Préparation de la sortie géologico-botanique (TP-TD1 et 2) en presqu'île de Crozon

TP-TD 1 - Cartes topographiques et cartes géologiques

1. La carte topographique représente précisément les reliefs (ainsi que de nombreux autres éléments intéressant le géologue comme le réseau hydrographique); elle contient des lignes reliant des points de même hauteur (courbe de niveau séparés de 5, 10 ou 20 m selon les cartes) et des points côtés (altitude en m)
étape intermédiaire: récolte d'échantillons du SOUS-SOL (le sol faisant partie de la pédologie et étant l'interface, milieu de vie, entre le sous-sol, rocheux et l'atmosphère-hydrosphère, en mouvement); classement, analyse, interprétation (voir TP2)
2. La carte géologique représente des interprétations: des limites de couches qui sont des intersections avec la surface topographique et des tracés d'accidents (failles plus ou moins obliques) ou d'axes de structures plissées. Elle fournit aussi des indications sur la nature et l'âge des roches ou formations représentées. Certains figurés sont des mesures de la pente d'une couche dans le sens de sa plus grande pente (pendages).
Bloc de pâte à modeler ou d'argile, courbes de niveau, couches, plis, coupes, faille

TP-TD 2 - Roches et minéraux

(voir "Dictionnaire de géologie", A. Foucault et J.F. Raoult, Masson, 1992 - 3ème édition)

1. Partie théorique

Qu'est-ce qu'une roche ?
Une roche est fondamentalement un matériau de l'écorce terrestre composé d'un assemblage de minéraux. Pour un géologue c'est un caillou, même si certaines roches peuvent être plastiques (argile) ou même liquides (pétrole). L'étude des roches est la pétrographie.

De quoi est fait une roche ?
Un minéral est un assemblage d'atomes ordonnés formant une espèce chimique naturelle. Pour un naturaliste, un beau minéral est un solide bien cristallisé (un cristal), même si un minéral refroidi trop vite donne un verre amorphe non cristallisé. L'étude des roches est la minéralogie qui fait appel à la cristallographie et à la cristallochimie.

D'où viennent les roches ?
L'origine des roches nous permet de les classer classiquement en trois groupes:
- roches sédimentaires issues d'un sédiment
- roches magmatiques, issues d'un magma
- roches métamorphiques, issues d'une autre roche (sédimentaire ou magmatique)

a - Les roches sédimentaires
Les roches sédimentaires sont issues d'un sédiment par diagénèse. Les sédiments se déposent dans les bassins sédimentaires (et donc dans l'eau de mer), sauf quelques sédiments lacustres (de lacs non salés) ou franchement terrestres (éboulis, sédiments glaciaires comme le loess...). Un sédiment est une accumulation d'éléments d'origine biologique, minérale et chimique. Le sédiment est un milieu de vie, il comporte encore une grande quantité d'eau. Au cours de la diagénèse (augmentation de la pression et de la température par enfouissement), l'eau est expulsée et la vie se raréfie. Les roches semblent contenir des bactéries ("Les micro-organismes de l'intérieur du Globe", James Fredrickson et Tullis Onstott, La Recherche, 230, décembre 1996), même jusqu'à 2,8 kilomètres de profondeur.

les éléments d'origine biologique (squelettes, coquilles, tests, fragments de végétaux....) et de la précipitation par les organismes vivants d'éléments chimiques (calcaire et silice essentiellement) semblent être présents dans toutes les roches sédimentaires.
les éléments minéraux issus de la dégradation d'autres roches (éléments détritiques) par l'érosion essentiellement et accumulés dans les bassins à la suite de leur transport par les fleuves peuvent être en plus ou moins grande quantité. Des éléments minéraux d'origine volcanique explosive (pyroclastique ou volcanosédimentaire) comme des cendres peuvent aussi former des couches sédimentaires très épaisses ou se mélanger à des particules d'autres origines.
les éléments de précipitation chimique pure forment parfois de grandes accumulations exploitées par l'homme (mines de roches nommées évaporites car issues de l'évaporation de l'eau de mer comme par exemple le sel de mer : chlorure de sodium (NaCl ou halite) ou le gypse...).

Une roches sédimentaire est souvent un mélange d'éléments de différentes tailles et de différentes origines, ce qui fait que les classifications sont variées. Chacune, mettant l'accent sur quelques propriétés, est utilisée par tel ou tel spécialiste. Nous n'en donnerons aucune.

