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COURS CBG SN1 STRM 2014 .pdf



Nom original: COURS_CBG-SN1_STRM_2014.pdf

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1
REPUBLIQUE DE COTE D’IVOIRE
Union – Discipline – Travail
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de
la Recherche Scientifique
UFR des Sciences de la Terre et des
Ressources Minières

Université Felix Houphouët Boigny de
Cocody

Département des Sciences et
Techniques de l’Eau et du Génie de
l’Environnement

GEODYNAMIQUE EXTERNE

LICENCE I

Prof. SORO N.

Année Scolaire 2013-2014

2

AVANT-PROPOS
Ce cours est destiné aux étudiants de première année
de Chimie-Biologie-Géologie (CBG) et des Sciences de
la Nature (SN). Les étudiants des Grandes Ecoles et
Instituts y trouveront des notions de base dans la
compréhension de certains phénomènes géologiques
se déroulant à la surface de
la terre et qui
concourent à la formation des paysages.
Le cours est abondamment illustré et rendu le plus
concis possible, ce qui en facilite sa compréhension. Il
est axé essentiellement sur la description des
différents processus de façonnement des paysages
tels que : l’altération, l’érosion, le transport et le
dépôt des sédiments.
Toutes les notions de la Géodynamique externe n’ont
pas été abordées et c’est pourquoi ce cours connaîtra
des révisions au fil des années mais tout en se
conformant à l’’esprit du programme officiel prévu
pour les étudiants inscrits en première année des
Sciences chimiques et naturelles.
Nous tenons à préciser que ce fascicule est un abrégé
du cours donc un support de travail, son acquisition
ne dispense nullement l’étudiant de suivre les cours
magistraux.

3

INTRODUCTION
Au sens large, la géologie comprend toutes les sciences de la terre. Dans un sens
restreint, c’est l’étude de la terre elle-même sans son enveloppe gazeuse.
La géologie est une science descriptive et explicative basée sur l’observation des
phénomènes actuels et passés conformes aux données expérimentales et aux lois
des sciences exactes (figure 1).
La géologie est l’une des sciences les plus diversifiées dont les principales
branches ne reflètent que partiellement les différentes interfaces qui existent
entre elles.
PRINCIPALES BRANCHES DE LA GÉOLOGIE :
 GÉOLOGIE HISTORIQUE basée sur la stratigraphie (succession des
couches)
 GÉOLOGIE STRUCTURALE décrit les structures actuelles de la terre
 PÉTROGRAPHIE étudie l’aspect descriptif des roches
 PALÉONTOLOGIE étudie les fossiles, restes et empreintes des plantes
et des animaux
 GÉOLOGIE APPLIQUÉE comprend :
 Géotechnique : (tunnel, barrage, etc.) mécanique des sols et des
roches ;
 Métallogénie : gîtes minéraux et leurs formations ;
 Hydrogéologie : eaux souterraines, eaux de sources, puits, etc. ;
 Pédologie : étude du sol et ses applications (agriculture, etc.) ;
 Géologie du pétrole : gaz, huile, cire fossile, migration,
exploitation ;
 Géologie du charbon : gisement, formation, exploitation.
L’étude des formes du relief et des paysages actuels de la terre (modelé)
constitue l’objet de la GEOMORPHOLOGIE dont l’un des aspects est la
GEODYNAMIQUE (figure 2).
La GEODYNAMIQUE a pour but d’établir les corrélations entre les données
fournies par la géologie classique, la tectonique, la géophysique, la géochimie et
la physique expérimentale.
Le modelé actuel de la terre est dû :
- d’une part, à des phénomènes géologiques d’origine interne (volcans, venues
magmatiques, tectonique, séisme, etc.) qui intéressent la Géodynamique
interne ;
- et d’autre part, à des phénomènes superficiels qui ont lieu à la surface du
globe et désignés sous le terme de Géodynamique externe.

4

Figure 1

5

Figure 2. Cycle de la géomorphologie

6

La géodynamique externe étudie donc les phénomènes se déroulant à la surface
de la terre et qui sont à l’origine de la formation des paysages. Ces phénomènes
se divisent en trois groupes :
 phénomènes atmosphériques (vent, tempête, cyclone, ouragan, typhon,
etc.) ;
 phénomènes hydrosphériques (mouvements de la mer : marée,
transgression, régression, Tsunamis, activités du cycle de l’eau ;
inondations ; phénomènes glaciaires ; eustasie, etc.) ;
 phénomènes lithosphériques (altération, érosion, transport, dépôt des
sédiments,

diagenèse).

Tous

ces

processus

ci-mentionnés

sont

conditionnés par l’orographie, la climatologie, l’océanographie, la
végétation, l’hydrologie et l’influence des êtres vivants.

7

PARTIE
I.
FAÇONNEMENT
PAYSAGES ET EVOLUTION
FORMES DU RELIEF

DES
DES

I. AGENTS DE FAÇONNEMENT DES PAYSAGES
I-1. Agents atmosphériques
- Température
Les facteurs thermiques dépendent du climat.
Les climats tropicaux humides sont par exemple beaucoup plus agressifs que les
climats froids pour l’altération chimique.
En pays froids et en pays tempérés les variations de température agissent
indirectement en provoquant le gel de l’eau contenue dans les fissures ; il en
résulte lors du dégel, des ruptures et la désolidarisation des fragments de la
roche. C’est le phénomène de gélifraction ou cryoclastie.
En climat désertique les écarts de température entre le jour et la nuit peuvent
atteindre parfois 70°C. De tels écarts de températures provoquent la dilatation et
la contraction des roches et engendrent leur éclatement.
- Vent
Le vent est à la fois un agent d’érosion, de transport, de dépôt et de
sédimentation.
Le vent chargé de sable (essentiellement des grains de quartz) exerce une action
d’usure et de polissage, creuse des alvéoles dans les roches dures et des sillons
(ripple-marks) dans le sable. La capacité de transport du vent reste toutefois très
faible.
- Climat
L’alternance gel et dégel des climats froids est un facteur essentiel de la
désagrégation des roches. Les climats froids et tempérés sont plus agressifs pour
les roches calcaires. En climat chaud et sec, les roches s’écaillent.

