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Introduction à la géologie

1 La géologie : présentation générale du cours

1.1 Présentation générale

La géologie est la science qui étudie la Terre. Etudier la Terre signifie non seulement voir comment elle nous apparaît, mais aussi comprendre comment elle s'est formée, quelle a été sa vie, de quoi elle est construite, apprendre ce qui se passe en son centre invisible et aussi peut-être pourquoi elle a vu naître un phénomène bien particulier, la vie. La géologie est une science. Aussi elle exige le suivi d'une démarche scientifique : toute théorie y est donc le fruit d'un travail de constatation, question, hypothèse, expérience et conclusion.

Dans ce cours - très simplifié -, nous allons essayer de montrer les grands traits de la géologie en quelques fiches se rapportant au programme de Sciences de la Terre du lycée. La géologie est, en effet, divisée elle-même en plusieurs domaines dont nous allons explorer les plus connus : formation de la Terre, géodynamique, sismologie, volcanologie, paléomagnétisme ainsi que l'environnement de la naissance et du développement de la vie.

1.2 Définitions

Avant tout, il convient de connaître quelques termes qui reviendront très souvent au cours de cet exposé. Les temps géologiques sont divisés en ères. Les ères sont divisées en étages.

La Terre se forme vers 4, 5 milliards d'années ; elle est alors constamment bombardée par des objets (météorites, comètes…) venus de l'espace car le Système solaire n'est pas encore bien réglé. Ceci dure jusqu'à environ 3, 8 milliards d'années, moment où l'écorce terrestre est enfin presque figée. La Terre prend alors sa forme actuelle bien que la pluie de météorites ne soit pas éteinte ; la première atmosphère se forme. Cette période est appelée Prégéologique.

Le Précambrien correspond à la formation des reliefs géologiques les plus anciens connus aujourd'hui. Il y a séparation des continents. C'est aussi durant cette période qu'apparaissent et se développent les premières formes de vie.

Ensuite vient l'ère primaire ou Paléozoïque (-540 à -245 millions d'années). Les continents que nous connaissons commencent à se former. Dans l'atmosphère est apparu l'oxygène grâce à la photosynthèse des premiers végétaux. Le climat commence à ressembler au nôtre. Le monde animal se développe sérieusement et se complexifie. Les premiers poissons apparaissent. Les amphibiens commencent à sortir des océans permettant aux grands reptiles de prendre possession des continents. Les insectes se développent.

L'ère secondaire ou Mésozoïque (-245 à -65 millions d'années) connaît un climat, pour l'ensemble de la Terre, de type tropical. Les océans sont encore chauds (22°C). L'ère secondaire est divisée en trois étages : au Trias apparaissent les dinosaures et les mammifères, au Jurassique apparaissent les ancêtres des oiseaux, tandis que le Jurassique représente l'apogée des dinosaures et des fougères géantes.

L'ère tertiaire ou Cénozoïque (-65 à -1, 8 millions d'années) commence avec la crise dite du Crétacé-Tertiaire vers 65 millions d'années qui voit la disparition de 80 % des espèces vivantes. Au Paléocène et à l'Eocène se développent les mammifères primitifs ainsi que les arbres et plantes que nous connaissons maintenant. Les singes apparaissent à l'Oligocène, les ancêtres des chevaux et des éléphants au Miocène ainsi que les Australopithèques. Au Pliocène, le climat océanique se fixe en France tandis que l'Homo habilis apparaît.

L'ère quaternaire ne se distingue pas géologiquement de l'ère tertiaire. Elle n'est caractérisée que par l'évolution des Hominidés.

Mots clés :

  • Energie : capacité d'un corps à produire un travail ou à élever une température. Les formes d'énergie sont diverses (calorifique, chimique, mécanique, nucléaire…). Le premier principe de la thermodynamique dit que l'équivalence des formes d'énergie implique que l'énergie totale mise en jeu lors d'une transformation reste constante.
  • Chaleur : forme d'énergie qui se traduit par une augmentation ou une diminution de la température.
  • Lumière : pour une plus facile compréhension, la lumière sera considérée comme une forme d'énergie.

2 Connaissance de la Terre

2.1 Introduction

La Terre : troisième planète du Système solaire en partant du Soleil ; située environ à 150 millions de km de celui-ci, elle effectue une révolution autour du Soleil en un peu plus de 365 jours. La Terre tourne sur elle-même autour d'un axe de rotation passant par les pôles en 24 heures. Cet axe est légèrement incliné (23°) par rapport au plan de l'écliptique (plan de révolution) ; cette inclinaison est la cause de l'existence de saisons. L'âge de la Terre est environ celui du Soleil soit 4, 6 milliards d'années. Son rayon est de 6370 kilomètres à peu près. La Terre est légèrement aplatie aux pôles.

