[PDF] Géologie tout-en-un BCPST - 1re et 2e années

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Sous la direction de

Pierre Peycru

Jean-Michel DupinJean-François FogelgesangDidier GrandperrinCécile Van Der RestFrançois CariouChristiane PerrierBernard Augère

GÉOLOGIE

TOUT-EN-UN• 1

er et 2 e années BCPST

GÉOLOGIE

TOUT-EN-UN € 1

re et 2 e années BCPST

Jean-Michel DupinJean-François FogelgesangDidier GrandperrinCécile Van Der RestFrançois CariouChristiane PerrierBernard Augère

Sous la direction de

Pierre Peycru

DANS LA MaeME COLLECTION

BIOLOGIE, tout-en-un, 1

re annŽe BCPST

BIOLOGIE, tout-en-un, 2

e annŽe BCPST

© Dunod, Paris, 2008

ISBN 978-2-10-053790-7

III

Pour bien utiliser cet ouvrage

VI

Remerciements

VIII

PrŽface

IX

Programme officiel

XI

1Vue dÕensemble de la Terre

1 dotŽe dÕun satellite naturel, la Lune 3

1.3 Des enveloppes fluides animŽes par

lՎnergie solaire 3

1.4 Le partage de la surface terrestre 6

2La structure interne de la Terre

8

2.1 Une structure interne

faite dÕenveloppes concentriques 8

2.2 La Terre solide, un corps rocheux 15

2.3 La pluralitŽ pŽtrographique

des crožtes19

2.4 Plus en profondeur, les diffŽrents

3Forme et dynamique

du globe terrestre 36

3.1 La forme de la Terre

et ses enseignements 36 dÕunitŽs cinŽmatiques 52

3.3 Dynamique mantellique

et chaleur interne de la Terre 86

4Processus fondamentaux

du magmatisme 102

4.1 DiffŽrentes expressions

du magmatisme 102 exemple de la pŽridotite mantellique 107

4.3 Extraction et ascension des magmas 112

5Magmatisme

et contextes gŽodynamiques 130

5.1 Magmatisme associŽ

ˆ la divergence lithosphŽrique 130

5.2 Magmatisme associŽ

ˆ la convergence lithosphŽrique 142

5.3 Magmatisme intraplaque

des points chauds 150

6DŽsagrŽgation mŽcanique

et altŽration chimique en domaine continental 154

6.1 Un exemple dÕaltŽration

en domaine continental ; granitique sous climat tempŽrŽ 154

6.2 AltŽration et Žrosion

en domaine continental : deux processus gŽologiques

ˆ contr™le multifactoriel 165

6.3 Les formations rŽsiduelles :

produits de lÕaltŽration des roches en domaine continental 172

7Devenir des lignŽes dŽtritique,

ionique, et organique : la sŽdimentation ocŽanique 175

7.1 Devenir des particules dŽtritiques 176

7.2 Devenir de la lignŽe ionique 183

7.3 RŽpartition des sŽdiments

ocŽaniques non organiques 190

7.4 SŽdimentation carbonŽe 192

8Un exemple de bassin

sŽdimentaire : une marge continentale passive 199

8.1 Apports sŽdimentaires

et espace disponible sur une marge passive 200

8.2 GŽomŽtrie du remplissage

sŽdimentaire et variations de lÕespace disponible au cours du temps 210 Cours T T IV

9Les sŽdiments, archives

des variations climatiques du dernier million dÕannŽes 220

9.1 Enregistrement des variations

climatiques par les dŽp™ts sŽdimentaires continentaux 221

9.2 Enregistrement des variations

climatiques par les sŽdiments ocŽaniques et par la glace des inlandsis : gŽochimie isotopique 235

9.3 Bilan comparatif

des enregistrements en domaine continental et en domaine marin 246

9.4 Causes des variations climatiques

au cours du dernier million dÕannŽes 247 255

10.1 DŽformations observables

sur le terrain 256 de la dŽformation :