8

- Eaux de ruissellement
Les eaux de ruissellement (ou eaux courantes), interviennent dans le cycle de
l’érosion au sens large, c’est-à-dire : destruction, usure des roches et transport
d’éléments.
- Eaux souterraines
Elles regroupent les eaux météoriques d’infiltration (pluie, grêle, brouillard,
rosée, neige) qui ne s’évaporent pas et ne ruissellent pas, les eaux fossiles
emprisonnées dans les sédiments et les eaux juvéniles (eaux d’éruption
volcanique et eaux d’origine magmatique).
La circulation des eaux souterraines va dépendre de la porosité et de la
perméabilité des roches, mais aussi de la nature de l’eau (eau de rétention, eau
capillaire et eau de gravité).
- Glaciers
Un glacier est une grande masse de glace naturellement permanente à l’échelle
humaine.
Une propriété remarquable des glaciers est le fait qu’ils s’écoulent comme des
fluides. Il en résulte que les lois d’écoulement des glaciers sont identiques à
celles des liquides.
I-2.

Agents biologiques

Les racines des végétaux et les matières organiques putréfiées secrètent des
acides qui sont des agents de destruction très actifs.
Les plantes supérieures ont une action mécanique destructrice par leurs racines.
Les plantes inférieures, par contre, ont un rôle de destruction chimique de même
type que les acides secrétés par la matière organique en putréfaction.
En revanche, le couvert végétal joue un rôle protecteur contre l’érosion.
L’homme et les microorganismes ont également une action non négligeable dans
le processus de désagrégation des roches.

9

II- PROCESSUS DE FAÇONNEMENT DES PAYSAGES
Les formes du relief que nous observons à la surface de la terre sont la résultante
de deux forces antagoniste : l’orogenèse et la gravité.
L’orogenèse plisse les roches et les soulève sous l’action des forces internes.
La gravité tend à éliminer les reliefs en usant les montagnes et remplissant les
bassins de sédiments.
Les actions de l’orogenèse et la gravité agissent simultanément. L’ensemble de
ces actions qui concourent à la destruction des reliefs constitue la glyptogenèse.
La fragmentation des roches se fait sous l’action de facteurs physiques
(désagrégation) et chimiques (altération).
La figure 3 montre les facteurs intervenant dans l’évolution d’une roche.
II-1. Altération
-Définition
L’altération désigne l’ensemble des processus physique, chimique et
biologique qui conduisent les roches saines à leurs produits de
décomposition.
L’altération ne s’accompagne pas nécessairement de transport ou de
déplacement de matériel ainsi altéré. C’est pourquoi on parle d’altération sur
place (en anglais : weathering) par opposition à l’érosion qui transporte. Cette
altération sur place est désignée par le terme de météorisation.
L’altération sur place peut se présenter de trois façons : elle peut être
mécanique ; elle peut se faire par dissolution dans l’eau ; enfin elle peut être
chimique.

10

Figure 3. Facteurs intervenant dans le cycle d’évolution d’une roche

11

a- Altération physique (ou désagrégation physique) des roches
La désagrégation physique (mécanique) des roches est particulièrement
importante sous les climats désertiques où les variations de température peuvent
dépasser 50 °C entre le jour et la nuit. Elle est également grande sous les climats
humides dont la température varie autour de 0 °C (action du gel et du dégel).
Les variations répétées de température (40-50°C d'amplitude journalière dans le
Sahara) ont à peu près le même effet que le gel: les différences de dilatation
thermique entre les minéraux d'une roche provoquent l'apparition de fractures;
La décompression survient lorsque des roches ayant subit un enfouissement sont
libérées de la pression lithostatique par érosion des formations surincombantes.
Des joints de décompression, pratiquement parallèles à la surface du sol se
développent progressivement.
- Effets des variations journalières de température
Les variations de température entre le jour et la nuit sont d’autant plus fortes que
l’atmosphère est plus pauvre en vapeur d’eau. Ces variations, nulles sous
l’équateur, augmentent du Sud vers le Nord et atteignent un maximum sous les
tropiques. Elles décroissent ensuite vers les régions tempérés et les pôles.
Une insolation intense succédant au froid nocturne provoque une dilation de la
surface de la roche. La zone superficielle finit par se détacher. On dit que la
roche se pèle.
A la tombée de la nuit, il se produit la contraction de la surface de la roche qui
entraîne une compression de l’intérieur provoquant son éclatement.
Si la roche est très hétérogène les variations brusques de température font naître
des tensions qui finissent par la dilacérer et conduisent à la formation de sable
appelé arène (figure 4).

12

Fig.4 Phénomène d’arénisation d’un massif de granite (in Yacé)

13

- Effets des variations annuelles de température
Les variations annuelles de température croissent avec les latitudes. Elles sont
maximum au sol et s’atténuent avec la profondeur pour disparaître à 20 ou 30
mètres où règne toute l’année une température constante égale à la température
moyenne du lieu.
Au-delà, elle augmente de 1° par 30 m (gradient géothermique). Cette partie
superficielle de 20 à 30 m est soumise à une alternance de dilatations et
contractions qui entraînent une microfissuration de la roche. Cette
microfissuration et les vides qui se développent ainsi dans les roches permettent
à l’eau de s’infiltrer et de déclencher les phénomènes d’altération.
- Effets du gel
Les alternances de gel-dégel, en climat suffisamment humide, fragmentent les
roches (cryoclastie). L'eau en gelant augmente son volume de 9-10% et agit
comme un coin, élargissant progressivement les fractures (figure 5).
Cas des roches gélives. Les roches qui ont beaucoup de pores ou de micro
fissures sont dites gélives ; il s’agit des grès mal cimentés, des molasses, la
craie, etc. L’eau qui gèle dans les pores sépare les grains les uns par rapport aux
autres.
Cas des roches compactes et fissurées. L’eau qui gèle dans les fissures
provoque une fracturation de la roche, qui peut aller jusqu’à un véritable
concassage.
En montagne, les blocs libérés par la fusion de la glace dégringolent les parois,
s’engouffrent dans les couloirs aux pieds desquels ils s’accumulent donnant des
cônes d’éboulis.
Cas des roches compactes non fissurées. Le gel est en principe sans effet sur
ces roches. En fait, ce cas est rare, car les variations brusques de température
dues à un changement de temps, un blizzard, une pluie froide, etc., amorcent une
fissuration et on se trouve ramené au cas précédent.

