La lithosphère – partie A

1. La lithosphère – partie A Généralités et principes – notions de base – le temps géologique - processus types de mise en place Exemples Denise Fontaine – UQAM – Sciences de la terre et de l’Atmosphère

2. Références éducatives • Activités pédagogiques – enseignants • Vidéo : • Ier cycle secondaire – activités pédagogiques – élèves • Éducation Ministère des ressources naturelles • Outils éducatifs du MNRF • Année polaire internationale • http://climatdemain.ipsl.jussieu.fr/p3.php

3. Pierre Pagé. 1999, Les grandes glaciations, 2e éd. Guérin, UQAM. • Landry, B., Mercier M., Notions de géologie, éd. Modulo, 3e édition, 1992. • Bases-Terres du St-Laurent • Travaux étudiants – pétrographie – UK Geological Society; • Introduction aux processus sédimentaires – vidéos. • Centre géo scientifique – INRS - enseignants

4. Commission géologique du Canada Formes géologiquesGéopanorama- Canada Mont-Royal et Montérégiennes (Montréal) Début de la vie sur terre – stromatolithes Glaciaire 13000 ans

5. Histoire de la science Sciences naturelles = observations Sciences naturelles = descriptions Chaque science dite naturelle a développé son vocabulaire … tout en parlant des mêmes phénomènes. Exemples: géomorphologie – pétrographie – géotechnique - pétrologie – géographie minéralogie – géochimie – pédologie – agronomie – hydrogéologie… Tous ces spécialistes parlent de la terre… chacun à leur façon.

6. But de chaque science Chacune de ces sciences est spécialisée et est orientée vers un domaine spécifique: Géologie d’exploration: détecter les mines de métaux usuels ou rares; Géomorphologie : comprendre la mise en place des paysages terrestres – vallées - bassin versants- rivières – collines – glaciers; Géochimie: déterminer la nature des composants, d’analyser les roches, de les dater; Géologie structurale : comprendre la forme des structures du sous-sol, faille, chevauchements etc.

7. Méthode scientifique – cycle • Observations; • Banque de données; • Réflexion, comparaisons régionales, continentales, mondiales; • Hypothèse(s); • Re-observations; • Mesures de plus en plus sophistiquées; • Re-banque de données.

8. Taille des phénomènes: du micron au volume terrestre • Éléments chimiques: distribution terrestre connue; • Minéraux: cristaux visibles en blocs homogènes ou millimétriques; • Minerais: zone de concentration monstrueuse (anomalie) d’un ou de plusieurs métaux ; • Roches: de la taille de kilomètres ou cailloux; • Sols- pédologie : particules assez petites à très fines – parfois organique; • Sédimentaires: produit qui sont meubles ou qui l’ont été avant d’être parfois indurés (métamorphisme); • Volcaniques ou ignées : proviennent du magma sous-terrain et déposés en ou près de la surface de la terre; • Morphologie des paysages: côtes, plaines, vallons, bassins versants, montagnes jeunes ou âgées.

9. Abondance des éléments chimiques

10. Minéral - définitions • Espèce chimique naturelle se présentant le plus souvent sous forme de solide cristallin; • Phase homogène se formant habituellement lors de la cristallisation - terme parfois limité aux phases cristallines, inorganiques; • Élément ou composé chimique naturel, constituant de l'écorce terrestre; • La classification est basée sur les formes cristallines; • Un minéral est la forme normale d’un composé chimique – naturel ou artificiel.

11. Minéral - Wikipedia • Taille des minéraux : de 1micromètre (µm) à des blocs de quelques mètres; • Les minéraux forment la roche et une grande partie des sols; • La forme géométrique de leur cristallisation détermine leur caractéristiques physico-chimiques. EXEMPLES Le quartz et les montres = piézoélectricité Découverte des frères Pierre et Jacques Curie en 1880 Magnétite = effet d’attirance des composés de fer. Formule Fe2O4 -----mais aussi FeO. FeO3 – 1100oC

12. Calcite – propriété - polarisation Forme de losange «rhombe» dit rhomboédrique qui polarise la lumière D’où le moyen de suivre le soleil non polarisé puisque le spath d’Icelande dépolarise la lumière du soleil qui est polarisée par l’atmosphère. On l’avait baptisé la pierre de soleil. Voir la référence historique Vikings qui suit.