ŽlŽments de rhŽologie 266

10.3 Stratification rhŽologique

11Les transformations minŽrales

277

11.1 Mise en Žvidence de

ces transformations 277

11.2 Conditions physico-chimiques

des rŽactions du mŽtamorphisme 282

11.3 Variations dans le temps

des assemblages minŽralogiques et interprŽtation gŽodynamique 290

12Objets tectoniques et tŽmoins

mŽtamorphiques dans une cha"ne de subduction/collision 299

12.1 Les alpes : une limite de plaques 299

12.2 TŽmoins de la collision 302

12.3 TŽmoins de lÕouverture ocŽanique 310

12.4 TŽmoins des subductions 318

13Cycle gŽochimique du carbone

326

13.1 Formes et rŽservoirs actuels

du carbone 327

13.2 Cycles actuels et temps

de rŽsidence : cycle global et sous-cycles 336

13.3 Cycle du carbone depuis

200 millions dÕannŽes.

Quel devenir ? 342

TP1Principaux minŽraux

355

1.1 Grandes catŽgories de roches 355

des minŽraux constitutifs des roches 356

1.4 Roches mantelliques

et magmatiques 362

1.5 Roches sŽdimentaires 368

1.6 Roches mŽtamorphiques 370

TP2Approche gŽophysique du globe

372

2.1 Apports de lՎtude des sŽismes

naturels et artificiels 372

2.2 Apports de lՎtude de la gravimŽtrie 379

2.3 Apports de donnŽes de cinŽmatique 383

TP3DonnŽes pour lÕanalyse dÕune

carte gŽologique au 1/50 000 386

3.1 PrŽsentation dÕune carte

gŽologique au 1/50 000e 386

3.2 CaractŽrisation et identification

du pendage dÕune strate ou dÕune faille 391

3.3 Analyse des structures tabulaires,

monoclinales et plissŽes.