14

.

Altération physique.
A: cryoclastie d'un basalte (roche macrogélive), Islande;
B: cryoclastie d'un schiste (roche microgélive), Belgique;
C: joints de décompression dans un massif granitique, Ploumanach;
D: glace chargée de sable et de graviers, Pyrénées.
Figure 5. Effets de la température et du gel sur les roches

15

- Effets de chocs
* la fragmentation peut résulter de chocs (conséquence d’éboulement à la
suite du gel, par exemple) ;
* les grains de sables projetés par le vent peuvent arracher des particules.
- Géométrie du fractionnement des roches
 le fractionnement granulaire (figure 6a) ;
 l’exfoliation : il s’agit du décollement des enveloppes extérieures d’une
roche suivant des plans de moindre résistance. Leur formation est la
conséquence des augmentations de pressions liées à l’augmentation de
volume due à la transformation des feldspaths en argile (figure 6b) ;
 la séparation en blocs grâce à l’écartement des joints préexistants (figure
6c) ;
 l’éclatement en fragments anguleux (figure 6d).
Cette forme d’altération se rencontre :
- à l’échelle du bloc (exemple d’altération en boules de granite) (figure 7)
- à l’échelle de la montagne (Pain de sucre - Rio de Janeiro) (figure 8).
Le résultat de l’exfoliation peut se traduire par un écaillement de la roche
(figure 9).

16

Fig.6- Géométrie du fractionnement des roches

17

Fig.7- Altération en boules de granite. Village de Béhiri
/p Lakota (Photo N. Soro)

Fig. 8- Pain de sucre de Rio de Janeiro-Brésil
(culmine à 396 mètres - image Wikimédia)

18

Figure 9. Ecaillement de roche

19

b) Altération biologique
Elle se présente sous deux formes :
- l'altération provoquée par l'action chimique des composés produits par
des organismes (plantes, microbes,...). C’est un processus très important qui
va mettre en jeu l'oxydation de la matière organique (par la fermentation
ou la respiration), produisant de l'eau et du CO2. Lequel CO2 est impliqué
dans des réactions de mise en solution:
 C6H12O6+ 6 O2 → 6 CO2+ 6 H2O
La combinaison du CO2 et de l'eau donne naissance à l'acide carbonique
(H2CO3), qui peut solubiliser la calcite (ou un autre carbonate) selon la
réaction :
 H2CO3+ CaCO3 → Ca++ + 2 HCO3L'action des microorganismes ne se limite pas à la production de CO2. Ainsi
les minéraux des roches, dès leur arrivée en subsurface, sont soumis à
l’action métabolique de ces organismes. Des colonies microbiennes croissent
à la surface des roches, s'infiltrent dans les fractures à la recherche d'éléments
essentiels à la vie.
L'altération microbienne se manifeste surtout sous la forme d'une dissolution
des minéraux par des acides organiques dont le plus fréquent est l'acide
oxalique. L'attaque des minéraux par ces acides libère des cations
métalliques qui, combinés aux anions organiques, donneront naissance à
des complexes organo-métalliques
-

l’altération purement mécanique de plantes ou d'animaux.

La dilatation progressive des racines entraîne la fracturation des roches.
L’homme également prend une part active dans le processus de
désagrégation des roches.

20

c) Altération chimique
L’altération chimique se fait en général soit sur les parois rocheuses, soit le plus
souvent sur les fragments de roches désagrégées par l’intermédiaire de l’eau à
l’état pur ou sous l’action d’une acidification (acides organiques provenant de la
décomposition des végétaux).
La plupart des réactions impliquées dans l'altération chimique nécessitent la
présence d'eau et d'air
c-1. Agents de l’altération
L’eau, qui s’infiltre dans le sol contient des gaz et des acides dissous (l’oxygène,
le gaz carbonique et les acides azotiques ou humiques provenant de la litière
végétale en voie de décomposition).
Le comportement chimique des roches vis-à-vis de l'atmosphère et de
l'hydrosphère est conditionné par les espèces chimiques présentes :


N2 (80% de l'atmosphère) => inerte, ne participe guère aux réactions ;




O2 (20% de l'atmosphère) => oxydation ;




CO2 (0,0003% = 300ppm volume) => ± inerte comme gaz, mais très
corrosif dans l'eau => formation d’un acide ″faible″: HCO3- + H+ ;





H2O (traces dans l'atmosphère) ... elle détermine tout !
Soufre, Hydrogène, etc.

Les roches (silicates et carbonates) sont toutes exposées à ces molécules.
L'altération chimique est très largement déterminée par la teneur en H2O. C’est
pourquoi il serait utile de faire un rappel de la structure de l’eau (figure 10).

21

Rappel : la molécule d’eau
Structure de la molécule d'eau

Figure 10: Structure et arrangement des molécules d'eau.

22

Une des caractéristiques les plus importantes de la surface de la Terre est
l'abondance de l'eau sous forme liquide, solide ou gazeuse.
La molécule d'eau se présente comme un dipôle (positif du côté des deux
Hydrogènes, négatif du coté de l'Oxygène) ; cette propriété est due à la liaison
covalente asymétrique qui unit les atomes d'hydrogène à l'oxygène.
Les deux atomes d'hydrogène sont placés d'un seul coté et engendrent une faible
charge.
La nature polaire de la molécule d'eau permet l'établissement de liaisons
hydrogènes entre les molécules qui se disposent en groupes tétraédriques.
Les propriétés particulières de l'eau sont largement dominées par ce dipôle.
La structure de la molécule d’eau révèle des lacunes. Suivant la taille de ces
lacunes et la taille des ions (en contact avec l’eau), il y a rétention ou non de ces
ions dans la structure de l’eau aboutissant au phénomène d’hydrolyse.
L’hydrolyse conduit en définitive à la formation d’un nouveau milieu de genèse
des minéraux régi par le potentiel d’oxydo-réduction (Eh) et le potentiel
d’hydrogène (pH). L’hydrolyse des cations varie donc en fonction du pH des
eaux et de la température du milieu.
Lorsque le minéral est brisé par hydrolyse, les cations libérés des silicates,
deviennent des accepteurs d’électrons et attirent ainsi les dipôles d’eau dont la
force d’attraction à l’égard d’un ion va déterminer sa solubilité.
Cette attraction des cations est proportionnelle au rapport Z/ri (rapport entre la
charge et le rayon ionique) appelé potentiel ionique.
En fonction du potentiel ionique GOLDSCHMIDT divise les cations en 4 quatre
catégories (figure 11)


1) "antistokes" (Rb, Cs, .. )

trop grands, trop faiblement chargés, ces cations n'arrivent pas à capter
l'attention des H2O ...