13. « On sait que des Vikings, cinq siècles avant Christophe Colomb, ont gagné le Canada et sans doute les États-Unis en longeant le Groënland », explique Albert Le Floch, ex-professeur de physique à l'université de Rennes « Mais ils ne pouvaient pas s'aider des étoiles pour se diriger ni de la boussole qui n'a été inventée qu'au treizième siècle. Et même s'ils disposaient d'une boussole, la proximité du pôle magnétique l'aurait rendue quasi inutilisable. » Pierre de soleil Comment maintenir le cap sur d'aussi longues distances en faisant fi de conditions climatiques pouvant être désastreuses? 2e piste: la découverte, en 2003, dans une épave d'un navire anglais gisant depuis quatre siècles près de l'île anglo-normande d'Anderley (Aurigny), d'un cristal à la configuration d'un Spath d'Islande. Mais que faisait-il sur un bateau anglais qui disposait déjà d'une boussole? « Ce navire était équipé de lourds canons en fer. Or ces masses métalliques pouvaient dérégler la boussole. » Expérience: prendre une boussole, la placer juste à côté une simple clé de voiture! Elle perdra le nord vite fait! Pas le cristal. Dispositif en bois dans lequel on a placé un de ces cristaux. Un dispositif ingénieux. « Il suffit de le pointer vers le ciel, de faire tourner le cristal et on détermine la direction du soleil. 

14. Système cristallin - 7 classes Quelques formes simples du système cubique

15. WEB Minéral - minerais Minéral : Composé chimique distinct se produisant en nature inorganique, ayant une structure moléculaire ou un système définie de cristallisation et de propriétés physiques bien définies, constitue des espèces minérales » (brosse et Penfield, 1898). Peut être synthétique. On produit du quartz synthétique pour les montres. Modèles cristallographiques : papier déplié Exemple Quartz Minerais  Roche qui contient des minéraux que l'on peut extraire - Concentré Exemples: le minéral sulfure de zinc (sphalérite) (Zn,Fe)S = source de zinc le minéral de sulfure de cuivre (chalcocite) Cu2S = source de cuivre

16. Les systèmes cristallins • Le système Cubique. • Le système Tétragonal. • Le système Hexagonal. • Le système Rhomboédrique. • Le système Orthorhombique. • Le système Monoclinique. • Le système Triclinique.

17. Microscopie des minéraux Exemple: mica noir ou biotite Les lames minces sont de 40 microns d’épais. Vision en lame mince lumière polarisée

18. Mica des grilles pain anciens Exemple: mica blanc ou muscovite Les lames minces sont de 40 microns d’épais. Vision en lame mince lumière polarisée

19. Les aimants – magnétite minérale Ce que fait l’aimant Source du phénomène Le type de mélange de Fe2+ et Fe3+ Des molécules d’oxyde de fer noir dans l’oxyde de fer rouge Structure cristalline assez précise pour être déterminée par la diffraction de rayons -X – octaédrique et tétraédrique; Son nom minéralogique naturel : magnétite maghémite et magnéto ferrite (synthétique)… • Il attire et retient les métaux ferreux exclusivement. • On peut jouer avec les aimants en testant leur susceptibilité magnétique: • Canette de boissons, • Cartons, • Fer –aiguilles, tôles, • Acier inoxydable, • Aluminium, • Plastiques…etc • L’aimant sert de générateur électrique dans les moteurs….

20. Vers des bandes, disques et disquettes informatiques et les éoliennes • En dessous du point de Curie (environ 800oC) on observe une évolution du cristal. Les propriétés magnétiques du matériau changent pendant le refroidissement lent et sous un champs magnétique orienté et de force calibrée. De sorte qu’il y a une multitude de produits magnétiques. • Dans exemple ci-dessous, la Maghémite est métastable. Cette forme cristalline la propriété de réalignement par un champs magnétique ce qui signifie : d’effacer et de réenregistrer sur le même bande magnétique. (idem pour les disquettes…) • En ajoutant des Terres Rares (néodyme) au Fe2O3 gamma, les aimants deviennent de super aimants utilisés entre autre pour la fabrication d’un générateur d’éolienne.

