Les roches

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1. Concepts

Le texte ci-dessous est repris de l'aide-mémoire destiné aux terminales et adapté aux élèves-professeurs des écoles.

Qu'est-ce qu'une roche ?

3 approches menant à 3 définitions complémentaires:

A quoi ça sert ?

Une roche est fondamentalement un matériau de l'écorce terrestre.
C'est cette approche pratique, utilitariste ou technique qui est développée en cycles1 et 2. Une roche est un matériau exploité pour construire des routes, des maisons, des objets... (voir niveaux de formulation).

De quoi est-ce fait ?

Une roche est un habituellement un solide composé d'un assemblage de minéraux.
Certaines roches peuvent cependant être liquides (pétrole) ou gazeuses (gaz naturel).
Pour un géologue c'est un caillou, et le terme n'a rien de péjoratif. L'étude des roches est la pétrographie (du latin petrus = pierre).
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.
Cette approche peut être réalisée avec les enfants dès le cycle 2 et poursuivie au cycle 3 dans le cadre de la connaissance de la matière (voir niveaux de formulation et expériences).

D'où viennent les roches ?

C'est une toute autre approche, beaucoup plus conceptuelle et qui ne peut être réalisée qu'au cycle 3, même si les termes définis ici peuvent être employés beaucoup plus tôt. Lorsqu'on s'intéresse aux conditions de formation des roches on fait appel à une compréhension globale des mécanismes géologiques.

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
- roche métamorphique, issue 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.

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 s'être écoulées ou avoir 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). Les roches volcaniques cristallisent plus rapidement que les roches plutoniques et possèdent souvent de cristaux de moins grande taille (l'expérience la plus simple réalisable dès le cycle 2 est la cristallisation de la vanilline - voir expériences). Certaines roches volcaniques solidifiées trop vite n'ont pas cristallisé et donnent des verres (roches vitreuses).

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'œil nu soit sur une lame mince. Voici quelques noms que vous ne pouvez ignorer:

2. Formulations par cycle

La géologie semble être cantonnée au cycle 3 (volcans, séismes et évolution) mais il est clair que les questions sur la terre et le monde minéral débutent bien avant: d'où le travail ci-dessous pour vous aider à formuler les concepts vus ci-dessus.

Cycle 1	Cycle 2	Cycle 3
Les roches sont les matières non vivantes qui constituent la terre. Les cailloux, les rochers, mais aussi le sable, sont des roches plus ou moins transformées par la pluie, le vent ou la mer. Les roches sont souvent recouvertes de terre, qui forme le sol, et dans laquelle de nombreux petits êtres vivants vivent. Les roches forment le sous-sol.	Une roche est un matériau naturel terrestre. De nombreuses roches sont transformées par l'homme pour servir de matériaux dans la construction ou les travaux publics : sables et graviers, granites, calcaires, marbres, craies ....exploitées dans des carrières. Il existe des roches très particulières composées de matière organique morte enfouie profondément : le pétrole (un liquide plus ou moins visqueux), le gaz naturel (un gaz) et le charbon (un solide)	Une roche est un matériau naturel terrestre composé habituellement de minéraux: elle est habituellement solide mais peut être peut être liquide (pétrole) ou gazeuse (gaz naturel). Une roche solide peut être dure (granite) ou moins dure (argile). Une roche solide peut être cohérente (calcaire) ou meuble (sable)(voir séismes - annexe). Selon leur origine on distingue: * les roches sédimentaires issues de la solidification et de la mort des êtres vivants d'un sédiment * les roches magmatiques issues de la solidification d'un magma (roche en fusion venant de l'intérieur de la terre au niveau d'une zone appelée le manteau et située à plus de 150 km de profondeur). Si le magma refroidit et solidifie en profondeur il donne des roches plutoniques comme le granite ou le gabbro. Si le magma arrive en surface il provoque une éruption volcanique qui produit des gaz et des roches en fusion qui donneront en se solidifiant des roches volcaniques. * les roches métamorphiques sont issues de la transformation des roches sédimentaires et magmatiques lorsqu'elles sont enfouies sous terre (elles sont chauffées et pressées et perdent de l'eau). Un minéral est définit comme le composant de base des roches (comme les cellules composent les êtres vivants). Le granite est composé de 3 principaux minéraux : le quartz, un feldspath et un ou des micas comme la biotite. Un minéral est un solide composé d'une espèce chimique d'habitude organisée en assemblage très ordonné que l'on appel un cristal.(expérience a) Quand un magma en fusion refroidit lentement les cristaux bien ordonnés on le temps de se former et les minéraux sont tous présents sous forme de cristaux comme dans le granite où tous les minéraux sont visibles à l'œil nu. Les roches plutoniques, refroidies lentement sont souvent bien cristallisées (roches "cristallines"). Quand un magma en fusion refroidit vite par exemple si une lave arrive au fond d'un océan où l'eau de mer est à une température de 2°C, la lave est "trempée" et les cristaux n'ont pas tous bien le temps de se former comme dans un basalte: l'olivine, qui est le premier minéral à se former, cristallise bien et est souvent visible à l'œil nu, mais par contre les feldspath ou les micas forment des cristaux tout petits ou mal ordonnés qui ne sont pas visibles à l'œil nu. Les roches volcaniques, refroidies plus vite que les roches plutoniques, sont souvent mal cristallisées et peu de minéraux sont visibles à l'œil nu.

