ocre, les cristaux de biotite ne sont plus reconnaissables, les feldspaths sont ocres, une très fine pellicule poudreuse recouvre l'échantillon qui est friable.
Vue macroscopique d'un granite très altéré
A l'échelle d'une lame mince :
un différent aspect des cristaux de biotite en lumière polarisée,
les cristaux de biotite et feldspath sont fissurés.
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Vue macroscopique d'un granite sain poli
Vue macroscopique d'un granite en voie d'altération
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c - Observation d'une arène granitique.
A la loupe, l'arène granitique est meuble, c'est un mélange hétérogène de grains d'argile (A), de feldspath altéré (F), de quartz intact (Q) et de petits fragments de granite pourri (G). La biotite a généralement complètement disparu. L'arène granitique est le résultat de la désagrégation du granite pourri.
Biotite et feldspath sont hydrolysés et oxydés, leur disparition libère les grains de quartz non altérés.
Le quartz est constitué de silice inaltérable, alors que biotite et feldspath sont des silicates composés de la silice associée à des ions sensibles à l'oxydation et à l'hydrolyse.
d - Le devenir de l'arène granitique.
L'eau de ruissellement effectue dès le talus d'éboulis un tri, emportant les grains argileux en suspension et faisant le plus souvent rouler les grains de quartz. Deux sédiments résultent de ce tri :
- se déposant lorsque l'eau devient quasiment immobile ou au contact de l'eau salée (floculation) : l'argile constituée d'un poudre extrêmement fine (dont les éléments ne sont visibles qu'au microscope électronique), résultant de l'hydrolyse et de l'oxydation de la biotite et des feldspaths,
- participant à la formation de bancs qui occupent le lit des fleuves pour atteindre en fin de parcours les plages côtières : le sable formé des grains de quartz.
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Sable et argile sont des sédiments détritiques car ils proviennent de la destruction d'une autre roche, le granite.
Un sédiment est un dépôt qui peut à tout moment être à nouveau déplacé et déposé plus loin par l'agent de transport.
Dans la vallée de Tayyibah, nous avons remarqué que :
• la base des dépôts de terrasse commençaient à être consolidés par un ciment,
• la strate sous-jacente étaient constituée d'un conglomérat très résistant constitué des mêmes dépôts fluviatiles cimentés par le la calcite.
Généralement suite à la superposition d'un nouveau sédiment, le sédiment sous-jacent est compacté, l'eau disparaît, un ciment peut se déposer, le sédiment devient une roche. Ce phénomène de transformation du sédiment en roche se nomme la DIAGENÈSE.
Bilan : la désagrégation du granite produit des sédiments détritiques
Minéraux |
Roche |
Mode de transport
et de tri |
Forme de dépôt |
Sédiment puis roche par diagenèse |
Granite sain |
Granite altéré |
Arène granitique |
cohérent |
Cohérent mais de plus en plus friable |
Meuble |
Quartz |
Silice |
non altéré |
Eau de ruissellement
Vent |
Lits des cours d'eau, plages
Dunes |
SABLE |
Feldspath |
Slicate de potassium, sodium et calcium |
hydrolysé |
Eau de ruissellement
Vent |
Marécages, étangs, estuaires, deltas, mers et océans
Limon de dépressions |
ARGILE |
Biotite |
Silicate d'aluminium et de fer |
hydrolysé et oxydé |
Dans les massifs anciens érodés, au relief vallonné, le granite formé en profondeur lors de la mise en place de la montagne jeune affleure. Le pourrissement, sur place, du granite diaclasé donne naissance à des blocs arrondis. Dans certaines conditions (léger relief et végétation pauvre, l'arène granitique qui occupe les espaces entre les blocs est arrachée et les blocs arrondis, superposés deviennent apparents. Cela donne naissance à un paysage de chaos granitique.
Accès à une animation expliquant de manière très schématique la formation d'un chaos granitique
