Université de Picardie Jules Verne/Jacques Beauchamp
LES ROCHES
propriétés et utilisation
1. DEFINITIONS ET RAPPELS
roche, sol, sous-sol, lithosphère, croûte, écorce...
Composition chimique:
élément | masse (%) | atome (%) | rayon (A°) | volume (%) |
O | 46.60 | 62.55 | 1.40 | 93.77 |
Si | 27.72 | 21.22 | 0.42 | 0.86 |
Al | 8.13 | 6.47 | 0.51 | 0.47 |
Fe | 5.00 | 1.92 | 0.74 | 0.43 |
Mg | 2.09 | 1.84 | 0.66 | 0.29 |
Ca | 3.63 | 1.94 | 0.99 | 1.03 |
Na | 2.83 | 2.64 | 0.97 | 1.32 |
K | 2.59 | 1.42 | 1.33 | 1.83 |
Tableau I: éléments chimiques les plus communs dans
l'écorce terrestre (d'après MASON, 1966).
minéraux
silice
alumino-silicates
carbonates, sulfates
oxydes
(*) | GROUPE | minéral | Formule chimique |
M | AMPHIBOLES | hornblende | Na Ca2 (Mg,Fe)4 (Al,Fe) (Si,Al)8 O22 (OH,F) |
M | PYROXENES | augite | (Ca,Mg,Fe,Al)2 (Al,Si)2 O6 |
M | PERIDOTS | olivine | (Mg,Fe)2 SiO4 |
M |
FELDSPATHS potassiques plagioclases |
orthose albite, anorthite |
K Al Si3 O8 Ca Al2 Si2 O8 |
M | FELDSPATHOIDES | leucite néphéline |
K Al Si2 O6 Na Al Si O4 |
M,S | QUARTZ | quartz | Si O2 |
M,S | MICAS | muscovite biotite chlorite |
K Al2 (Al Si3) O10
(OH,Fe)2 K (Mg,Fe)3 (Al Si3) O10 (OH,Fe)2 (Mg,Fe)10 Al2 (Si,Al)8 O20 (OH,F)16 |
S | MINERAUX ARGILEUX | illite kaolinite smectites |
cf muscovite Al4 Si4 O10 (OH)8 Six Aly O10 Al2 (OH)2 Naz |
S | CARBONATES | calcite dolomite |
Ca CO3 (Ca,Mg) CO3 |
S | SULFATES | gypse | Ca SO4, 2 H2O |
S | PHOSPHATES | apathite | Ca5 (F,Cl) (PO4)3 |
S | OXYDES | hématite | Fe2 O3 |
(*): M: surtout dans roches Magmatiques
S: surtout dans roches
sédimentaires
Tableau II: principaux minéraux des roches.
2.1 Principes de la classification
origine, lieu et mécanisme de formation, composition
chimique
et minéralogique
origine interne (croûte, manteau), origine externe (+
organismes)
2.2 Grands groupes
* Roches magmatiques (endogènes)
plutoniques : massives
acides: granites et granitoïdes
basiques: gabbros
volcaniques : stratifiées
coulées de laves et projections
acides: trachytes
basiques: basaltes
Tableau II: classification simplifiée des roches
magmatiques
les plus communes (les roches plutoniques sont en MAJUSCULES, les
roches
volcaniques en minuscules).
Figure 1: Position schématique des principales roches
magmatiques
en fonction de leur composition minéralogique (adapté de
MASON, 1966).
* Roches sédimentaires (exogènes)
meubles ou consolidées, généralement
stratifiées
d'après origine: détritique
chimique
biochimique
d'après composition chimique:
siliceuses (quartzeuses)
argileuses (alumino-silicatées)
carbonatées
..etc.
* Roches métamorphiques
transformation des autres roches sous l'effet de la
température
et de la pression; en surface (cornéenne) ou en profondeur (cas
général). Généralement litées
(schistosité)
Les roches magmatiques donnent des gneiss en
général
Les roches sédimentaires donnent des ardoises (schistes),
des micaschistes et même des gneiss quand les transformations
sont
importantes.
3. PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES DES ROCHES
Classification des roches: intérêt
théorique
Propriétés: action sur
- transformation de la surface de la Terre (érosion,
altération)
- formation du sol
- nature de la végétation
- nature et stabilité des reliefs, des pentes,
résistance
aux efforts mécaniques
- stockage et circulation de l'eau
3.1. Propriétés physiques
Elles dépendent de l'organisation interne (texture, structure) et de la composition minéralogique.
Les notions de structure et de texture dépendent de l'échelle d'observation et du type de roche
r.sédimentaires: texture = arrangement des grains
structure: disposition en grand (lit, corps sédimentaires)
r.magmatiques: texture confondue avec structure= disposition des minéraux
La disposition des éléments peut produire des
surfaces
de discontinuité et des espaces vides (pores).
* Roches plutoniques (exemple: granite)
entièrement cristallisées, cristaux jointifs sans
espaces
vides, compactes et rigides, pas de porosité en petit
(échelle
du grain); en grand des fractures (diaclases) dues aux variations de
température
superficielle (dilatation différentielle) et aux efforts
mécaniques
(tectonique) qui facilitent la circulation de l'eau et
l'altération.
Conséquences:
roches rigides mais cassantes aux efforts mécaniques
bons matériaux de remblai (gravillons) et pierres de
construction
roches poreuses en grand (porosité de fracture) et
perméables
si les fractures sont concourantes (recherche de l'eau en pays
granitique).