3. Expériences

La géologie demande beaucoup de travail et on dit facilement des bêtises. Il est cependant certain que les approches par la réalisation d'expériences et de montages divers sont très riches si l'on reste bien conscient que l'on est pas dans le champ expérimental (au sens strict de méthode expérimentale) mais dans le domaine du modèle. Mon côté géologue me fait dire que l'on devrait plutôt leur faire toucher des cailloux, leur montrer sur le terrain des volcans, des plis, des failles, et leur présenter les modèles ensuite. Mais pourtant le travail sur de la confiture, du beurre ou de la pâte à modeler est réellement efficace. Je pense donc qu'il faut faire les deux, de façon indissociable.

a - cristaux - cristallisation

Expériences - modèles	Concepts abordés - interprétation
Placer une saumure très surchargée en sel de cuisine (une cuillère à soupe d'eau pour une de sel fin de cuisine) dans une coupelle de verre Pyrex. Chauffer (sous le TRIDACT). On voit se former les cristaux de NaCl (le nom du minéral est la halite) qui cristallisent dans le système cubique. A la loupe binoculaire les cristaux sont encore mieux visibles. Si vous êtes patients, placez cette saumure sur le dessus d'un radiateur en hiver ou devant une fenêtre au soleil en été. Les cristaux sont cette fois millimétriques et bien visibles à l'œil nu.	La notion de cristal comme élément interne est illustrée par le fait de trouver le même forme pour tous les cristaux d'une même espèce chimique, même si le cube n'est pas complètement formé pour tous les cristaux qui n'ont pas tous la possibilité de croître de façon régulière (la saumure n'est pas homogène, ni le chauffage... et les parois interviennent aussi dans les mécanismes de nucléation, qui est l'apparition du noyau, "germe" du cristal qui croît ensuite plus ou moins régulièrement selon les disponibilités en atomes....). Une expérience plus intéressante par ses applications économiques est l'évaporation de l'eau de mer dans les marais salants par exemple. On voit alors que la halite n'est pas le premier sel à précipiter même s'il représente la masse principale (précipitent d'abord du carbonate de calcium et du gypse). Pour des données sur l'évaporation de l'eau de mer, voir page sur les carbonates. (La terre, 50 expériences pour découvrir notre planète, André Prost, p 78-79, Belin, 1999)
Des petites billes des plastique sont placées dans un carré de grand côté sur la surface du rétroprojecteur (ou visualisé en grand grâce au TRIDACT): on visualise leur dispersion. On diminue l'espace disponible en rapprochant petit à petit les côtés : on observe le rangement progressif des billes qui finissent par s'immobiliser.	dans un cristal les atomes sont ordonnés, ils perdent des degrés de liberté. La formation d'un cristal demande du temps.