2) solubles (Na, K, Mg, Ca, Sr, Pb, Ba ...)

le rapport charge/taille est juste parfait pour une complexation d'un cation qui
s'entoure de quelques molécules d'H2O, qui lui tournent tous leur coté négatif
(oxygène)

23



3) précipitants - hydrolysats (Fe, Ti, Mn, Al, Be, ...)
o petits et fortement chargés, ces cations arrachent un H à l'eau, ils se
lient définitivement avec un OH- résultant et d'autres anions
(souvent un O2-) pour former des hydroxydes très peu solubles
(hydroxydes de fer, d'Aluminium => Bauxites, Latérites ...)
o



4) oxyanions solubles (PO4-, SO42-, SiO44-,CO32-, NO3-)
o très petits, très chargés, très agressifs, ces cations arrachent les deux
"bras" à plusieurs molécules d'eau
o

ils se lient (liaisons covalentes) durablement avec deux, trois ou
quatre oxygènes

o

ces oxyanions sont eux-mêmes assez solubles dans l'eau (ils sont à
leur tour complexés comme les cations solubles ...)



=> le tout est fortement dépendant du pH de la solution
o <=> rétroactions importantes avec ces réactions !

La valeur de Z/ri permet donc d'expliquer le lessivage des cations solubles
et des oxyanions, l'immobilité relative des hydrolysats comme l'Al (OH)3
(gibbsite).

24

Fig.11- Diagramme de Goldschmidt

25

c-2. Principales réactions chimiques de l’altération
Les principales réactions chimiques qui sont à la base de la mise en solution des
cations majeurs et de la formation des argiles sous nos climats sont :
l’hydratation, l’hydrolyse, la dissolution et l’oxydation, décarbonation.
- Hydratation/déshydratation
C’est le processus par lequel un minéral absorbe l’eau pour se gonfler ou pour
former un autre composé. De façon concrète, on a : minéral + eau = nouveau
minéral hydraté ; la déshydratation est le processus inverse.
Exemples :
 la biotite (mica noir) absorbe l’eau entre ses feuillets pour donner la
chlorite.
 L’hydratation de l’anhydrite donne du gypse :
CaSO

4

 2H 2 O  CaSO

anhydrite + eau

4

,2H 2 O

gypse

 L’hydratation de l’hématite donne la limonite :
Fe2O3 + 3H2O →2Fe(OH)3
 L’hydratation de la kaolinite produit la gibbsite
- Hydrolyse
L’hydrolyse (action des ions H3O+ et OH-) est le phénomène le plus important
dans l’altération des roches au cours duquel il y a, d’une part, destruction totale
du minéral et d’autre part libération et mise en circulation des principaux
ions. C’est par ce phénomène que les eaux acquièrent leur composition
chimique. En général le phénomène d’hydrolyse se déroule en deux étapes :
hydratation et dissociation (ou ionisation) de l’eau.
- l’hydratation au cours de laquelle les dipôles de l’eau se fixent sur
l’oxygène de la structure du minéral ;
- dans le minéral, l’eau se dissocie en hydroxyle (OH-) et en protons
(H+) ; à l’intérieur du minéral, ces protons et ces hydroxyles chassent les
cations polyvalents comme Ca2+, Fe3+, Mg2+, etc.
L’hydrolyse comprend toutes les réactions de l’eau avec les minéraux des
roches. Presque tous les silicates sont soumis à l'hydrolyse. C’est par ce
processus que la plupart des ions majeurs dans le sol (Ca2+, Mg2+, Na+, K+,
HCO3-, Cl-, SO42-) ainsi que les ions accessoires (Al3+, Fe3+, Mn2+, SiO2, H4SiO4
(acide orthosilicique)) sont libérés.
Les réactions d’hydrolyse les plus importantes sont celles qui suscitent la
transformation des feldspaths en argiles.

26

L'hydrolyse est totale lorsque le minéral est détruit en plus petits composés
possibles (hydroxydes, ions). Cas d'un feldspath sodique, l'albite:
NaAlSi3O8 + 8H2O -------> Al(OH)3 + 3H4SiO4 + Na+ OH Albite + eau --------> gibbsite + acide silicique + ions précipités
+solution de lessivage Al(OH)3 ou Al2O3, 3H2O
Les corps résultants peuvent ensuite réagir entre eux et donner des minéraux
argileux (néoformation).
L'hydrolyse est partielle lorsque la dégradation est incomplète et donne
directement des composés silicatés (argiles). Ces composés diffèrent selon les
conditions de milieu. L'hydrolyse partielle de l'albite donne soit de la
kaolinite, soit des smectites.
(1) Formation de kaolinite:
2Na Al Si3O8 + 11H2O ------> Si2O5Al 2 (OH) 4 + 4H4SiO4 + 2( Na+, OH -)
albite + eau ----------------------> kaolinite + ac.silicique + ions
(2) Formation de smectite
2,3Na Al Si3 O8 + H2O ------> Si 3,7Al0,3 O10 Al2 (OH)2 Na0,3 +3,2H 4SiO 4 + 2(
Na+, OH- )
albite + eau ----------------> smectite + ac.orthosilicique + ions
Cette 2ème réaction reste assez théorique car d'autres ions y participent, en
particulier le Fer (Fe 3+).
Facteurs externes contrôlant l'hydrolyse
Ce sont les facteurs physico-chimiques qui participent notamment à la définition
du climat:
* la concentration en SiO2 exprimée en concentration d'acide silicique
H4SiO4 ;
* la concentration en cations basiques (Na+, Ca++, K+) ;
* le pH déterminé en particulier par les acides organiques,
* la température dont l'augmentation régit la vitesse des réactions et la
possibilité de dissolution des ions dans l'eau ;
* la vitesse de circulation de l'eau dans le milieu (drainage) exprimae les
conditions de confinement ou de lessivage.