III. Les éléments qui résultent de l'altération sont arrachés, transportés et déposés.
A. Etude de différents sédiments actuels sableux
1. Résultat comparatif des observations
Les sédiments étudiés sont préparés sur une lame de verre enduite de colle, observée après séchage à la loupe binoculaire (on peut aussi utiliser le microscope avec un objectif grossissant jusqu'à 10x avec un éclairage latéral de la platine). Chaque lame est munie d'une bandelette de papier millimétré pour apprécier la taille des éléments. Images des lames
Origine du sédiment |
Composants |
Forme et aspect |
Taille des éléments |
Classement |
Lit d'une rivière - Sable fluviatile
(région de massif cristallin ancien) |
Feldspath
Quartz |
Grains aux formes assez géométriques, les angles sont arrondis |
de 5 à 0,2 mm |
Très moyen |
Plage - Sable marin (région d'anciens massifs cristallins érodés) |
Felspath et surtout quartz, fragments de coquilles qui font effervescence à l'acide |
Grains assez arrondis toujours brillants en particulier pour le quartz, fragments de coquilles (très variés, anguleux ou usés) et éléments provenant directement de l'érosion de la côte rocheuse. |
de 2 à 0,3 mm |
Assez bon |
Sable de dune - Sable éolien
(région à l'ouest de Miheila, Emirats) |
Quartz, calcite et quelques feldspaths |
Grains très arrondis, plutôt mats, surface des grains piquetée |
autour de 0,1 mm |
Très bon |
Wadi - Extérieur d'un méandre (excursion, prélèvement P2) |
Péridotites,
calcite, schistes verts |
Grains de formes variées plus ou moins arrondies |
de 12 à 1,5 mm |
Très mauvais |
Wadi - Intérieur d'un méandre (excursion, prélèvement P1) |
Péridotites, calcite, schistes verts et argile |
Grains de formes variées plus ou moins arrondies, poudre microscopique (argile) |
de 1 à 0,2 mm et plus petit que 0,01 mm pour l'argile |
Moyen
inf. à 1 mm |
2. Bilan des observations
Le sable de plage est plus homogène, mieux classé, constitué d'éléments plus fins et souvent plus arrondis que celui récolté dans le lit d'un cours d'eau. On remarque dans le sable de plage des "ajouts" sous forme de fragments de coquilles et d'éléments provenant de l'érosion de la côte (ici une falaise).
Le sable de dune est caractéristique d'un transport éolien. Il est parfaitement trié du fait de la force limitée du vent, les éléments sont petits, arrondis, la surface est piquetée et souvent mate. L'aspect piqueté observé avec un grossissement de 40x s'explique par le fait que les grains s'entrechoquent violemment sous l'action du vent dans les régions dunaires.
Les dépôts de méandre. A l'extérieur le courant est fort, les éléments les plus fins sont emportés, les sédiments sont mal triés. A l'intérieur le courant est plus faible, des petites vagues viennent "mourir", formant un petit talus et déposant les éléments les plus fins, y compris de l'argile au somment.
3. En savoir plus
Etude granulométrique de sédiments actuels (Lycée d'Etat de Djibouti, 1998).
- Etude du classement dans un transect de plage (Kor Ambado, Djibouti)
- Etude granulométrique comparée de sédiments actuels à Djibouti. En Travaux.
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Méandre du wadi étudié en excursion
Image de situation
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B. Récapitulation à partir d'un exemple
Le devenir de l'arène granitique, de la montagne à la mer.
Travail (résultats présentés par un groupe IDD) sur les modèles "Rivière expérimentale" et "Maquette ETS" (Jeulin).
Séquences vidéo extraites de "L'histoire d'un grain de sable".
- Schéma élève muet
- Schéma corrigé avec illustrations photographiques
- Présentation par séquences
IV. La roche du sous-sol affecte la nature du sol, la forme du paysage et le type de végétation.
A. Comparaison de deux paysages en France
Les paysages étudiés sont issus de deux régions où la pluviométrie annuelle et la température moyenne annuelle sont quasiment identiques.
Manuel, Bordas, p. 128 - 129.
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Paysage calcaire du Causse Noir |
Paysage d'une région argileuse, les Dombes au nord de Lyon. |
Type de paysage |
Plateau |
Plaine |
Présence d'eau en surface |
Non |
L'eau séjourne sous forme d'étangs |
Sol |
Pauvre, quasiment absent |
Fertile et épais |
Végétation |
Eparse : graminées et rares arbustes |
Riche : cultures |
Nature de la roche-mère
(celle qui affleure) |
CALCAIRE
Roche diaclasée, perméable et soluble dans l'eau |
ARGILE
Roche imperméable lorsqu'elle est mouillée.
En savoir plus concernant le comportement des roches argileuses
en présence d'eau. |
Interprétation |
L'eau de pluie s'infiltre rapidement en profondeur dans le plateau à travers les diaclases (voir le chapitre suivant V qui concerne les paysages karstiques : lapiez, grottes, rivières souterraines).
La végétation est rare par manque d'eau.
Le sol se forme plus lentement et n'est pas retenu. |
L'argile mouillée étant imperméable par gonflement, les eaux de pluie et de ruissellement restent en surface constituant un paysage d'étangs et de marécages Le sol est riche en eau et parfois même tellement gorgé d'eau qu'il est nécessaire de drainer les terres pour les rendre cultivables.
La végétation importante et l'absence de relief sont des facteurs de rétention du sol qui est épais et fertile. |
B. Le sol et le sous-sol
Manuel, 2d, p. 127 et rappel du cours de SVT en classe de 6e.
Le sol est un milieu meuble au contact de la lithosphère (roches de la croûte terrestre), de la biosphère et de l'atmosphère.
