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Cours complet du semestre 2 "Matériaux écorce terrestre" L1CSV
Professeur : Monsieur Cuvilliez...

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Cours de géologie Les matériaux de l’écorce terrestre Introduction Diapo 1 : La composition chimique de l'univers et terrestre est représenté dans le tableau qui n'est pas a connaître, il faut connaître l'essentiel. 4 élément dominent et représente à eux seul 90 % de la croûte terrestre :Oxygène Silicium Fer et Magnésium Sur la compo chimique du globe l'abondance de ces élément est de 10% 95% du volume de la croûte continentale est composé de minéraux silicaté. Oxygène et Silicium représentes 74.3% de la composition des minéraux. Diapo 2 : On fait de la minéralogie Il faut distingué les minéraux et les cristaux : Un minéral : est une espèce chimique, il est caractérisé par un composition chimique Un cristal : est l'expression physique de minéral On appel cela un solide cristallin. Le solide cristallin a une structure cristalline = l'agencement dans l'espace d'ions ou de groupement d'ion La structure cristalline caractérise le cristal Abbé Haüy a découvert la cristallographie : Il avait un cristal, un bloc de calcite sur sa table et la fait tomber sur le sol, les morceau cassé avait le même forme que la roche de base. Ce que l'on voit a l’échelle macroscopique correspond a l'assemblage des ion a l’échelle microscopique. Il faut donc garder en mémoire la dualité minéral/roche Roche mono minéral constituer d'un seul minéral ex : la craie est constitué de calcite CaCO3 Mais la plupart des roches sont pluryminéral Photo 2 : granite constitué de minéraux blanc les feldspath, de minéraux translucide le quartz et de minéraux accessoire noir : mica noire (biotite) Photo 1 : un cristal de quartz qui a pu grandir dans un cavité ce qui lui donne quasiment l’aspect de sont habitus→ cristal qui a pu croître sans contrainte 1

La formes des cristaux donnera donc des info sur leur modalités de formation Diapo 3 : Quartz → SiO2 Photo 1 : on voit un cristal automorphe Un cristal qui présente sont habitus, il a pu croître sans contrainte, ce quartz est fait artificiellement Les roches volcanique qui ne sont pas complètement cristallisé présente fréquemment des cristaux automorphe Photo 2 : Géodes : cavité dans laquelle les cristaux ont pu se former sur la gangue. Gangue : la parois des géodes, on a donc un cristal subautomorphe. Photo 3 : un grain de quartz dans un granite, la roche entièrement cristallisé présentes des cristaux qui aux terme de leur formation sont rentrés en contact. Leur faces ne correspond donc pas a celle d'un cristal automorphe, on parle de cristaux xénomorphe. Si il n'est pas automorphe il est subautomorphe. 1 Géométrie des cristaux 1.1 Constitution des cristaux Diapo 4 : Les cristaux sont définit par des formes que l'on peut modéliser : 1- Un cristal est constitué par un ensemble de nœud. Un nœud est un ion ou groupement d'ion. La croissance des cristal se fait par une translation periodique autour d'un axe appelé rangé. Cette rangé va elle même subir une multiplication dans un plan appelé plan réticulaire. En fonction des plan réticulaire on aura différents réseaux cristallin. 5- Ces plan réticulaires vont subir une troisième translation périodique qui va former le réseaux cristallin. Le réseaux cristallin observé est la polymérisation d'une maille primitive encore appelé maille élémentaire maille simple. Diapo 5 : Dans la nature il y a 7 maille élémentaire. 1 Maille cubique 2