27

- Dissolution

On appelle dissolution, le phénomène par lequel un produit se dissout
rapidement dans l’eau et disparaît (exemple : sucre, sel et de nombreux
produits chimiques). L’eau est un solvant universel en raison de sa propriété à
dissoudre d’autres substances.
La dissolution est la réaction la plus simple, faisant intervenir de l'eau ou un
acide. Par exemple :


la solubilité du quartz est très faible (6 ppm dans les eaux de surface).

La réaction de mise en solution est la suivante: SiO2 + 2 H2O  H4SiO4


la calcite (CaCO3), par contre est beaucoup plus soluble, parce que l'eau
de pluie se charge en CO2 et agit comme un acide faible lors de sa mise en
contact avec la calcite (environ 2000 ppm) (figure 12).

La réaction est la suivante: CaCO3 + H2O + CO2  Ca+++ 2 HCO3(bicarbonate en solution).


la halite et les autres halogénures sont très solubles (solubilités de l'ordre
du millier de ppm).

Tous les minéraux de la croûte terrestre sont solubles dans l’eau, mais les taux
de solubilité sont extrêmement variables d’un corps à l’autre.
La solubilité des minéraux est fortement dépendante de (figures 13 et 14 ;
tableau 1) :


teneur en gaz carbonique (CO2).



Température



pH



Eh



Ions présents dans la solution

28

Figure 12 : Formes de dissolution par les eaux courantes et de ruissellement.

(A):vue générale de la paroi calcaire surplombant la rivière Fitzroy
(Australie); la partie inférieure (blanche) est régulièrement inondée par les
crues de la rivière, alors que la partie supérieure est toujours exondée.
Des formes de dissolution différentes en résultent: lapiez (B) verticaux dans la
partie supérieure de la paroi ;
cupules (C) dans la partie inférieure.

29

Figure 13 : Propriétés Eh/pH des principaux environnements naturels

Figure 14 : Solubilité des carbonates dans l’eau

30

Tableau 1. Solubilité des minéraux en fonction de la température et du pH
solubilité (ppm)

Minéral

eau douce, 20°C

eau de mer, pH =
8.2

5 à pH = 1 à 8

Quartz SiO2
30 à pH=11
105 à pH = 1à 8

Opal SiO2 (mal cristallisé..)

4.5

490 à pH=11
calcite Ca(CO3)

40 - 85

66

21

50

sidérite Fe(CO3)2

10-25

-

gypse CaSO4*2(H2O)

2400

6000

dolomite CaMg(CO3)2

anhydrite CaSO4

2000

épsomite MgSO4*2(H2O)

262 gr/l

halite NaCl (sel gemme)

264 gr/l

source : Sciences de la Terre et de l'Univers, Brahic et al. 1999, Vuibert, Paris - ... je
crois ...

31

- Oxydation-réduction
Les eaux d’infiltration entraînent de l’oxygène dans le sous-sol où il va oxyder
les sulfures métalliques et les silicates et, par l’intermédiaire des bactéries, la
matière végétale.
Le processus d'oxydation le plus connu est la transformation de Fe2+ en Fe3+.
Le Mn se comporte de la même manière que le fer, avec la pyrolusite (MnO2)
et la manganite (Mn2O3.H2O) comme principaux produits d'oxydation.



(Fe2+)2SiO4+ 1/2 O2+ 5 H2O  2 Fe3+(OH)3 + H4SiO4
4 FeS2+ 15 O2 + 8 H2O  2 Fe2O3+ 8 H2SO4
Pyrite
Hematite

Les belles couleurs ocres-jaunes-rouges des roches altérées, sont
essentiellement dues aux proportions (même très faibles) d'oxydes et
hydroxydes de fer : goethite, lépidocrocite, limonite, pour ne mentionner que
les plus abondants.
A l’intérieur des minéraux ferromagnésiens (olivine, pyroxène, amphibole,
biotite) et des sulfures de fer (pyrite, pyrrhotite) où le Fe2+ est transformé en
Fe3+, l’oxydation entraîne la dissociation des cristaux.
Exemples :
 formation de l’hématite à partir de l’olivine et de l’acide sulfurique à
partir de la pyrite.
3 MgFeSiO

4

 2 H 2 O  H 4 Mg 3 Si 2 O 9  SiO 2  3 FeO

Olivine

eau

serpentine

4 FeO  O 2  2 Fe 2 O 3
Hématite
 formation de l’acide sulfurique à partir de la pyrite
2 FeS 2  2 H 2 O  7 O 2  2 FeSO 4  2 H 2 SO 4
Pyrite
acide sulfurique
- Décarbonation
Elle produit la solubilisation des calcaires et des dolomies généralement sous
l'action du CO2 dissous dans l'eau:
CaCO3

+

CO2

+

H2O

------->

Ca(CO3H)2

soluble

32

c-3. Paramètres contrôlant l’altération chimique
Le climat est le facteur le plus important dans le contrôle de l'altération
chimique. Ainsi une température élevée va favoriser les réactions chimiques
entrant dans l’altération. L'humidité est également importante, puisque beaucoup
de réactions se passent en milieu aqueux.
L'altération chimique est donc prééminente en climat chaud et humide. En
climat froid l'eau, à l'état de neige ou de glace, favorise plutôt l'altération
physique (figure 15).
Le relief, tout en agissant sur la pente des réseaux fluviatiles et la rapidité des
courants, contrôle l'intensité de l'évacuation des ions.
Par exemple pour des circulations faibles, l'albite est transformée en kaolinite,
alors qu'avec une circulation plus rapide, elle est transformée en gibbsite (car
l'acide silicique est évacué).
L'acidité-alcalinité et le degré d'oxydo-réduction des eaux sont également des
paramètres importants contrôlant l'altération chimique (cf. fig. 13).
On constate que l'eau pluviale et les sols sont légèrement acides. Ce sont donc
deux environnements où dissolution et hydrolyse vont jouer un rôle dominant.
Par contre, le pH de l'eau de mer est de l'ordre de 8: peu de réactions
d'hydrolyse ont donc lieu en milieu sous-marin.
La plupart des environnements en contact avec l'atmosphère sont oxydants.
Les conditions réductrices ne sont observées que dans des milieux isolés de
l'atmosphère (bassins stratifiés, nappes profondes,...) ou des milieux dont tout
l'oxygène est consommé (par exemple suite à l'oxydation de la matière
organique).