22. Le magnétisme et la terre – géophysique du globe

23. Effet du magnétisme sur les roches Pendant le refroidissement du magma, les oxydes de fer cristallisent, forme des magnétites qui s’orientent dans la direction des pôles magnétiques. Or les pôles se sont inversés… Ce phénomène permet de découvrir l’emplacement les continents lors de la cristallisation de la roche en comparaison avec leur site actuel. La magnétite est un indice chronologique important pour représenter l’évolution des continents à la surface du globe durant 4,6 milliards d’années.

24. Propriétés physiques et chimiquesdes minéraux inorganiques Physiques • Stabilité thermique • Susceptibilité magnétique • Fragilité – dureté • Ductilité • Exothermie ou endothermie sous l’effet de la chaleur. Chimiques • Valences • Ionisation • Réactions chimiques • Oxydation • Réduction • Exothermie ou endothermie lors des réactions chimiques ou la mise en solution.

25. Minerais de fer et de cuivre

26. Lithologie - Roche volcanique (ignée) – métamorphique et sédimentaire Volcanique Matière silicatée provenant de la fusion totale ou partielle qui se met en place suite à une grande pression en raison de la profondeur, de la compression latérale, d’un épanchement magmatique ou explosive. Sédimentaire Matière silicatée provenant de l’érosion des roches volcaniques qui est en général déposée par l’eau sous forme de strates ou de bancs. L’eau provient des glaciers qui fondent, des mers qui envahissent les continents, des fleuves qui débordent, suite à un changement isostatique. Métamorphique Roche (ignées ou sédimentaire) ayant subit les effets de la chaleur et de la pression.

27. Roches ignées ou volcaniques La pétrologie classifie les roches volcaniques par leur contenu en silice ou en fer et en feldspaths Plus il y a de Q plus la roche est visqueuse à chaud et plus il y a du fer, plus elle est fluide. Cette science tient compte de la présence de Al, de Mg, de Ca ou d’alcalis (Na-K). Classification minéralogique selon la quantité de minéraux présents Minéraux Q = Quartz A = Feldspath alcalin P = Plagioclase F = Feldspathoïde

28. Classification chimique Les minéraux sont classés en fonction de leur contenu chimique. La valeur en SiO2 (Q) varie de 37% à 77%. Autres éléments : K , Na et Fe.

29. Ignées intrusives - extrusives

30. Roches volcaniques (ignées) • Les volcaniques sont en général dures. • Ce sont souvent des roches en place qui signifie qu’elles ont été formées là où on les trouvent (socle ou volcanisme récent). • Les cristaux sont dans la masse, ils se forment lors du refroidissement. • Plus le taux de fer augmente, plus elles sont oxydées et s’altèrent. De noirs elles deviennent rougeâtres et tendres. • Les roches s’effritent, les oxides ou sulfures se dissolvent, elles sont érodées. • En général les cailloux et les sables qui se forment suite à l’érosion sont des quartz ou des feldspaths résiduels.

31. Roches sédimentaires • Vue de coupe, les sédimentaires sont souvent litées. • Vue en surface : elles sont craquelées par l’assèchement si elles sont riches en argiles. • Les argiles sont le résultats du broyages des roches de tous types. Leur taille est < 4 µm. Micron = 0,001 millimètre.

32. Cémentation des sédimentaires • Dans le grand processus de recyclage des minéraux les produits de l’érosion créent de nouvelles roches : les sédimentaires (grès, l’ardoise, le schiste, le gneiss…) • Leurs grains sont des minéraux très peu solubles dans l’eau comme le quartz, les corindons, les zircons, les feldspaths, la syénite néphéline…. • L’eau en contact avec les roches en place s’est minéralisée en s’attaquant aux minéraux les plus solubles : calcite, mica et ferromagnésiens… • Ces fluides circulent entre les grains : éléments principaux : Ca, Fe, Na, K … • La compaction avec le temps, chasse l’eau en périphérie et les grains finissent par se toucher. • Des précipités provenant des fluides lient les grains entre eux.