Sauf dans les régions à forte pente (massifs montagneux) ou dans les régions arides et semi-arides, le sol recouvre (et masque à la vue) la roche qui affleure.
Sur une carte géologique, c'est la roche qui affleure qui est représentée, le sol ne l'est pas.
Les caractéristiques du sol et de la végétation dépendent en partie des propriétés de la roche-mère.
Dans l'exemple du plateau calcaire du Causse Noir,
- la roche calcaire très perméable et soluble ne retient pas l'eau qui s'infiltre profondément,
- la végétation est parsemée, elle ne retient pas le sol lors des fortes pluies et apporte peu de matières organiques de décomposition,
- le sol est peu fertile, peu épais et souvent absent (les blocs de calcaire affleurent).
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V. Etude des roches calcaires.
Roches sédimentaires très présentes à la surface du globe et dont l'origine et le comportement diffère totalement de celui des sédiments détritiques.
Support : séquences vidéo, manuel et documents sur la géologie des Emirats (région de Ras Al Khaimah).
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A. Ce qui caractérise un paysage calcaire
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Description de paysages calcaires du Nord des Emirats
(Piste dite "Strategic" entre Dibba et Ras Al Khaimah, à la frontière avec Mussadam en Oman )
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Les roches sont disposées en strates (= couches ou bancs). Les strates sont toujours disposées horizontalement lors de la sédimentation.
Les bancs calcaires sont diaclasés, ce qui facilite l'infiltration rapide de l'eau de ruissellement avec dissolution de la roche. Cette propriété est à l'origine de la formation de lapiez (Manuel, 1a p. 142).
Les cours d'eau creusent généralement des vallées profondes aux parois verticales (Manuel, 2dc, p. 147).
B. Propriétés des roches calcaires et conséquences sur le paysage
Support : séquences vidéo, expérimentations (effervescence à l'acide, solubilité dans l'eau enrichie en CO2), observation d'échantillons.
Les roches calcaires font effervescence à l'acide. Cette propriété est utilisée pour reconnaître la présence de calcaire dans une roche.
Les roches calcaires sont plus ou moins dures. Elles sont toujours rayées par l'acier (un clou, par exemple). La craie est tendre et très friable.
Description d'un paysage crayeux (la falaise de Seven Sisters en Angleterre)
La nature chimique du calcaire est le carbonate de calcium dont la formule chimique est CaCO3. Le carbonate de calcium pur est un minéral cristallisé : la calcite (lors de l'excursion nous avons observé des filons de calcite dans les schistes et les péridotites).
La forte solubilité du calcaire à l'échelle du paysage (en présence de dioxyde de carbone dissous dans l'eau) est responsable de la grande variété de paysages souterrains du plateaux calcaires (paysages karstiques).
- Grottes creusées par dissolution de la roche,
- Stalactites et stalagmites construits par dépôt de carbonate de calcium à l'endroit où les gouttes d'eau tombent du plafond de la grotte et à l'endroit où elles s'écrasent sur le sol de la grotte.
Mise en évidence expérimentale des phénomènes de solubilité et de précipitation du carbonate de calcium en fonction de la concentration du dioxyde de carbone dissous dans l'eau.
C. La formation des roches calcaires - Comment reconstituer un paysage ancien.
Support : séquences vidéo, expérimentation (visualisation de la formation de fines particules calcaires en suspension et de leur sédimentation, mise en évidence de la présence d'argile dans un calcaire argileux), observation d'échantillons et de fossiles.
1. Les indices
Le géologue réalise, comme le policier, une enquête sous la forme d'une recherche d'indices. L'interprétation des indices doit mener la géologue à proposer un scénario permettant d'expliquer le déroulement des phénomènes qui ont permis la mise en place du paysage observé actuellement. Plus les phénomènes sont anciens, plus les indices sont difficiles à interpréter (ils ont été effacés ou modifiés).
Disposition en strates. Dans une disposition horizontale des strates, la strate située au-dessus est plus récente que celle située au-dessous (rappel des observations faites en excursion).
Les roches calcaires sont rarement pures comme d'ailleurs la plupart des roches sédimentaires (Manuel, p. 143). Le calcaire contient souvent une proportion plus ou moins importante d'argile (les boues argileuses et calcaires en suspension, précipitent dans les mers dans des conditions similaires).
Par dissolution du carbonate de calcium, l'argile reste formant des poches (les dolines des plateaux calcaires du Causse).
Présence de coquilles fossiles d'animaux marins : nombreux Mollusques (Gastéropodes, bivalves et céphalopodes comme les Ammonites), Echinodermes (Fragments de tests et de piquants d'oursins), Foraminifères appartenant au plancton (observés au microscope), Coccolithes (photographie en microscopie électronique, Manuel, p. 163), des coraux…
- On en déduit que :
- la roche s'est formée dans les mers ou les océans (près des côtes ou au large selon le mode de vie des fossiles trouvés). Exemple les gastéropodes et les bivalves vivent près des côtes dans le sable ou sur les rochers, par contre les grands céphalopodes comme les Ammonites aujourd'hui disparue vivent au large.