Lorsque nous la regardons de l'extérieur, la Terre présente plusieurs aspects. Elle semble tout d'abord être un corps sphérique solide. Elle est par endroits couverte d'un élément liquide, l'eau, et tout autour d'elle se trouve une couche gazeuse appelée atmosphère. Tout ces éléments paraissent figés et fixés définitivement. Or, si nous faisons plus attention, nous pouvons nous apercevoir que tous ces éléments sont en perpétuel mouvement et se transforment sans cesse. L'atmosphère est le siège de déplacements qui peuvent être violents sous la forme de tempêtes ou plus calmes, elle abrite aussi d'autres phénomènes tels que les nuages, les orages ou encore les aurores boréales. Les océans, qui constituent près de 98 % de l'eau terrestre, sont eux aussi l'objet de phénomènes naturels, notamment des transferts de chaleur. Les continents aussi peuvent être en mouvement avec les séismes. La surface de la Terre est également le siège d'étranges éruptions dans les volcans.

Dans le temps, ces phénomènes ne sont pas stables non plus. Les océans n'ont pas toujours été océans, les climats se sont modifiés tandis que l'activité des volcans est très variable. Leur répartition spatiale est très hétérogène : l'eau des océans occupe 72 % de la superficie de la Terre, ne laissant que moins d'un tiers de la surface terrestre aux continents, reliefs émergés. Les séismes, comme les cyclones, frappent souvent les mêmes régions, tandis que les volcans semblent situés dans des zones bien particulières.

La Terre n'est donc pas un corps unique, homogène et figé. La Terre est le siège de transformations incessantes. Sa structure elle-même évolue tandis que des influences extérieures - de l'espace et du Soleil - se font sentir à sa surface. Enfin, la Terre abrite la vie. Nous allons nous efforcer de décrire et de tenter d'expliquer quelques uns de ces phénomènes.

2.2 Connaissance directe de la Terre

Les constatations précédemment énoncées constituent des constatations évidentes. Cependant, si nous voulons étudier la structure de la Terre plus précisément, c'est-à-dire ce qui la constitue, il faut se rendre compte que l'Homme ne connaît véritablement encore qu'une petite partie de sa planète. Les océans et l'atmosphère, ainsi que la surface de la Terre lui sont familières. L'intérieur, lui, est encore à découvrir. Ou plutôt, l'Homme est actuellement en train de la découvrir très lentement grâce à plusieurs secteurs de connaissances desquels il peut déduire ses conclusions quant à la structure de la Terre.

Tandis que l'atmosphère et les océans peuvent être connus de manière directe - puisque l'Homme peut s'y rendre afin de faire ses observations et ses expériences -, la connaissance de la structure interne du globe terrestre ne peut se faire que par théorie et déductions.

Mots clés :

  • Croûte terrestre : partie la plus superficielle de la Terre (appelée parfois écorce terrestre). Elle est solide.
  • Atmosphère : enveloppe gazeuse entourant la Terre sur une épaisseur d'une centaine de kilomètres. Elle est retenue autour de la Terre par la force d'attraction terrestre.

L'analyse des roches de surface montre qu'une dizaine d'éléments représentent plus de 98 % de la masse de la croûte terrestre. Il s'agit entre autres de l'oxygène, du silicium, de l'aluminium et du fer. L'oxygène est allié au silicium, à l'aluminium ou au fer dans des oxydes. C'est l'élément majoritaire en volume (plus de 80 %) comme en masse (près de 50 %) dans la croûte terrestre.

L'analyse des roches de surface montre également une différence qui sera fondamentale pour les théories géologiques entre la croûte terrestre formant la surface des continents et la croûte terrestre formant le plancher des océans. La croûte continentale est constituée d'une roche appelée granite (on la trouve notamment dans les massifs montagneux anciens non recouverts de calcaire ou de sédiments) tandis que la croûte océanique est constituée d'une roche appelée basalte (on la trouve notamment sur les îles volcaniques situées au milieu des océans).