33

Figure 15: Influence du climat sur le profil d'altération.
En climat tempéré, l'altération est surtout mécanique. L'altération chimique est
faible et consiste surtout dans le départ de cations très solubles comme Na + et
Ca++ des minéraux les moins stables; une arène est créée.
En climat tropical, l'altération est surtout chimique. L'eau abondante et chaude
provoque une mise en solution de la plupart des minéraux, avec reprécipitation
des ions Fe, Al, Si sur place (cuirasse). L'horizon riche en argile résulte de
processus de néoformation à partir des minéraux de la roche mère et à partir
des ions venant des horizons supérieurs. Enfin, à la base du profil, on retrouve
la roche-mère avec une zone d'arénitisation très peu développée.

34

c-4. Rôle du climat dans l’altération des roches
Le climat joue un rôle très important dans la destruction des minéraux primaires
et la composition du complexe d’altération (tableau 2 et figure 16) :
-

les sols de climat froid ou chaud et sec (Cas des déserts et des régions
polaires). L’altération y est nulle ou presque ;

-

les sols de climat tempéré et humide. L’hydrolyse se fait sentir mais
n’est pas très efficace car la température moyenne (8-13°C), la
pluviométrie (500 à 1000 mm/an) et le contraste saisonnier ne sont pas
assez élevés : on obtient des argiles de décarbonation ;

les sols de climat méditerranéen ou nord tropical. L’hydrolyse est
favorisée par de plus hautes températures (13-20°C), par des saisons plus
contrastées et une pluviométrie plus importante (supérieure à 1000 mm):
• la saison humide favorise l’hydrolyse et l’oxydation du fer
• la saison sèche favorise la destruction de la matière organique.
Les sols sont dits fersialitiques car c’est l’illite qui subsiste
-

- les sols des climats de la zone intertropicale. L’hydrolyse est ici très
performante grâce à de fortes pluies et une haute température moyenne (2030°C). Les quartz sont alors partiellement dissous. Seuls restent Fe et Al sous la
forme de goethite, hématite, gibbsite et kaolinite. Ce sont des sols rouges
auxquels sont associés des cuirassements ferreux : les latérites ;
- les sols de climat équatorial. Il tombe 6 à 8 mètres d’eau par an et la saison
sèche est très courte. Cela favorise un lessivage intense. Ces sols sont dominés
par la kaolinite. Selon la roche mère, on distingue :
 sur les roches basiques (basaltes, gabbros) riches en magnésium, on a les
argiles rouges équatoriales;
 sur les roches acides (granites…), on obtient les argiles jaunes
équatoriales.

35

Tableau 2. Type d’altération à partir de l’orthose

Figure 16 : Altération des roches (Pédro, 1972)

36

c-5. Degré d’altérabilité des minéraux
 Résistance d’un minéral à l’altération
 le degré d’altérabilité des minéraux des roches magmatiques est croissante
du quartz à l’olivine. Par contre;
 le degré de cristallisation (formation) des minéraux croît de l’olivine au
quartz.
Le tableau 2 et la figure 17 montrent que le quartz est plus résistant que les
feldspaths potassiques qui eux sont plus résistants que les plagioclases.

Tableau 2: Principaux produits de la décomposition des minéraux des roches
magmatiques
Minéral

SiO2
Quartz
Feldspaths

Orthose

Principaux produits de décomposition
Minéral
autre

Composition
quartz en
grains

silice en solution

-silice en solution
carbonate de K (soluble)

K(AlSi3O8)
argile

Albite (plag.sod .)
Anorthite (plag.
Calc)

Minéraux
Ferro-magnésiens

Biotite
Augite
Hornblende

Olvine

Na(AlSi3O8)
Ca(Al2Si2O8)

Silicates de
Fe,Mg
Ca et Al
(Fe, Mg)2 SiO4

argile
quartz (très
argile
calcite
limonite
hématite
quartz ( très
limonite
hématite
quartz ( très

finement divisé)

-silice en solution
carbonate de Na et Ca (soluble)
-silice en solution
carbonate de Ca et Mg (soluble)

Finement divisé)
-silice en solution
carbonate de Fe et Mg (soluble)
finement divisé)

 La séquence d’altérabilité des minéraux est à comparer à la série de
Bowen qui est la série de cristallisation des roches ignées. L'ordre de
résistance des minéraux à l'altération s’établit comme suit :

37

Labile olivine ...................................................................plagioclases Ca
augite .............................................plagioclases Ca-Na
hornblende ................plagioclases Na-Ca
biotite .........plagioclases Na
feldspaths K
muscovite
Résistant .........................................quartz
Fig.17- Ordre de résistance des minéraux à l’altération selon GOLDICH (1938)

38

On remarque que cet ordre évoque les suites de BOWEN: ce n'est pas un hasard.
Dans un magma, l'olivine cristallise à haute température, elle est donc
particulièrement instable dans les conditions de surface; elle est la plus labile. Le
quartz, en revanche est formé à une température moins élevée, il est plus stable.