Sédiment	Roche sédimentaire
Sédiment	nom de la roche	minéraux
sable calcaire	calcaire dolomie calcaire oolithique (formé de petites concrétions sphériques probablement d'origine bactérienne en milieu agité: plage des Bahamas... notre prochain voyage d'études de spécialité)	calcite ou aragonite (CaCO3), dolomite (Ca,Mg)CO3) par remplacement partiel du Ca dans la calcite
sable siliceux	grès (roche solide), sable (roche meuble)	quartz (SiO2)
sable coquiller	calcaire coquiller	calcite (CaCO3)
sable calcaire avec beaucoup d'argile ("vase" ou boue)	marne (35 à 65% d'argile) calcaire marneux (- de 35% d'argile)	argiles (Si,AL, Fe, Mg SiOx) calcite (CaCO3)
argile (vase ou boue)	pélite (argilite, siltite...)	argiles (Si,AL, Fe, Mg SiOx)
boue calcaire (boue carbonatée) (au-dessus de la CCD: profondeur de compensation de la calcite: Calcite Compensation Depth)	calcaire fin calcaire lithographique (grains très fins, utilisé dans l'imprimerie autrefois)	argiles (Si,AL, Fe, Mg SiOx) calcite (CaCO3)
boue siliceuse des très grands fonds (au-dessous de la CCD et en dessous de la SCD: Silice Compensation Depth)	radiolarite, jaspe	quartz, calcédoine, opale (SiO2)
boues à Diatomées (petits algues unicellulaires enfermées dans un frustule ornementé) lacustre ou océanique des grands fonds	diatomite	quartz, calcédoine, opale (SiO2)
galets pris dans un ciment plus fin, sableux ou argileux	conglomérat : poudingue (éléments arrondis) ou brèche (éléments anguleux)	....
éléments pyroclastiques (cendres (Ø<2mm), lapillis(2<Ø<66mm), blocs(Ø>66mm))	avec les mêmes limites de taille des éléments: cinérites, tufs, brèches volcaniques

b - les roches magmatiques
Les roches magmatiques sont issues d'un magma. Elle peuvent avoir refroidi lentement et en profondeur, elles sont alors bien cristallisées (on parle de roches cristallines): ce sont les roches plutoniques. Ou bien elles peuvent aussi avoir été déversées ou projetées par explosion en surface et donner ainsi des roches volcaniques en coulées (plus liquides) ou en amas, pitons ou cheminées (laves plus visqueuses), ou en dépôts de cendres ou autres produits de plus grande taille (cendres< lapillis<bombes). Certaines roches volcaniques solidifiées trop vite n'ont pas cristallisé et donnent des verres (roches vitreuses).

Quelques roches magmatiques : roches plutoniques et roches volcaniques
pôle alcalin (Na, K)... roche claire et visqueuse
pôle saturé (acide) très riche en silice			Avec du quartz (SiO2)	Sans quartz	pôle sous-saturé moins riche en silice
	roches à minéraux CLAIRS abondants	Feldspaths alcalins (K) et Plagioclases sodiques (Na)	granodiorite *rhyo-dacite*	syénite *trachyte*
			granite *rhyolite*	diorite *andésite*
		Plagioclases calciques (Ca)	gabbro quartzique *basalte tholéitique*	gabbro *basalte*
	roches à minéraux SOMBRES dominants			Amphibolites, Pyroxénolites, Péridotites
pôle basique (Ca, Mg, Fe)... roche sombre et fluide

c - les roches métamorphiques
Les roches métamorphiques sont issues soit de roches sédimentaires (roches paramétamorphiques), soit de roches magmatiques (roches orthométamorphiques), soit encore de roches déja métamorphisées (roches polymétamorphiques). Le domaine du métamorphisme dans lequel les roches subissent donc un métamorphisme, c'est-à-dire une transformation à l'état solide, se situe entre le gradient géothermique le plus faible (6 °C par kilomètre) et le solidus du granite hydraté (apparition du magma).

Position du métamorphisme dans un diagramme P, T.
(en pointillés bleu : les géothermes de gradient 6°C.km^-1 et 30°C.km^-1- en rouge: le solidus du granite hydraté - en vert : les silicates d'alumine (coordonnées du point triple= 5Kbar - 600°C) - en orange : quelques minéraux marqueurs du métamorphisme).