Nous ne pouvons savoir directement ce qu'il y a sous la croûte terrestre. En effet, la connaissance directe du sous-sol ne concerne qu'une très mince couche superficielle de roches. Cette couche a pu être étudiée lors de forages tels ceux réalisés en Russie. Cependant ceux-ci sont allés jusqu'à une profondeur de 12 000 mètres au maximum alors que le rayon terrestre mesure près de 6370 kilomètres. Néanmoins, les géologues y ont constaté un phénomène qu'ils attendaient : il existe un gradient thermique, c'est-à-dire que la température de la Terre s'élève au fur et à mesure que l'on s'enfonce vers l'intérieur.

Enfin, dernière constatation directe : nous connaissons les propriétés des corps en rotation. La Terre est un corps en rotation. Nous savons qu'elle est légèrement aplatie aux pôles (rayon polaire = 6356 km, rayon équatorial = 6378 km). Cet aplatissement est considéré comme faible. Ceci tendrait à prouver que la plus grande partie de la masse de la Terre se situe en son centre. Or, la croûte terrestre, telle que nous la connaissons a une densité assez faible (proche de 3). Par conséquent, le centre de la Terre doit être constitué de matériaux très lourds tels le fer. Nous verrons plus tard qu'il s'agit en effet d'un alliage de fer et de nickel.

3 Energie interne et énergie externe

3.1 Energie et rayonnement solaire

Une source de chaleur pour la Terre est, bien sûr, le Soleil. Le Soleil est la principale source de chaleur pour la Terre. Dans l'espace, l'énergie reçue du Soleil varie comme l'inverse du carré de la distance du Soleil.

Le Soleil est une étoile : c'est donc une boule en fusion. Le Soleil est constitué principalement d'hydrogène et d'hélium ; il se produit en son sein des réactions nucléaires (transformation de l'hydrogène en hélium avec émission d'énergie considérable). Le Soleil, comme tout corps en fusion, émet un rayonnement qui se propage dans l'espace sous forme de lumière.

Le rayonnement solaire (sous forme de lumière) tel qu'il est perçu sur Terre représente 630 000 joules par cm² et par an. Ceci équivaut à dire qu'un mètre-carré de surface terrestre reçoit, chaque année 15 milliards de calories du Soleil. Cette quantité de chaleur reçue du Soleil est immense et représente une énergie considérable.

Que lui advient donc-t-il en arrivant sur Terre ? Une grande partie est tout d'abord instantanément renvoyée dans l'espace car elle est réfléchie par l'atmosphère dont l'albédo (pourcentage de lumière réfléchie et renvoyée) est grand (30 %, ce qui fait que la Terre est visible depuis l'espace). Les nuages renvoient entre 40 et 80 % de la lumière reçue. Le reste parvient à pénétrer dans l'atmosphère. Une autre partie de ce flux externe est absorbé par certains composants de l'atmosphère (vapeur d'eau, ozone, oxygène, dioxyde de carbone).

En arrivant au sol, une partie de cette chaleur est à nouveau renvoyée (80 à 90 % sur la neige, 35 % sur le sable, 25 % sur les prairies, 15 % sur les mers). Cependant, cette fois, elle est emprisonnée dans l'atmosphère terrestre et contribue à la réchauffer (car venant du sol, elle est à nouveau réfléchie par les nuages…). C'est l'effet de serre. La température de l'atmosphère est stable (14°C) montrant ainsi que le flux énergétique global est nul.

Sur les continents, l'autre partie est absorbée et stockée par assimilation chlorophyllienne (les plantes absorbent l'énergie de la lumière). La quantité de chaleur ainsi stockée n'est nullement négligeable (17.10^20 joules par an). Sur les océans, la chaleur est emmagasinée dans les mers (l'énergie reçue réchauffe les eaux ; puisque la mer renvoie 15 % de la lumière, cela signifie qu'elle absorbe 85 % de l'énergie de la lumière qu'elle reçoit), constituant ainsi une réserve thermique importante (ce qui explique que les variations de températures des régions océaniques côtières sont très atténuées par la proximité de la mer).

Les régions polaires de la Terre sont recouvertes par des inlandsis (Groenland et Antarctique) ou d'épaisses couches de banquise (Arctique) qui constituent, eux, des réservoirs de froid. Cette réserve de froid et la chaleur emmagasinée par les mers sont à peu près équivalentes et, en moyenne, la température des océans n'est que de 3°C environ.

Il est certain qu'au début de l'ère quaternaire les mers étaient bien plus chaudes et qu'en revanche des glaciers immenses s'étendaient sur une partie des continents aujourd'hui habités. La fonte de ces glaciers (due à des oscillations climatiques dont l'on ne connaît pas l'origine) a largement utilisé la réserve thermique des mers.