 Mobilité des ions
La mobilité d’un ion dépend de son rayon et de sa charge ionique.
 la taille des ions va déterminer leur arrangement cristallin;
 la charge Z d’un ion est 1+, 2+, 3+, … ;
 le potentiel ionique détermine le comportement des ions.

c-6. -Altération chimique des roches magmatiques
L’altération de ces roches est fonction de leur minéralogie et de leur structure.
- altération du quartz
C’est un minéral relativement résistant. En effet, les grains de quartz provenant
de l’altération de granite sont semblables à ceux contenus dans le granite sain.
-altération des feldspaths
Ils ne s’altèrent pas avec la même facilité :
- les feldspaths potassiques, résistent beaucoup ;
- les plagioclases très sodiques résistent moyennement ;
- les plagioclases très calciques s’altèrent au contraire facilement.
En définitive, l’altération des feldspaths consiste en une hydrolyse. La
température, le lessivage, un pH faible favorisent cette hydrolyse.
2 K(Si 3O 8 )  H 2 CO 3  H 2 O  Al 2 Si 2 O 5(OH) 4  K 2 CO 3  4 SiO

Orthose

kaolinite

2

silice

L’altération des feldspaths peut aussi donner de la séricite et de l’illite. Les
argiles se répartissent en trois groupes principaux : kaolinite, montmorillonite et
illite.
- Altération des minéraux ferromagnésiens
Leur altération a pour résultat la formation d’argile, de certains composés
contenant du fer et du magnésium, la libération de quartz et de sels solubles.

39

c-7. Altération chimique des roches sédimentaires
Dans les roches sédimentaires, l’eau agit par hydratation et dissolution
aboutissant à une perte de cohésion de la roche.
Les roches les plus concernées sont la gypsite et la halite (NaCl).
La dissolution des formations gypsitiques entraîne des effondrements en
entonnoirs.
c-8. Profondeur et vitesse d’altération
Il est difficile de déterminer avec précision la profondeur à partir de laquelle la
vitesse d’altération est nulle. De nombreux facteurs interviennent ce sont : la
nature et l’état de fissuration du matériel, les dimensions de la surface exposée,
l’orientation de cette surface, le climat, etc.

II-2. Pédogenèse
La science des sols constitue la pédologie (cf. cours de pédologie) qui fera
l’objet d’un cours plus détaillé. Nous nous bornerons ici à donner quelques
notions en relation avec la géodynamique externe.
II-2-1. Résultats de l’altération des roches : la formation des sols
-Profil d’un sol
Classiquement un sol possède trois niveaux (Figure 18) :
- un horizon A, zone de lessivage ou simplement horizon humifère de
surface ;
- un horizon B, zone d’accumulation ou simplement horizon d’altération
chimique ;
- un horizon C dans lequel la roche mère est partiellement décomposée
(altération physique).
L'altération d'une grano-diorite à été étudiée aux Etats Unis (Boulder, Colorado)
sur une épaisseur de 30 m. Les résultats sont portés sur la figure. La roche est
d'abord décolorée puis colorée en rouge à la surface. Le quartz et, en une
moindre mesure, le microcline sont stables. Les plagioclases, la biotite et
l'amphibole sont détruits. De nouveaux minéraux apparaissent comme les
minéraux argileux et les oxydes de fer. L'analyse chimique montre un
enrichissement en Al2O3, Fe2O3 et K2O, un appauvrissement en Si O2, FeO, Ca
O et Na2O.

40

Profil d'altération sur une roche silicatée.

Fig.18 : Terminologie et processus dans un profil de sol (Selley, 1976)

41

II-2-2. Evolution des sols
La roche est rarement dénudée c’est-à-dire soumise directement à des agents
externes (pluie, vent, etc.). Le plus souvent les phénomènes d’altération
aboutissent à la formation d’un sol plus ou moins évolué suivant l’intensité et la
durée de l’altération qu’il a subies (Fig. 19 et 20) (Tableau 3).
Les sols peuvent être résiduels (formés sur place au détriment d’une roche dite
roche-mère) ou transportés (constitués d’éléments déplacés suite à l’érosion
également d’une roche-mère) (Fig. 21).
Les sols résiduels ou éluviaux ne sont pas stratifiés. Dans les régions arides ils
sont fertiles ; tandis que dans les régions humides ils ont perdu leur fertilité du
fait qu’ils ont été fortement lessivés.
Les sols transportés comprennent les sols d’éboulis et de coulées, les sols
alluviaux, les sols glaciaires, les sols lacustres et les sols éoliens.
II-2-3. Principaux types de sols
On distingue (Figure 22) :
- Sols peu évolués : sols désertiques (aridisols), sols gelés (cryosols), sols
alluviaux et colluviaux ;
- Sols calcimagnétiques ;
-

Chernozem ou Chernosols : sous climat froid et sec (steppe);

-

Sols bruns ou Brunisols : en climat tempéré (association oxydes de Feargiles);

- Gleys : sols hydromorphes, imbibés d’eau; le déficit d’oxygène ralentit
l’humidification et réduit le Fe (couleur gris-vert);

-

Podzols ou Podzosols : sols à horizon cendreux de zones boréales (Taïga)
et tempérées humides;

- Sols rouges : sols sous climats méditerranées et subtropicaux. Sols
fersialitiques riches en oxydes de Fe.