Il est rare que l'on puisse déterminer si une roche métamorphique vient de la transformation de telle ou telle roche (roche d'origine) à telle ou telle pression et température (trajet en P, T de la roche, c'est-à-dire son histoire métamorphique). Les noms des roches métamorphiques sont donc souvent assez généraux. Ils sont précisés en ajoutant le nom de minéraux marqueurs qui peuvent être visibles soit sur l'échantillon à l'oeil nu soit sur une lame mince.Voici quelques noms que vous ne pouvez ignorer:

Quelques roches métamorphiques..		Quelques minéraux du métamorphisme
schiste	toute roche métamorphique présentant une schistosité c'est-à-dire des plans de débitage donnant un aspect feuilleté à la roche	minéraux argileux: séricite, chlorite, biotite autres minéraux marqueurs: grenat, staurotide... silicates d'alumine de formule : (SiAl₂O₅): sillimanite, andalousite, disthène
micaschiste	roche métamorphique présentant une schistosité et une foliation (schistosité minéralogique correspondant à des accumulations de minéraux le longs de plans). Riche en lamelles de micas (brillantes) visibles à l'oeil nu.
gneiss	roche métamorphique à foliation très nette caractérisée par des alternances de lits de teinte sombre (riches en minéraux ferromagnésiens) et de lits clairs (quartz et feldspaths).
marbre	roche métamorphique calcaire à grains fins présentant ou non des veines colorées correspondant à différents minéraux argileux. Proviennent de calcaires ou dolomies.
amphibolite pyroxénite	roches métamorphiques sombres où dominent les amphiboles ou les pyroxènes. Elles peuvent provenir d'argiles sédimentaires, de basaltes ou encore de gabbros.
cornéenne	roche spécifique du métamorphisme de contact présentant une dureté importante et une cassure à l'aspect corné. Elles peuvent provenir d'un grand nombre de roches sédimentaires ou magmatiques.

2. Partie pratique

Travail à réaliser:
Le but est de se constituer pour chaque échantillon de roche-référence une petite fiche de reconnaissance aide-mémoire du type ci-dessous (en ajoutant des schémas si possible):

Nom:		Origine:
échantillon macroscopique		lame mince
Œil nu:	aspect: couleur: dureté: ....	œil nu: minéraux colorés...
		microscope polarisant	lumière naturelle (L.N.) : structure: minéraux: ...
			lumière polarisée (L.P.) : teintes de polarisation et caractéristiques en LP des minéraux remarquables...

Les roches incontournables sont :

un calcaire (coquiller ou oolithique par exemple),
un grès,

un granite,
une rhyolite (si possible),
un gabbro,
un basalte,
une péridotite

un gneiss,
un schiste...

Aide à l'observation

2.1 Observer à l'œil nu

L'observation consiste non seulement à noter des caractéristiques mais aussi à émettre des hypothèses qui peuvent être parfois facilement vérifiées par des petits tests (expériences)

caractéristiques générales: couleur (homogène, hétérogène (avec des éléments colorés...), claire, sombre...), dureté (raye ou non le verre; est rayé ou non par une lame de métal...; solide, meuble, tendre, dur), aspect (lisse, brillant, pulvérulent...)..
distinguer des minéraux ou des éléments caractéristiques (fossiles):
- pour les roches sédimentaires ou métamorphiques : présence de calcaire (fait effervescence à l'acide chlorhydrique) ou absence de calcaire
- reconnaissance rapide du type de roche pour des roches typiques: argilite, calcaire coquiller, gneiss (avec alternance des feuillets clairs et sombres)...
proposer un nom ou des noms possibles pour l'échantillon en précisant l'origine (sédimentaire, magmatique ou métamorphique)
faire un schéma d'interprétation de l'aspect extérieur de la roche lorsque celui-ci est marquant.

2.2 Observer une lame mince de roche

La lame mince fait environ 25 à 30 µm d'épaisseur et n'est pas colorée sauf pour quelques roches sédimentaires où l'on peut colorer l'aragonite (en rose)...