Elle est caractérisé par 3 vecteur a b c qui convergent en un point ce qui permet de définir trois angles alpha beta et gama Il faut écrire : - a=b=c et - alpha = beta = gama = 90° ex : Halite → Le sel gemme NaCl Pyrite (ou or du fou) → FeS2 (formé en milieux anoxique) Galène → C'est de sulfure de plomb PbS 2 Le quadratique - a=b différent de c - alpha = beta = gama =90° Zircon (utilisé dans les datation) → ZrSiO4 il se substitut à l'uranium, le cristal est donc rarement pure, il permet la datation de la roche le Rutile → TiO2 oxyde de titanium 3 Orthorhombique - a différent de b différent et de c - alpha=beta=gama=90° (Réseau en fonction des rayons ionique) Andalousite → Al2SiO5 silicate d'aluminium (caractérise haute température et basse pression) Olivine → (FeMg)2SiO4 (qui est normalement orthorhombique) Aragonite → CaCO3 Carbonate de calcium qui se forme a de basses pressions dans l'eau ou bien qui est élaboré par les lamellibranche. 4 Réseau monoclinique Il y a une inclinaison - 2 des 3 angles sont a 90° mais le troisième diffère de 90° - Part ailleurs les trois longueur sont différente Orthose → KalSi3O8 un silicate par excellence Gypse → CaSO4,2(H2O)Sulfate de calcium hydraté qui est utilisé pour la fabrication du plâtre, ou présent dans les rose des sables. 5 Triclinique - Alpha beta et gama sont différents de 90° - et les trois vecteurs a b c sont différente Le disthène → Al2SiO5 silicate d'alumine anhydre le disthène est un minéral qui se forme a moyenne pression (andalousite basse pression) 6 Rhomboédrique A comme particularité que - a=b=c et - alpha=beta=gama mais ils sont différent de 90° La calcite → CaCO3 , sous l’effet de la diagenèse l'aragonite se transforme en calcite 3

7 Effet hexagonal - a=b différent de c - Alpha =beta= 90° mais gama =120° Quartz : il existe plusieurs types de quartz ici on a un quartz beta qui caractérise une cristallisation a haute température > a 573° Sous l'effet de la pression et de la température il y a fréquemment des insertion de nœuds dans ces mailles élémentaire il apparaît donc des mailles multiples diapo 6 : fig 3 Exemples du cube : - Les nœud s’insère au centre de chaque maille simples la maille est dite centré/maille cubique I maille P mailles primitive - Les nœud peuvent s’insérer sur deux faces opposé au centre de chacune d'elle, cette maille est dite de base centré noté C ou cube C - Il existe des insertions de nœud qui peuvent se faire sur chacune des faces de la maille P Le cristal est défini comme de type F encore appelé face centré. Diapo 7 : Il existe 14 réseaux par insertion de nœud supplémentaires dans les maille P, on parle des 14 réseaux de Bravais. Beaucoup de boucliers sont fait de minéraux de type F car ils sont très compactes et solide. L’olivine est orthorhombique mais peut former un chondre et forme les météorites → formation de minéraux dans l’espaces. 1.2 Les troncatures Diapo 8 : Elle sont par définition une altération de la maille cristalline, ces troncature prennent des aspect variable en fonction des problèmes rencontrés lors de la cristallisation. Photo 1 :Pyrite est normalement cubique elle a rencontré des problèmes lors de sa croissances. Ils y à trois origines des troncatures : -Les troncatures surviennent lorsque les ions nécessaire à la charpente cristalline viennent à manquer. -Elle surviennent également lorsque les paramètres physico-chimique changent lors de la cristallisation. 4

-Les troncatures surviennent lors d'un retour à des conditions thermodynamique qui vont altérer les faces cristallines. On utilise l'acide fluorhydrique qui dissout même quartz. Photo 2 : Pour le réseaux cubique les troncature apparaissent majoritairement au sommet et peuvent se développer ensuite dans le centre du cristal, le cube devient un octaèdre. Les troncature modifient la symétrie du cristal 1.3 Les symétrie cristallines Diapo 9 : Chaque cristal présente une ou plusieurs symétries en l’absence de troncatures. Ces symétrie permettent de définir le cristal non plus sous la forme d'un dessin mais sous la forme d'une formule qui intègres toutes ces symétries Il existes trois types de symétries : 1 Symétrie centrale : le centre de symétrie est situé au centre du cristal et permet à partir d'une face d'en retrouver une autre à égale distance de la face initial. 2 L'axe de symétrie : les nœud d'une face peuvent se retrouver périodiquement sur une autre face du même cristal après une rotation autour d'un axe selon un angle de 2 pi sur x. x est l'ordre de l'axe du cristal étudié, il existe 4 ordre d'axes dans la nature. Trois axes d'ordres paire les axes d'ordre 2, 4 et 6 et un axe d'ordre impaire 3 Les réflexion : c'est un plan qui traverse le cristal et qui correspond a un miroir, dans la nature les symétries d'ordre M sont perpendiculaires aux axes qui les traversent. Si on a un axe d'ordre Diapo 10 : 3 Il existe les axes de symétrie inverse(Ā) : Ces axes inverses couplent à la fois un axes de rotation et un point d'inversion noté C. Une symétrie inverse d'ordre 3 dans un même cristal il peut exister plusieurs axes du même ordre si il y à trois axes d'ordres 2 : on écrit 3A2 si il existes des axes d'ordre 4 dans ce même cristal on notera A'4 si il existe un ou plusieurs axes d'ordre 6 toujours dans ce même cristal on le notera A''6 1.4 Opérateurs et classes de symétrie 5