La vanilline est un produit organique (naturel ou synthétique) que l'on trouve en pharmacie (ou dans les catalogues de produits chimiques) sous forme de poudre (société rachetée par Rhône-Poulenc donc très cher): 65,80F les 25g (suffisant pour plusieurs années de TP) et qui après avoir été fondu sur une lame au-dessus d'une bougie (quelques grains de poudre suffisent), recristallisent en quelques minutes à l'air libre et à la température ambiante en formant d'abord de belles mâcles (parfois) puis des cristaux radiaires assez joli (surtout en lumière polarisée). La même lame, placée sur un glaçon donne plus vite, des tout petits cristaux.	La vitesse de cristallisation (plus élevée à froid qu'à température ambiante) et la taille des cristaux (polycristaux à froid et mono ou bi-cristaux à la température ambiante) en fonction de la température est un premier facteur observable de façon qualitative. La présence de mâcles est facilement observable au sein des gouttes moyennes (mâcles par interpénétration de 2 cristaux liée à la symétrie des arrangements de ces molécules aromatiques: l'angle qu'ils font est inférieur à 45°). Enfin, on peut suivre au microscope les étapes progressives (accroissement exponentiel) de la cristallisation en temps réel. La vanilline est un composé organique cyclique (composé aromatique en C6C1) qui dérive par ß-oxydation de l'acide cinnamique (corps en C6C3 synthétisé chez les végétaux à partir des acides aminés aromatiques: tryptophane et phénylalanine) qui donne aussi l'acide salicylique (présent notamment dans certains fruits de Rosacées et voisin de l'aspirine: l'acide acétylsalicylique), l'acide gentisique (de la Gentiane) ou l'aldéhyde anisique (de l'Anis) ou encore le salicoside (du Saule) (voir figure ci-dessous). Les lois de l'empilement régulier des atomes dans les cristaux minéraux semblent être les mêmes pour les molécules dans les cristaux organiques. Il est aisé de relier le nombre de germes (cristallite ou grain ou premier tout petit cristal à apparaître) à la taille des cristaux obtenus: pour un liquide parent donné, plus il y a de germes, moins les cristaux seront de grande taille (on obtient un polycristal). Pour avoir un mono-cristal il faut avoir un seul germe. Pour la vanilline il semble qu'il y ait essentiellement des polycristaux sauf pour les toutes petites gouttes de liquide. On peut noter que si l'on fait fondre un cristal de grande taille il faut attendre plus longtemps à même température (et donc fournir une énergie calorifique plus grande) que pour faire fondre les petits cristaux de la poudre industrielle. On peut aussi signaler l'intérêt que la chimie indutrielle organique porte aux solides (parfois peu cristallins car mal ordonnés) que sont les polymères naturels comme la soie, le coton, le collagène ou la kératine ou synthéthiques comme le nylon ou le polyéthylène.; mais l'unité du principe d'arrangement ordonné de molécules identiques est important à souligner.
Remarque: On notera que, dans le dessin présentant la cristallisation de la grande goutte, les petites gouttes ne sont pas encore cristallisées au bout de 40 s (une seule l'est); en effet, la cristallisation de ces petites gouttes peut intervenir nettement plus tard (plusieurs minutes): plus la goutte est grande et épaisse, plus la cristallisation est rapide.