3.2 Quelques conséquences

Nous constatons ainsi la grande fragilité des conditions thermiques qui règnent sur Terre et qui protègent la vie. Nous pouvons dire que la stabilité thermique globale de la Terre est exceptionnelle car une petite modification des conditions thermiques entraîne d'immenses bouleversements des conditions climatiques, d'une part. D'autre part, la zone dans laquelle se situe la Terre au sein du Système solaire semble idéale car elle lui permet de recevoir un rayonnement du Soleil qui soit suffisant pour maintenir son atmosphère et sa surface à une température moyenne et qui ne soit pas trop fort car alors ce rayonnement deviendrait destructeur. Cette zone idéale est très étroite et une toute petite modification de l'orbite terrestre pourrait faire sortir la Terre de cette zone.

Océans et atmosphère contribuent à la répartition de l'énergie reçue du Soleil à la surface de la Terre.

Il en résulte d'ailleurs des mouvements de circulation des masses d'eau et des masses d'air. Ainsi, le cycle de l'eau (évaporation des océans, déplacement par les vents, précipitations sous forme de pluie ou de neige) est dû au rayonnement solaire.

3.3 Energie interne de la Terre

L'élévation de température en fonction de la profondeur (vue ci-dessus) montre qu'il existe un flux de chaleur interne à la Terre. Le centre de la Terre semble être porté à des températures très importantes et il radie (dispense) son énergie sous forme de chaleur vers la surface de la Terre. Ce flux de chaleur interne peut atteindre 50 calories par cm² et par an.

Le flux de chaleur interne a plusieurs causes dont la principale est un transfert de chaleur depuis l'intérieur de la Terre vers l'extérieur, vestige du passé de la planète : la Terre s'est formée par accrétion.

Lors de la formation du Système solaire, il y a 4, 6 milliards d'années, existait un disque de poussières et de blocs de roches qui tournait autour du Soleil. Ces éléments se sont peu à peu rapprochés les uns des autres par gravité jusqu'à ce qu'un noyau se forme. Il y a eu accumulation et le phénomène d'accrétion s'est accéléré au fur et à mesure que le noyau grossissait et devenait de plus en plus lourd. Tout ce qui passait à proximité de cette planète naissante était irrésistiblement attiré par gravité. Aussi, la pression au centre de la planète a commencé à augmenter sous le poids du bombardement dont elle était la cause et l'objet. La température s'est alors élevée de manière très importante.

Lorsque le bombardement a cessé - lorsque le Système solaire s'est organisé en orbites équilibrées -, la Terre avait sa taille et sa forme actuelles à peu de choses près. Elle a pu commencer à se refroidir. C'est le résidu de la chaleur primitive de la Terre qui provoque ce que nous appelons ici flux de chaleur interne. La Terre se refroidit en dispersant vers sa surface - et vers l'espace - sa chaleur interne. Lorsque le centre de la Terre sera totalement refroidit, la Terre sera une planète morte.

Ce flux thermique interne, bien que faible (3000 fois moins fort que le flux externe en provenance du Soleil), est très important pour comprendre la structure de la terre et nombre des phénomènes qui sont présents à sa surface. La Terre est bien une planète vivante. De plus, il faut savoir que ce flux de chaleur est totalement irrégulier et, par exemple, bien plus important dans les régions volcaniques que dans les bassins sédimentaires ou les boucliers granitiques anciens.

L'existence de ce flux nous prouve la présence de très importantes températures susceptibles de maintenir fondus les composants du centre de la Terre.

3.4 Dissipation de l'énergie interne de la Terre

Le flux thermique interne de la Terre se dissipe pour partie sous forme de chaleur ainsi que nous l'avons montré précédemment : il y a radiation de la chaleur à travers les couches interne de la Terre jusqu'à la surface et l'atmosphère.

Ce n'est pas le seul mode de dissipation du flux d'énergie interne. Nous allons voir que l'énergie interne s'échappe également de quelques autres manières plus ou moins directes. Cependant, pour simplifier le problèmes, nous allons être obligés de poser la théorie avant de montrer comment elle se justifie. Les éléments qui ont permis d'élaborer cette théorie comme ceux qui tendent à la démontrer seront abordés après. En effet, il serait trop compliqué de les présenter en premier.