Diapo 11 : La formule de symétrie du cube ; Il n'est pas obligatoire de placer les miroir sous les axes, il faut toutefois garder le bon nombre de chacun d'eux. Diapo 12 : Formule des 7 systèmes Il faut connaître les formules une des 5 première Diapo 13 : Les troncature altèrent la symétrie des cristaux ce qui modifie leur formule de symétrie, un cristal parfait dit automorphe est dit holohédrique, Si des troncature altèrent sa symétrie il devient Mériédrique(perdu une partie de la symétrie) Si à cause des troncature, la symétrie est divisé par deux il devient Hémiédrieque, une forme de Mériédrie. L'hémiédrie varie en fonction de la localisation des troncature elle peut être pyramidale si la perte de symétrie se fait aux extrémités du cristal. Enfin elle peut être énantiomorphe lorsqu'elle touche la moitié des faces du cristal étudié L'apparition des troncature fait passer de 7 symétrie/14 formules possible a 32 classe de symétrie possible On arrive à 32 classe de symétries possible Diapo 14 : pas a retenir 1.5 indexation des faces cristallines L'indexation des faces facilite la modélisation du cristal étudié. Il existe 3 mode d'indexation majeur Première méthode les indices de Weiss : Une face cristalline peut couper les trois axes de la maille élémentaire, dans cette exemple la face jaune coupe ''a'' au 4ème nœud, la face ''b'' au 6ème et ''c'' au 2ème Cette face est donc indexé sous la forme (462). Toutefois cette index peut être simplifié et Weiss retient → (231) On utilise donc les indices de Miller, prenons le cas de la face G : il faut prendre les 6

indices de Weiss les mettre en inverses les trois valeur obtenus sont placé au même dénominateur et on retiendra les trois numérateur dans l'ordre de l'indice de Miller. Diapo 18 : Nomenclature international : il existe une façon de noter les faces, elles sont notées entre parenthèse, si les indice sont entre crochés on s'adresse a une rangée de nœud. La notion de famille : lorsque 3 indices sont placée entre accolade toutes les faces symétriques à celle indiquée font partie de cette famille. ex : {100} nous somme dans un cube alors la face {100} a comme autre éléments de sa famille toutes les faces du cube, donc elle a 6 éléments. Il suffit de faire des combinaisons de la face indiqué entre accolade sans oublier les symétries inverses :(100) (010) (001) (-100) (0-10) (00-1)

2.Croissances des cristaux 2.1 Modalité de croissances et conséquences Diapo 19 : Croissance d'un cristal automorphe qui est cubique dans le liquide : halite cube de sel. Tout part d'un germe : Un germe apparaît lorsque les condition thermodynamiques permet la stabilité d'un groupement d'ions. Ce groupement d'ion n'est pas électriquement neutre et est en déséquilibre chimique avec l’environnement qui l'entour. Il va attirer d'autres ions ou groupements d'ion situés dans cette environnement immédiat, c'est la nucléation → naissance d'un cristal. Photo c : Elle se fait en trois dimensions, elle va donc se faire par couches successive. Des faces vont apparaître qui vont matérialiser la vitesse d'assemblage et donc de formations du cristal. L'assemblage se fait à la même vitesse dans les trois dimensions. Lorsque les cristaux sont plus complexes (fig e-f) on peut observer des vitesses de croissances variables dans les trois dimensions. (Fig f) La forme définitive d'un cristal dépend de la vitesse avec laquelle il à pu croître des les trois dimensions ce qui est contrôlé par les conditions thermodynamique mais également par les éléments chimiques qui vont être a sa porté lors de sa croissance. Pression-Température-chimie du bain 7

