Introduction à la science des matériaux/Annexe/Application à la géologie

Nous allons appliquer les notions vues au chapitre Diagrammes binaires et transformations de phase au cas de la formation des roches.

Faux amis

Orgues basaltiques

Lors de la solidification d'un lingot, une partie des cristaux ont une structure colonnaire qui est parfois qualifiée de « basaltique ». En effet, les basaltes solidifient souvent en formant des « orgues ». Toutefois, les colonnes, à symétrie hexagonale, ne sont pas des monocristaux comme dans le cas de la structure colonnaire des métaux. Il s'agit d'un réseau de fissures dues aux contraintes générées par le refroidissement (contraction).

De la même manière, les dendrites observées dans certains minéraux ne sont pas dues à la solidification, mais à la pénétration de liquide dans des fissures.

Roches magmatiques

Classification de Streckeisen pour les roches plutoniques

Les roches magmatiques se forment par solidification d'un matériau en fusion issu des profondeurs : le magma. Pour les classer, on utilise la classification de Streckeisen, ou diagramme QAPF (quartz, feldspath alcalins, plagioclases, feldspathoïdes), qui est un diagramme ternaire à ceci près qu’il n’est pas gradué en pourcentage massique d'éléments mais de minéraux.

Roches volcaniques

Les roches volcaniques sont formées par solidification, à l'air libre ou en profondeur, de magma suffisamment fluide pour pouvoir atteindre la surface : magma pauvre en silice. En surface, le magma se dégaze et devient ainsi de la lave ; cette lave peut s'écouler le long des flancs du volcan en des coulées de lave qui finissent par refroidir pour produire des roches volcaniques de surface. On est, alors, dans le même cas que la coulée d'un lingot de métal.

En profondeur, la part de magma qui n'a pas atteint la surface peut aussi refroidir, mais lentement, pour donner des roches volcaniques de profondeur. Ces roches contiennent souvent une phase vitreuse, c'est-à-dire amorphe, non cristallisée, qui n'a pas été étudiée dans la présente leçon. Cette phase vitreuse est d'autant plus importante que le matériau s'est refroidi rapidement.

Pierre ponce

La lave peut contenir encore une grande quantité de gaz dissous ou non qui se retrouve piégée lors d'une solidification de surface trop rapide. Lors de la solidification, ces gaz vont être repoussés vers l'intérieur — ségrégation similaire aux bulles d'air dans le glaçon — et vont former de petites cavités donnant des roches volcaniques peu denses : les ponces, ou pierres ponce.

Roches plutoniques

Les roches plutoniques se forment par solidification de magma sous terre. Le refroidissement est alors lent, les roches ont le temps de bien cristalliser, et de former de gros cristaux.

Ces roches se forment par refroidissement d'un magma riche en silice et trop visqueux pour atteindre facilement la surface. Le magma peut s'introduire dans d'autres roches et, lors de son installation, il s'enrichit par fusion de roches à son contact. Par ailleurs, il chauffe des roches un peu plus éloignées (conduction thermique) provoquant en leur sein des fusions partielles : les intrusions (granite) s'entourent ainsi d'auréoles de métamorphisme (roches transformées). Le magma peut être obtenu aussi, lors d'une orogénèse (formation des montagnes), par une lente et forte augmentation de pressions au sein de l'écorce terrestre : c’est l'anatexie (fusion totale). Les zones centrales des montagnes montrant des granites d'anatexie sont bordées de roches métamorphiques qui, ayant subi un réchauffement moindre, n'ont montré qu'une fusion partielle.

Granite

La roche la plus connue est le granite. Les cristaux ont des dimensions de l’ordre du millimètre.

Roches sédimentaires

Les roches détritiques, issues de l'érosion de roches, ou organogènes, issues d'organismes vivants, ne se forment pas par solidification. La présente leçon est donc peu utile pour leur étude.

Halite

Rose des sables

Les évaporites se forment par évaporation de l'eau : la concentration des sels minéraux provoque leur précipitation sous forme de cristaux. C'est le cas, par exemple, du sel de mine (halite), de la dolomie et du gypse, qui sert pour le plâtre mais constitue aussi les roses des sables. Bien qu’il ne s'agisse pas de solidification, un certain nombre d'éléments évoqués restent valables : la formation de germes sur des défauts puis la croissance est similaire à ce qui se passe en solidification, et la description cristallographique est similaire.

extrait du diagramme binaire du mélange eau+sel ; la partie L+S de droite correspond à une précipitation de sel dans l'eau.

Par ailleurs, on définit une concentration limite, dite limite de solubilité c_s :

• si la concentration en sel (espèce ionique) c est inférieure à c_s, alors tout le sel est dissout ;
• si c excède c_s, alors une partie du sel précipite, la concentration en sel dissout reste c_s.

L'évaporation de l'eau fait augmenter c.

La limite de solubilité augmente avec la température : on peut dissoudre plus de sel dans de l'eau chaude que dans de l'eau froide. Le tracé de la courbe c_s(T) dans un diagramme (T, c_s) donne en fait un diagramme de phase. Simplement, on ne se déplace pas sur une droite verticale (refroidissement) mais sur une droite horizontale (concentration). Notons que la solubilité d'un sel est habituellement exprimée en grammes par litre d'eau (357 g/l pour du chlorure de sodium dans de l'eau à 0 °C, et 391 g/l à 100 °C) ou en moles par litre (6,1 mol/l à 0 °C et 6,7 mol/l à 100 °C respectivement).

Roches métamorphiques

les roches métamorphique sont des roches, de toute nature, qui ont été transformées par la température et la pression régnant en grande profondeur. Des fusions partielles suivies d'un lent refroidissement permettent la formation de cristaux. Contrairement aux traitements thermomécaniques des métaux, il se produit également des transformations chimiques, en général perte ou gain de molécules d'eau. Des modifications physiques d'organisation forment des plans de clivage donnant des roches métamorphiques feuilletées. On peut citer comme exemples de roches métamorphiques le marbre, l'ardoise ou les schistes.