b - états de la matière : solide-liquide-gazeux

On est sans cesse confronté à la structure de la matière et aux niveaux de formulation souhaitables selon les cycles: voici quelques exemples soutenus par des expériences simples:
L'eau liquide coule et mouille.
La glace est de l'eau solide. Lorsque de l'eau gèle il y a passage d'un liquide à un solide (solidification). La glace qui fond passe de l'état solide à l'état liquide (liquéfaction ou fusion).
L'air est un gaz invisible qui nous entoure.
La vapeur d'eau est aussi un gaz invisible. Elle vient de l'eau qui passe de l'état liquide à l'état gazeux (vaporisation). Le nuage de "vapeur d'eau" au-dessus d'une casserole d'eau bouillante est en fait un nuage d'eau (voir page sur l'air).
Les nuages sont de l'eau ou de la glace qui tombent en pluie (eau liquide) ou en petits cristaux étoilés (neige) ou en petits glaçons (grêle).
La rosée qui se dépose au matin sur les feuilles et les tiges est de l'eau qui passe de l'état gazeux (vapeur d'eau invisible dans l'air) à l'état liquide (goutte de rosée). Le passage de l'état gazeux à l'état liquide est la condensation. Si tu sors une bouteille du réfrigérateur et que tu la laisses à l'air libre la vapeur d'eau de l'air se condense en fines gouttelettes à sa surface.

Ces changements d'états sont facilement observables avec le TRIDACT en prenant le temps de bien observer chaque étape et de laisser les changements avoir lieu : lame de verre avec gouttelettes d'eau, évaporation de l'eau; témoin avec cloche et condensation de l'eau évaporée....

Une image (d'après Yves Quéré, Les matériaux, Graines de science, Editions Le Pommier, 1999) : la matière est composée d'une myriade de petits grains élémentaires: les molécules. Pour l'eau qui est un corps simple toutes les molécules sont identiques : la molécule d'eau est elle même composée d'atomes (a privatif signifie donc non et tomo vient du grec couper : donc les atomes ne peuvent pas être coupés; mais depuis le début du XIXème siècle où la philosophie atomiste des grecs a été rejointe par les théories scientifiques expérimentales de Dalton, on connaît bien d'autres particules composant les atomes) : 2 atomes d'hydrogène pour un atome d'oxygène pour l'eau.
Une image simple : si les grains d'un sable fin représentent les molécules, l'état liquide serait le sable fluide, qui coule entre les doigts; l'état solide serait un sable compacté et durci après la pluie et l'état gazeux, le sable transporté par le vent ou une poignée jetée en l'air dont les grains se dispersent.

c. roches

Expériences - modèles

Concepts abordés - interprétation

Fabriquer des hydrocarbures On peut réaliser dans un aquarium un début de dégradation de la matière organique qui conduise à la formation d'hydrocarbures (en fait on fabrique du kérogène: matière organique formée de chaînes d'hydrocarbures, de graisses et de divers produits organiques non encore dégradés). Au fond de l'aquarium sont placés des débris végétaux (couche de 10 cm) tassés et recouverts d'eau. Une couche d'argile pure d'au moins 2 cm d'épaisseur doit isoler la masse de végétaux en décomposition de l'air. Une couche d'eau est ajoutée par-dessus. L'ensemble est placé dans une pièce sombre et non aérée. Des odeurs nauséabondes se dégagent (bulles) et des irisations (kérogène) apparaissent dans l'eau.

(La terre, 50 expériences pour découvrir notre planète, André Prost, p 80-81, Belin, 1999) Le système est concu pour être à l'abri de l'air et donc pour que les organismes (bactéries) anaérobies (qui ne nécessitent pas la présence d'air pour se développer) se développent. Le gaz produit est essentiellement du méthane (CH4, qui peut être mis en évidence par son inflammation dans l'air - grâce à la présence de dioxygène auquel il se combine) et un peu d'hydrogène sulfureux (H2S: odeur d'œuf pourri). Il est évident que ce système n'a pas la richesse du milieu naturel où les réactions sont beaucoup plus complexes et nécessitent un temps beaucoup plus long. De plus les accumulations de matière organique ne sont pas des volumes libres comme dans le modèle réalisé mais le kérogène occupe les interstices d'une roche porteuse. Les pressions atteintes liées à l'enfouissement modifient aussi les réactions chimiques. Les feux follets sont des exhalaisons de phosphure d'hydrogène s'enflammant spontanément à l'air. Ce gaz étant produit dans des milieux plus riches en dioxygène que ceux qui sont favorables aux hydrocarbures (marais, tourbières...).