Diapo 20 : Nucléation : début de formation du cristal. Lorsque la nucléation débute le cristal est automorphe. Ces cristaux très petit porte le nom de cristallites. Si ces cristallites ont des formes aciculaire (en aiguilles ) on parle d'axiolit(h)e . Donc la croissance dans le bain se fait de manière aléatoire car la composition chimique du bain est hétérogène. On a donc une structure hétérogranilaire qui matérialise des grains s'étant formés en même temps mais à des vitesses différentes. Il va y avoir interpénétration qui va conduire à une cimentation de la roche, les joints qui apparaissent vont donner à l'arrivée des cristaux xénomorphe. Si les conditions thermodynamique changent durant la cristallisation celle-ci va s’arrêter. ex : roche volcanique, dans la chambre magma : les premier cristaux se forment : ils sont automorphe. L’épanchement de lave a la surface induit un changement de T qui bloque la cristallisation et conduit à trois types principaux de cristaux qui sont automorphe car tout est figée. Cristaux isométrique : il présente l'une des 7 mailles cristallines et sont bien souvent trapu. Ex : Le pyroxène. Il existes des cristaux que l'on dit Tabulaire : une direction domine nettement sur les 2 autres. ex : les mica comme la biotite. Les cristaux aciculaires : c'est le troisième type rencontré das la nature, qui croissent selon un allongement qui donnent au cristal l'aspect d'une aiguille. On parle aussi de lattes ex : c'est le cas des plagioclases. Tous ces cristaux amènent a l’outil diagnostics, en fonction des textures on connaît tout les risques etc... Les roches volcaniques sont caractérisé par 8 textures. Une texture caractérise le nombre de cristaux mais également leur agencement. On confond structure et texture, la structure concerne plutôt l'aspect macroscopique et peut être mis en question par analyse microscopique. A Texture Hyaline. Elle est constitué a plus de 95% de verre → un magma non cristallisé, donc le refroidissement a été brutale et le magma est sorti violemment donc zone dangereuse. 8

Les billes correspondent à la structure perlitique, il s’agit de gaz emprisonné dans le verre, le magma est épais donc volcanisme explosif. -En LPNA cette structure est translucide ou teinté par des ion comme le fer. -En LPA la structure est opaque. B Vitroclastique Plus de 95% de verre. (Clastique = morceau) on à ce que l'on appelle des lithophyse ou pseudo-cristaux qui peuvent être sous formes aciculaire donc on parle d'axiolithe. cad que le magma a séjourné dans la chambre magmatique, a été brassé et que c'est une surpression qui a conduit à l’épanchement. Il y a tout les types de lave : du basaltique à la rhyolithe. Sur le plan de la dynamique éruptive elle peut être dangereuse ou abondante. ex : en Islande il n'est pas rare d'avoir des laves vitroclastique. C Microlitique Elle caractérise des magmas relativement pauvre en SiO2 on parle de roche basiques ou mafiques, ce qui veut dire que la teneur en SiO2 est inférieur à 52%. Elle est caractérisé par trois phases : -Des cristaux bien visible sous le microscope et parfois même visible à l’œil nu. Si visible à l’œil nu ce sont des phénocristaux -La seconde phase constitue des microlites des petit cristaux invisible à l’œil nu que l'on peut toute fois analyser et noyé dans une pâte non cristallisée appelé verre. Microlite + verre = mésostase. Si les cristaux de grande taille sont visible sous le microscope et sont invisible à l’œil nu on parle de structure aphanitique. Le Basalte à une densité de 2.9 . En LPNA ces textures sont sur un fond claire, mésostase claire avec des gros cristaux présentant des couleurs caractéristique. En LPA en générales ces textures apparaissent comme un ciel étoilé. D Microlitique fluidale Cette texture présentes des cristaux aciculaire majoritairement orientés dans la même direction. Cela veut dire que le magma a séjourné plus longtemps dans la chambre magmatique ce qui a permis la formation de cristaux aciculaire. Lors de l'éruption l'écoulement du magma a permis l’orientation des cristaux dans la même direction. L'éruption est calme et peu dangereuse pour la population. ex : île de la réunions E Trachytique 9