à l'œil nu:
couleur (homogène ou non), minéraux visibles (taille et couleur...); un cristal visible à l'œil nu est appelé phénocristal; cette observation permet déjà souvent de proposer une origine pour la roche...

au microscope polarisant

en lumière naturelle (= polarisée non analysée = L.N.)

présence, nombre, couleur (la biotite est par exemple un minéral jaune-brun) et taille des cristaux (phéno ou microcristaux) ; une roche cristallisée est un verre; la partie non cristallisée de la roche est appelée pâte; si la roche est totalement cristallisée on dit qu'elle est holocristalline, c'est le cas des roches plutoniques (cristallisée lentement en profondeur); la présence d'un verre désigne une roche volcanique, cristallisée rapidement en surface;
L'agencement des cristaux est désigné par le terme de structure;

structures SIMPLIFIÉES des roches magmatiques observables en lumière naturelle
roches de massifs plutoniques	grenue (phénocristaux) (pas de verre)	lame entièrement occupée par un seul cristal ou presque	pegmatitique (caractéristique des pegmatites)
		cristaux de taille moyenne (plusieurs par lame) dont certains sont réguliers (bien formés = automorphes); certains cristaux pouvant être mal formés (xénomorphes)	granitique (caractéristique des granites)
roches de filons (plutoniques ou volcaniques)	microgrenue	petits cristaux occupant toute la surface de la lame (pas de verre)
	microlitique (avec des petits cristaux allongés en baguettes)	microlitique sans verre
		microlithique avec verre avec souvent des baguettes orientées indiquant une direction d'écoulement)	fluidale (trachytique, car caractéristique des trachytes)
		pâte microlithique avec quelques gros cristaux	porphyrique
roches d'épanchement (volcaniques)	doléritique (très particulière: pas de verre mais des feldspaths microlithiques et des pyroxènes dans les trous)
	vitreuse (amorphe: aucun minéral reconnaissable; lame entièrement éteinte (ou grise très sombre) en lumière polarisée analysée)

Certains minéraux (comme la biotite) peuvent changer de couleur en fonction de la rotation de la platine (et donc du polariseur): on parle de pléochroïsme (par exemple la biotite peut aller du jaune clair ou brun sombre).
Un grès est une roche sédimentaire ou métamorphique issue d'un sable quartzeux consolidé et plus ou moins recristallisé il apparaît en lame mince comme une mosaïque (superbe) de grains de quarts. Des impuretés (argiles, micas, matière organique, minéraux lourds, oxydes de fer....) peuvent aussi être visibles.

plans de clivage (cassures) de certains minéraux (plans caractéristiques liées à la symétrie) qui apparaissent comme des lignes plus ou moins fines
inclusions (aspect "sale" du minéral: par exemple le quartz est un minéral beaucoup plus "propre" qu'un feldspath...
présence d'oxydes noirs ou sombres

en lumière polarisée ( = polarisée analysée = L.P.): attention il ne faut PAS FAIRE TOURNER l'analyseur par rapport au polariseur (qui doivent rester croisés) mais seulement la lame située entre les deux. Un trou dans la lame apparaît incolore en LN et toujours éteint (noir) en LP.
- la teinte de biréfringence (c'est en fait la couleur mais il est important de comprendre que cette couleur de biréfringence n'est pas la couleur naturelle du minéral); elle dépend de la nature du minéral mais aussi de l'épaisseur de la lame et de l'orientation du cristal dans le plan de coupe; grossièrement vous aurez à reconnaître des biréfringences basses (quartz, felspaths...) et élevées (micas, pyroxènes...).
- l'angle d'extinction est l'angle le plus faible entre la position éteinte (la plus sombre) et allumée (la plus claire) d'un cristal
- les macles sont des cristaux emboîtés selon des axes précis: les macles les plus courantes que vous aurez à reconnaître sont les macles polysynthétiques des felspaths plagioclases (qui se caractérisent par des alternances de bandes éteintes (noires ou sombres) et allumées (claires) plus ou moins larges mais assez fines globalement). Mais attention, de nombreux cristaux sont maclés.
- les oxydes sont des minéraux qui restent toujours très sombres (noirs même) en LP.

Une fois la structure de la roche reconnue ainsi que les noms des principaux minéraux trouvés on peut confirmer ou préciser le nom de la roche proposé après l'étude à l'œil nu. Une étude complète non demandée ici permettrait de retrouver l'ordre de cristallisation des minéraux et de donner des indications précises sur son lieu de formation.

Fiches pétrologiques d'aide à la détermination des échantillons de roches du lycée Brizeux