- la roche et les fossiles qu'elle contient sont du même âge.
- Il existe des calcaires pouvant contenir des fossiles de Mollusques d'eau douce, ce calcaire est alors d'origine lacustre.
Les fossiles permettent de :
- dater la roche qui les contient (une espèce n'a généralement existé à la surface de notre planète que durant quelques millions ou dizaines de millions d'années),
- déterminer le milieu qui existait à l'époque de la sédimentation (climat, milieu continental ou marin, près des côtes ou au large).
Exemple un calcaire corallien indique qu'au moment de sa formation, l'endroit se trouvait être une mer peu profonde et que le climat était tropical comme actuellement en Mer Rouge.
Des boues calcaires se déposent (dans les mers ou au niveau d'une résurgence au pied d'un plateau calcaire) :
- par évaporation de l'eau enrichie en calcaire dissous - origine physique,
- par appauvrissement de l'eau en CO2 sous l'action des plantes vertes aquatiques qui utilisent le CO2 pour leur photosynthèse - origine biochimique.
Le calcaire a aussi une origine biologique (craie, calcaire corallien, calcaire grossier fossilifère).
2. Le cycle du calcaire
L'érosion des reliefs calcaires est très différente de celle des reliefs granitiques. Au niveau des plateaux calcaires, les roches calcaires sont principalement dissoutes et non dégradées. L'eau d'infiltration et de ruissellement se charge en carbonate de calcium dissous et le transporte. Par différents phénomènes (physiques, chimiques, biochmiques ou purement biologiques), le calcaire passe à nouveau à l'état solide en précipitant ou en participant à la construction d'organes de protection (coquilles, récif corallien,…). C'est pourquoi on peut parler de cycle du calcaire.
Schéma
Schéma élève muet
VI. Application des acquis - Reconstitution d'un paysage : les Monts d'Arrée en Bretagne
Support : vidéo "Un Himalaya breton" (CNDP). Utilise des savoirs hors programme de 5e mais abordés lors de l'excursion qui introduisent le programme de 4e.
A. Les indices et leur interprétation
Indices |
Observations |
Interprétation |
Les schistes |
Roche cohérente, feuilletée, plissée, formée à partir de roches argileuses |
Pour devenir du schiste, l'argile a dû perdre ses propriétés en s'enfonçant sans l'écorce terrestre.
Les plis indiquent que les schistes ont subi des forces convergentes (compression) dont résulte une collision. |
Les quartzites |
Ce sont des dépôts sableux compactés, soudés sous l'action de la température et de la pression. |
Comme précédemment pour l'argile, cela indique un enfoncement dans l'écorce terrestre. |
Présence de fossiles |
On reconnaît : des trilobites (disparus il y a environ 250 Ma), des brachiopodes et des coraux (qui vivent actuellement dans des mers où l'eau est chaude, claire et peu profonde).
Ces fossiles sont déformés. |
Les fossiles et la roche qui les contient s'étant déposés en même temps et au même endroit, on en déduit que les sédiments à l'origine des roches se sont formés dans des mers chaudes et peu profondes, il y a plus de 250 Ma. La déformation des fossiles confirme que les roches ont ensuite subi des plissements (forces convergentes). |
Granite |
Roche cohérente entièrement cristallisée. N'est pas une roche sédimentaire. |
Cette roche s'est formée en profondeur (plusieurs km) dans l'écorce terrestre. Sa présence en affleurement indique une forte érosion qui a permis de la mettre à jour. |
B. Reconstitution simplifiée de l'histoire géologique de la région des Monts d'Arrée
- Il y a plus de 25 Ma, dans une mer chaude claire et peu profonde, de l'argile et du sable se sont déposés avec les restes coquillers d'animaux marins morts.
- Enfoncement dans l'écorce terrestre, avec action de la pression et de la température. On observe une diagenèse des sédiments.
- L'argile devient du schiste.
- Les sables se transforment en quartzites.
- Formation d'une chaîne de montagnes (plis et fossiles déformés = forces convergentes).
- Erosion de la chaîne de montagnes rendant visibles des roches qui étaient auparavant enfouies; les schistes, les quartzites et le granite formé originellement en profondeur.
VII. D'autres roches et les paysages associés
T.P. constituant une étude comparative de différentes roches à partir d'échantillons et de photographie de paysages où ils ont été récoltés.
Les documents photographiques (en travaux)
Disponible : les évaporites
Le document à compléter (PDF à imprimer et photocopier au format A3)
Le corrigé
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