* Roches volcaniques
- coulées de laves (exemple: basalte)
roche cristallisée, en petits cristaux (microlithes), avec
des fentes de retrait (refroidissement rapide) et des vacuoles.
Coulées successives stratifiées (surfaces de
discontinuité)
comportement mécanique voisin des r. magmatiques (rigide)
porosité et perméabilité de fracture en plus
des joints de stratification.
matériaux de construction (ballast)
- projections (ex.: tufs volcaniques)
roches meubles ou consolidées, souvent mal
cristallisées
(refroidissement trés rapide, parties amorphes),
stratifiées.
Propriétés des roches sédimentaires: grande
porosité
et perméabilité. R. meubles en accumulation instable
facilement
érodables (cendres volcaniques). R. consolidées plus
rigides
(ex.: ignimbrites) povant servir de pierres de construction (Andes).
* Roches sédimentaires
- Roches meubles (exemple: alluvions, éboulis)
grains indépendants, donc grande érodabilité,
instabilité
sur les pentes.
grande porosité (pores entre les grains) mais
perméabilité
variable: argiles imperméables.
roche à grains fins gorgée d'eau forme un fluide visqueux
qui peut s'écouler. Dans certains cas, la viscosité peut
diminuer à la suite d'une vibration (séisme, marche d'un
animal ou d'un homme): c'est le phénomène de thyxiotropie
observé dans les vases et sables fins ("sables mouvants").
déformation souple, pas de fracture possible. Déformation
sous l'effet de la pesanteur, sur une pente (glissement de terrain),
sous
l'effet de la surcharge des sédiments sus-jacents (diapirisme,
volcans
de boue)
circulation des fluides chargés de matière en solution
peut
provoquer la consolidation de ces sédiments meubles qui changent
de propriétés (en particulier deviennent plus stables).
Généralement bons aquifères (sauf pour les argiles
qui constituent les horizons imperméables)
mauvaise stabilité mécanique.
- Roches consolidées (exemple grès, calcaire
massif)
Les grains soudés entre eux par un ciment donnent un ensemble
compacte
et rigide (comme une roche plutonique) mais toujours une
porosité
par les espaces inter-granulaires et les surfaces de stratification
comportement mécanique rigide, fractures, plan de
stratification
aide au débitage pour la taille, peut favoriser le glissement
sur
les pentes, l'érosion surtout si couches superposées de
lithologie
différente (calcaire sur argile).
porosité primaire: espace intergranulaire au
dépôt
du sédiment respecté par la cimentation
porosité secondaire par dissolution en surface
(altération)
ou en profondeur (diagénèse)
porosité localement nulle si la cimentation est totale
(exemple
quartzites)
cas des calcaires dissous localement par les eaux d'infiltration
qui établissent un réseau karstique et des poches de
dissolution
où s'accumulent les argiles primitivement dispersées dans
le calcaire.
cas de la craie en Picardie: porosité intergranulaire et
porosité
de fracture donnant une perméabilité (nappe dela craie);
rôle des niveaux argileux imperméables intercalés.
cas particulier des roches solubles (gypse, sel).
* Roches métamorphiques
selon le degré de métamorphisme (température
et pression):
- roches sédimentaires peu transformées; nouvelles
cristallisations diminuent la porosité; réorientation des
minéraux poduisant des plans de schistosité qui modifient
le comportement mécanique (plus grande fragilité si lits
micacés)
ex.: les schistes (ardoises)
- roches sédimentaires tés
métamorphisées
et roches magmatiques: faciès gneiss proche des granites.
comportement
rigide, porosité de fracture.
3.2 Propriétés chimiques
influencent la destruction de la roche et la formation de nouveaux minéraux au cours de l'altération superficielle, donc la composition du sol et le type de végétation.
2 grands groupes de roches du point de vue chimique: les roches siliceuses et silico-alumineuses, les roches carbonatées.
* roches siliceuses et silico-alumineuses
- Roches siliceuses (quartzeuses) contiennent peu
d'éléments
en plus de la silice; donnent des sols pauvres
- roches silico-alumineuses contiennent de nombreux
minéraux
secondaires libérant des éléments qui peuvent se
retrouver
dans le sol. Le type de sol dépend en dernier ressort du climat.
Dans certains cas, la concentration de certains
éléments-traces
dans le sol favorisent le développement de plantes
caractéristiques
qui servent alors de guide de prospection.
Les roches magmatiques basiques sont plus riches en
éléments
variés. Les roches volcaniques, généralement
trés
altérables, donnent des sols fertiles.
* roches calcaires
La liste des éléments chimiques contenus est bien
différente (Ca++, Sr++, Mg++...)
Altération: dissolution des carbonates par les eaux acides
(pluie
avec CO2). Les minéraux non carbonatés, surtout les
argiles,
les amas siliceux, s'accumulent (argile à silex pour la craie)
et
donnent des sols argileux. Les calcaires pures ne laissent peu
d'éléments
chimiques sur place à l'altération: les sols
caractéristiques
sont des rendzines contenant beaucoup de matière organique (ex.:
sol des montagnes calcaires).
Sur calcaires, végétation calcicole
caractéristique.
* roches salines
Sols et végétation particulière
Le passage de la roche au sol se fait par altération chimique de la roche et contribution des êtres vivants. Le rôle du climat est fondamental.
REFERENCES
MASON (1966)
POMEROL C. et RENARD M. Eléments de géologie. Doin.