La texture est fluidale mais les cristaux plus trapu indique un refroidissement plus important de la lave dans la chambre magmatique, éruption très dangereuse car le magma épais freine le dégazage et favorise la nuée ardente ex : montagne Pelée → Trachyte Daciite Cristaux aciculaire ou trapu sont généralement des feldspath. Il ne faut pas inclure dans la texture les éventuel enclaves qui n'ont rien a voir avec la cinétique de refroidissement F Felsitique Caractérise de très nombreuses éruptions en domaine continentale. Les gros cristaux présente des golfe de corrosion Cela traduit une cristallisation oscillatoire : le cristal néo-formé subit sous l'effet d'une ré-augmentation de Température ou d'un changement brutale de la chimie du bain en instabilité qui conduit à sa fusion partiel. Ces cristaux apparaissent dans des chambres magmatiques qui peuvent faire l’objet d'un réchauffement par apport d'un magma profond, la dissolution s'engage et la fusion a lieux. La mésostase est très cristallisé Ces roches sont le plus souvent cryptocristalline G Sphérolitique Peut après la nucléation le refroidissement s'accélère ce qui conduit à la formation de nombreux axiolites a la surface des nucléus hérisson Caractérise une patte épaisse refroidit brutalement donc volcanisme très dangereux. Il n'est pas rare d'observer des cavités autour de ces truc → magma felsique ex : ryholites H texture spinifex Caractérise des laves émises à des température > 1600° De nos jour la terre émet des laves dont température n'excède rarement 1200°. Donc laves qui caractérises des bouclier ou craton parvenu à l'affleurement suite a l'érosion. Elle sont très fluide et ont une composition qui traduit un manteau qui n'existe plus avec plus de 30% de Mg. Les cristaux sont aciculaire or olivine doit être trapu Caractérise un refroidissement brutale cela s’appelle komatiites. diapo 22 : roche aphanitique microlitique et maffique Diapo 23 : 10

vitroclastique et sphérolitique feldspath au milieu de hérisson pilow lava variolitique caractérise eau de mer Diapo 24 : aciculaire fluidale microlitique phénocristaux mafique Basalte demi-deuil dans massif central a Clermont-Ferrand Diapo 25 : microlitique phenocristaux trachyte Diapo 26 : Vetrre noir etb bulle d'air bulle d'aire épais donc froid ou riche en SiO2 Microlitique sphérolitique et felsique car riche en, SiO2 Diapo 27 : cortex du pillow lava Centre médule Hyaline vitoclastique microlites Diapo 28 : Enclave aphanitique mafique Diapo 29 : vert : olivine noir : pyroxène Spoinifex -49% en SiO2 ultramafique Diapo 30 : Aspect poli et présente des lignes et cassé comme un morceau de verre Cassure conchoïdale Obsidienne attention éruption marcher sur du verre pil é Diapo 31 : Roches plutonique Magma entièrement cristallisé donc dégagé à l'affleurement par l'érosion. La plupart des roche plutonique sont dites grenu. Une structure grenu indique que la roche qui est entièrement cristallisé présentes des cristaux tous visible a l’œil nu. 11

Si tout les cristaux ont la même taille la roche est dite grenu isogranulaire. Si la taille est différente la roche est grenu hétérogranulaire. La texture de la roche plutonique peut présenter des cristaux orienté de manière quelconque. On parle de texture équante Attention la roche plutonique peut être entièrement cristallisé mais avec des cristaux invisible a l’œil nu, on dit qu'elle a une structure microgrenu. Un basalte filonien s’appelle une dolérite ou diabase en Amérique. A Texture grenu Tout les cristaux sont xénomorphe et plus rarement subotomorphes Les subautomorphes ont cristallisé en premier mais ont rapidement rencontré d'autre cristaux. Ex : granites B Agpaïtique Elle constitue une grande parti de la croûte continentale Syénite. Cette texture est caractérisé par des gros cristaux subotomorphe généralement des feldspat...