Le fait que cette théorie, appelée " tectonique des plaques " n'ait pu s'imposer que durant la seconde moitié du XX-ème siècle montre combien a été difficile à prouver sa pertinence. Avant d'entrer dans la tectonique des plaques, vaste sujet, traitons les phénomènes géologiques impliquant directement les continents.

4 Altération et sédimentation

Les continents couvrent 28% de la surface de la planète. Ils sont la partie émergée des reliefs terrestres. D'ailleurs, ils sont eux-mêmes couverts de reliefs. La structure géologique des continents est granitique. Néanmoins, les continents comportent d'autres roches et sont le siège de processus de création et de destruction de matériel.

4.1 L'altération des continents

Les continents, soumis aux contraintes physiques, biologiques, chimiques ou climatiques, s'altèrent, c'est-à-dire qu'ils se transforment et se dégradent. En général, les roches n'affleurent pas directement en surface car elles sont couvertes d'un terrain meuble, le sol. La végétation, elle, reflète les réalités du sous-sol. Il existe différents types d'altération.

  • L'altération physique découle ruissellement des eaux à la surface des continents. Elle constitue une désagrégation mécanique des roches. Cette désagrégation est particulièrement forte dans les zones de reliefs où les eaux circulent vite.
  • L'altération biologique provient de la présence de végétaux qui se nourrissent du sol et l'épuisent. Les animaux (bactéries) ou végétaux présents dans le sol sécrètent des acides qui ruinent la construction des roches.
  • L'altération chimique est due à l'action de :
    • l'eau sur les particules constituant la roche (L'eau dissout en effet les roches calcaires car, lorsqu'elle est pure, elle se comporte comme un acide faible du fait qu'elle transporte des ions hydrogène)
    • de l'oxygène qui oxyde les métaux contenus dans la roche
    • du gaz carbonique qui dissout les bases présentes dans la roche
  • L'altération due aux climats : les grandes variations de température entre jour et nuit (amplitude thermique) contribuent à désagréger les roches. Le gel de l'eau dans les fissures fait éclater les roches. Le vent est aussi l'un des facteurs les plus importants pour la destruction des édifices du relief ainsi que pour la désagrégation des roches.

4.2 Sédimentation et stratigraphie

Cette altération conduit à la formation des sols. Les produits obtenus de l'altération des roches sont conduits au bas des reliefs, soit par la simple gravité, soit par le ruissellement et le transport dans le lit des rivières. Ils s'accumulent ainsi dans les régions les plus basses en altitude ou dans l'estuaire des fleuves car le courant n'y est plus assez fort pour les transporter. C'est ce phénomène d'accumulation qui est appelé sédimentation.

Les zones de sédimentation connaissent une intense activité biologique qui alimente, par les dépôts organiques des végétaux et des animaux morts, le matériel détritique. Ceci explique la présence de ressources naturelles organiques dans les bassins sédimentaires : charbon, hydrocarbures…

Le phénomène de sédimentation s'effectue sur des échelles de temps qui dépassent largement l'Homme. Il s'agit, bien entendu ici, des temps géologiques. Les bassins sédimentaires mettent des millions d'années à se former. Sous le poids des matériels qui y sont amenés, leur fond s'affaisse progressivement. Nous appelons ce phénomène " subsidence ".

C'est ainsi qu'apparaît la notion de stratigraphie si importante en géologie. Les dépôts se faisant, dans les bassins sédimentaires, sur des périodes de temps très longues, les dépôts les plus récents couvrent les dépôts anciens. Ainsi, lorsque les géologues étudient les terrains, ils ont les couches les plus récentes en surface tandis qu'à mesure qu'ils creusent dans les sédiments accumulés, ils remontent l'échelle du temps géologique. C'est d'ailleurs en effectuant ces études que les géologues ont découvert, dans les strates datant de 65 millions d'années, des anomalies géologiques et qu'ils ont pu élaborer une théorie sur l'accident du Crétacé-Tertiaire qui a vu la disparition des dinosaures et permis le triomphe des mammifères.

L'empilement des couches de matériel sédimentaire donne aux bassins sédimentaires une caractéristique de pile d'assiettes. Ainsi, en France, le Bassin parisien est un bassin sédimentaire. Les rebords des couches sont particulièrement visibles sur les cuestas (côtes à petites falaises). Les bassins sédimentaires sont des zones particulièrement propices à l'installation de l'Homme car peu dangereuses (pas de séismes ni de reliefs très marquées, vallées peu encaissées, grands fleuves…) et très fertiles comme le montrent la Beauce ou les Grandes Plaines américaines.

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