42

Fig. 19: Evolution des sols en fonction de la topographie

43

Tableau 3. Altération et type de sols selon le climat

CLIMAT

Glaciaire

VEGETATION
et SOL

toundra

ALTERATION

désagrégation

ORIGINE des

PRODUCTIVITE

ARGILES

EVOLUTION M.
ORGANIQUE

héritage

nulle

forte

mécanique

Boréal

Taiga et Forêt

complexolyse

transformation

Tempéré

Podzol

et hydrolyse
acide

héritage

hydrolyse
neutre

transformation
néoformation

Sols Bruns
Méditerranéen

Steppes,
savane

faible

Subtropical
FerSiAlitique

héritage

Désertique

néant

désagrégation
mécanique

héritage

nulle

Equatorial

Forêt

hydrolyse
neutre totale

néoformation

maximale

Ferralitique

Fig. 20- Pédogenèse suivant la latitude

44

Fig. 21 : Différentes étapes de formations des sols résiduels et transportés

Figure 22. Quelques profils pédologiques

45

II-3. Effets de la gravité : Mouvements de masse dans les roches
On appelle mouvement de masse ou de façon populaire glissement de terrain,
l’ensemble des phénomènes de déplacement des matériaux sous l’effet de la
pesanteur et de l’action conjuguée de facteurs permanents et de facteurs
déclenchant.
Les facteurs permanents sont liés à la nature géologique des terrains et à leurs
propriétés physiques et mécaniques.
Les facteurs déclenchant dépendent en revanche d'événements extérieurs tels
que les pluies, les séismes ou l’activité humaine (travaux de terrassements ou
déforestation) qui contribuent à modifier les propriétés des sols.
a- Morphologie d’un glissement de terrain
Un glissement se caractérise :
- dans sa partie amont, par des escarpements principaux dits niches
d'arrachement ou crevasses principales et latérales, avec brusque rupture de
pente (pente concave) ;
- dans sa partie aval, par un bourrelet frontal à pente convexe ;
- par une surface topographique bosselée (ondulations, dissémination de blocs
de forte taille,...) ;
- par des manifestations telles que fissuration des bâtiments, arbres couchés ou
inclinés, déformation du réseau routier.
b- Classification des glissements de terrain
Selon la géométrie de la surface de rupture on distingue trois types principaux
de glissements (Figure 23):
- glissement plan : mouvement le long d'une surface sensiblement plane
(couche ou surface tectonique).
- glissement circulaire ou rotationnel : surface de glissement plus ou moins
circulaire. Le mouvement est caractérisé en général par l'existence d'une
zone de départ nette et par un bourrelet frontal plus ou moins marqué ;

-

glissement quelconque : Il s'agit souvent d'une combinaison des deux cas
précédents.

46

a-Glissement plan

Fs = Moment des forces résistantes ;
Moment des forces motrices
b-Glissement rotationel

à l’équilibre Fs = 1

Figure 1: Différents glissements (Colas et Pilot, 1976).

c- Phénomène de glissement
Figure 23 : Différents types glissements

47

c- Cinématique d’un glissement
Dans les glissements de terrain les vitesses de déplacement sont susceptibles de
varier fortement au cours du temps. Les ordres de grandeur vont de quelques
mètres par an à quelques mètres par jour. Millies-Lacroix (1981) identifie
différentes phases de la cinématique du mouvement, avec :
- une phase de préparation, marquée par des déplacements très lents qui
n’entraînent pas de désordres importants ;
- une phase de paroxysme : c’est la rupture proprement dite ;
-

une phase de relaxation, où les vitesses diminuent et le glissement tend
vers un état d’équilibre ;

- une phase de stabilisation ou de consolidation du versant d’une durée
indéterminée.
d- Facteurs dits d’instabilités
-

la pesanteur (facteur permanent) ;

- la géométrie du versant (géométrie externe) ;
- les discontinuités internes (discontinuités stratigraphiques, variations
latérales de faciès, fractures, diaclases,…) ;
- la nature des formations (paramètres d’états et paramètres mécaniques) ;
-

l’eau, ses actions physiques (érosion), chimiques (altération), sa
circulation dans les formations ;

-

le climat, les précipitations (mesurables), les variations de température
conjuguées avec l’action du gel-dégel (non mesurables) ;

- les actions sismiques ;
- les actions anthropiques : tir d’explosif, influence du trafic… ;
- les facteurs préparatoires qui ont une action lente dans le temps et qui
réduisent la résistance au cisaillement du sol en favorisant les
mouvements ;
- les facteurs déclenchant qui peuvent avoir une action lente ou rapide et
mènent directement vers la rupture.

48

II-3-1. Mouvements des débris sur les versants rocheux
a-Entraînement par chute
Ce phénomène se déroule lorsque la pente naturelle d’un versant est supérieure à
la pente limite d’équilibre. Ainsi, la gravité va entraîner des débris grossiers à
forme anguleuse due à l’absence de transport.
 Eboulement
L’éboulement est la chute simultanée d’une portion de terrain qui se
détache en masse sur un flanc abrupt.
Il se produit sous l’effet du poids des blocs métriques de roches désagrégées (par
simple gravité) (Figure 24).
La gravité joue un rôle très important dans ces mouvements de masse.
L’éboulement peut affecter des falaises et des pans de montagne (Fig. 25).
Les facteurs favorisant ce type d’éboulement sont :
- l’escarpement de la montagne ;
-

la présence de fractures ;

-

de diaclases ;

-

de joints qui peuvent être gorgés d’eau ;

-

de niveaux minces plus ou moins argileux ;

-

de travaux miniers proches provoquant des ébranlements (Fig. 26, 27, 28
et 29).

Exemples de quelques grands éboulements célèbres : Eboulements des
Diablerets (1749) ; Eboulement du Rossberg (1806) ; Eboulement d’Elm (1881).

49

 Avalanches et chutes de pierres
Elles constituent un processus gravitaire vertical sans composante
horizontale. Elles se produisent dans les pays montagneux fortement
enneigés. La neige peut descendre brutalement, en avalanche, sur les pentes
des montagnes accompagnée d’un « souffle » destructeur.
L’avalanche suit des couloirs qu’elle contribue à façonner. Une fois la neige
fondue, à l’arrivée dans la vallée, les matériaux qu’elle a arrachés et
transportés avec elle constituent des tas de pierres et débris fins sans forme.
Les causes des avalanches sont :
- la qualité de la neige ;
- la forme du relief ;
- l’intervention extérieure.
Les conséquences sont :
- un manque de stabilité du manteau neigeux
- les hausses de températures : un fort réchauffement (redoux) mais prolongé
provoque une instabilité du manteau neigeux.
Les facteurs fixes influant sur la stabilité du manteau neigeux sont :
- la topographie : la forme du relief, sa disposition, ses caractéristiques ont
une influence sur la formation des avalanches ;
- la pente : l’inclinaison joue un rôle moteur dans un écoulement avalancheux
car c’est à cause de la gravité qu’il y a écoulement ;
- l’exposition : on entend par exposition, l’orientation au soleil. C’est l’un des
éléments essentiels qui influent sur l’évolution de la neige et donc sur la
stabilité du manteau neigeux ;
Les facteurs variables influant sur la stabilité du manteau neigeux :
- les chutes de neige récentes : deux paramètres caractérisent une chute de
neige ; la hauteur cumulée et l’intensité de la chute de neige ;
- la pluie : elle modifie le manteau neigeux, en l’humidifiant. Si la
présence d’eau liquide dans le manteau est trop importante, elle le rend
instable en diminuant sa cohésion ;
- le vent : il transporte la neige pendant ou après un épisode météorologique
neigeux ce qui entraîne de fortes accumulations de neige par endroits et
favorise ainsi l’instabilité superficielle du manteau neigeux.


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