33. Les sédimentaires d’origine marine Les roches sédimentaires d’origine marine (eaux saumâtres aussi) contiennent toujours des poissons fossilisés, des invertébrés, des coquillages. C’est leurs indicateurs visuels principaux. Les sédimentaires des berges par contre, renferment des fossiles de plantes et de spores. Ces découvertes permettent de dessiner les contours. (Miguasha)

34. Minéraux-témoins du niveau de métamorphisme = pression et chaleur Leur présence dans une roche métamorphique est toujours indicatrice de métamorphisme et de l’intensité pression-température atteinte. Les métamorphiques résultent d’enfouissement profond, de pression latérale lors d’orogénèses, de chaleur suite à une intrusion magmatique… Grenats http://www.geowiki.fr/index.php?title=M%C3%A9tamorphisme#Le_m.C3.A9tamorphisme

35. Oxydation – dissolution - recristallisation Pyrite Oxydation de Pyrite Sulfate de fer ou Jarosite

36. Diffraction de rayons X Pyrite Jarosite

37. Recyclage de la roche Ségrégation minéralogique pendant ce cycle

38. Sols et dépôts meubles • Matériel détritique = Dépôt meuble • Résidu d’altération quelques soit le mécanisme - il n’est pas consolidé; • S’il est consolidé = roche sédimentaire; • Sol agraire = Matériel détritique • Mais riche en matière organique, • En oligo-éléments, • Colonisé par une faune microbienne et autres.

39. Lithologie du Québec /Canada

40. Dépôts meubles – Île de Montréal – École polytechnique de Montréal http://www.cours.polymtl.ca/glq1100/pdf/Prest_mtl_net.pdf

41. Pierres architecturales • En 2007, on dénombrait 98 carrières actives de pierre architecturale au Québec inventoriées dans 52 localités. • Dans ces carrières, on exploitait principalement : • des roches des suites anorthositiques, charnockitiques et granitiques pour la production de pierre dimensionnelle; • de la stéatite, la pierre à savon et la serpentinite pour la sculpture et pour la production de plaques réfractaires; • des ardoises pour la production de tuiles à toiture et de dalles; • des calcaires, des grès, des marbres, des schistes et des gneiss pour la production de pierre dimensionnelle et de pierre d’aménagement paysager. • Classement par couleur • Classement par types pétrographique

42. Pétrographie - Définition • Ensemble des caractères macroscopiques des roches, notamment des roches sédimentaires et détritiques (composition minéralogique, texture, couleur etc.). • Science qui étudie l'origine, l'histoire, la structure, la composition chimique et la classification des roches. • Étude des roches. • Étude géologique ayant pour but de reconnaître l'architecture des roches et leur composition. • Science qui étudie les couches du sial et du sima de la croûte terrestre, et particulièrement les roches elles-mêmes et la distribution de leurs éléments. • Étude des propriétés physiques et de l'aspect des roches. des granits; des grès; des gneiss; un marbre.

43. Exemples d’usages de minéraux et de roches

44. Produits québécois - Granicor Roches ignées - granitiques Compagnie du Lac-Saint-Jean, fondée en 1922 par Eugène Robitaille -

45. Pierres anciennes – ville de Québec Roches métamorphiques Pierre calcaire à fossiles- Plateforme du St-Laurent Pierre argileuse du Cap Diamant Souvent calcaire aussi Grès verdâtre exploité à Sillery et Cap-Rouge

46. Héritage Montréal

47. Carte du 19e siècle

48. Exemple - formule chimique vs forme cristalline - Al2O3 Formule chimique : Al2O3 = 55% Al Forme Alpha = corindon - naturelle = saphir (traces d’oxyde de titane) = rubis (traces d’oxyde de chrome) Fusion : à 2050oC Insoluble dans les acides même acide fluorhydrique Sert à faire des prothèses de hanche – gemmologie – produits d’usure – papier sablé (émeri) – Formule chimique: δ Al2O3 = 55% Al Forme gamma = δ alumine Absente avant 600oC Décomposition: vers 1130oC en corindon Fusion : aucune Solubilité dans les acides Sert à la préparation d’aluminium métal avec fluorure de calcium

49. Exemples Al2O3 ou ZrO2 - minéraux Couteaux de cuisine –ZrO2 Bougie d’allumage - Al2O3 Prothèse de hanche Produits industriels divers en céramiques Rio-Tino-Alcan