Comparaison 398

3.4 Analyse de la tectonique fragile :

les failles 404

3.5 Aspects chronologiques :

‰ge de la tectonique et notion de discordance 408

TP4Les dorsales

412

4.1 Dorsales : des zones de divergence 412

4.2 Morphologies des dorsales :

des reliefs thermiques 420

4.3 Activite magmatique des dorsales 426

TP5Une marge active

433

5.1 Signature gravimŽtrique

et morphologie dÕune marge active 433

5.2 Signatures sismique et thermique

dÕune marge active 435

5.3 Signatures sismique et tectonique

dÕune marge active 439

5.4 Roches magmatiques

caractŽristiques dÕune marge active 440

Travaux pratiques

V

TP6Une marge passive

443

6.1 Divers domaines et dynamique

sŽdimentaire actuelle dÕune marge passive dŽtritique 444

6.2 Histoire de la mise en place

et de lՎvolution par subsidence dÕune marge 449

6.3 Architecture des sŽdiments

plio-quaternaires, un marqueur des fluctuations rŽcentes du niveau marin 458

6.4 Conclusion 466

TP7Un massif ancien et ses bordures

467

7.1 Cadre gŽnŽral et principaux

affleurements 467

7.2 Principales caractŽristiques

gŽologiques de quelques secteurs 467

TP8Alpes, cartographie

474

8.1 PrŽsentation morphologique

de la cha"ne 474

8.2 Grands ensembles structuraux

dŽfinis ˆ partir de la carte

8.3 Grands ensembles lithostructuraux

au 1/250 000 (1979) 482

TP9Quelques aspects

de la tectonique alpine 488

9.1 Exemple de tectonique rŽcente :

le massif subalpin de la Chartreuse 488

9.2 Massif de lÕOisans :

une palŽo-marge passive 493

9.3 Demi-fen"tre dÕembrun

et reconnaissance dÕune nappe de charriage 498

TP10Objets mŽtamorphiques

504

10.1 Quelques roches mŽtamorphiques 504

10.2 MŽtamorphisme en carte :

les enseignements de La carte de la structure mŽtamorphique des alpes 512

TP11Un bassin sŽdimentaire

515

11.1 Limagne de Clermont-Ferrand :

Un graben dissymŽtrique 516

11.2 Les dŽp™ts sŽdimentaires

et leurs enseignements 518

11.3 Amincissement lithosphŽrique :

subsidence et volcanisme 520

11.4 Surrection actuelle 523

TP12Carte gŽologique

525
guide de lecture 525

12.2 Grands ensembles gŽologiques 528

12.3 Zones immergŽes 543

Exercices 1 ˆ 26547-605

1 Lire une carte gŽologique 607

2 Construire un schŽma structural 608

3 RŽaliser une coupe gŽologique

ˆ main levŽe 610

4 Analyser un Žchantillon de roche 613

5 Analyser une lame mince 617

6 Analyser une photographie

ou une image satellitaire 619

7 Analyser une photographie

de paysage ou dÕaffleurement 621

Glossaire

627

Bibliographie

633
Index 635

Exercices corrigŽs

Fiches mŽthodes

VI P our bien utiliser ¥La page dÕentrŽe de chapitre prŽsente le plan ainsi que lÕintroduction du cours.

¥LÕencadrŽ Ç Ce que vous avez vu au LycŽe È rappelle ˆlՎtudiant les notions prŽ-requises.

Le cours

Les encarts ponctuent le cours en apportant des

informations complŽmentaires : De trois types diffŽrents, ils peuvent :

La partie rŽvision comportant un rŽsumŽ,

les mots-clŽs ainsi quÕune rubrique de mise en garde sur les erreurs ˆ ne pas commettre, permet ˆ lՎtudiant de vŽrifier quÕil a bien assimilŽ le cours.

Apporter une prŽcision sur un point

ou un ŽlŽment prŽcis du cours.

Exposer une technique

ou un protocole.

Donner des exemples

dÕapplications. VII VII cet ouvrage

Les TP

En conformitŽ avec le programme, ils sont

prŽsentŽs avec de nombreuses illustrations, des commentaires mŽthodologiques ainsi que des exercices.

Les fiches mŽthodes

Elles regroupent des conseils pour bien

aborder le concours : lire une carte, rŽa- liser une coupe, analyser une lameÉ

Les exercices corrigŽs

En toute fin dÕouvrage, des exercices type,

parfois issus de sujets de concours, sont pro- posŽs avec leurs corrigŽs dŽtaillŽs. Ils per- mettent ˆ l'Žtudiant de tester ses connais- sances et de s'entra"ner efficacement.

Le cahier couleur de 48 pages prŽsente des

objets concrets (clichŽs de minŽraux, objets tectoniques, gŽo•deÉ) ainsi que de nom- breuses cartes gŽologiques (BRGM et CCGM). VIII

Cet ouvrage nÕaurait pu voir le jour sans lÕaide et les critiques constructives que nous ont apportŽes de nombreux

universitaires ou chercheurs. Que soient ici chaleureusement remerciŽs celles et ceux qui ont relu les versions initiales de certains chapitres ou qui nous ont accordŽ le droit dÕutiliser leurs documents, tout particu Elia dÕACREMONT, Ma"tre de confŽrence ˆ lÕUniversitŽ Pierre et Marie Curie, Paris VI,

Jean-Claude ALOìSI, Ma"tre de confŽrences ˆ lÕUniversitŽ de Perpignan, CEFREM-UnitŽ mixte CNRS-UniversitŽ,

Michel CAMPY, Professeur ŽmŽrite de lÕUniversitŽ de Bourgogne, Anny CAZENAVE, Chercheur au LEGOS et au CNES de Toulouse, Antoine CUVILLIEZ, AgrŽgŽ de lÕUniversitŽ ˆ lÕUniversitŽ du Havre, Jean-Franois DECONINCK, Professeur ˆ lÕUniversitŽ de Bourgogne, Michel GRANET, Professeur ˆ lÕEOST ˆ Strasbourg, Laurent JOLIVET, Professeur ˆ lÕUniversitŽ Pierre et Marie Curie, Paris VI, Lo•c LABROUSSE, Ma"tre de confŽrence ˆ lÕUniversitŽ Pierre et Marie Curie, Paris VI, Jean-Marc LARDEAUX, Professeur ˆ lÕUniversitŽ de Nice Sophia-Antipolis, Danielle LEMERCIER, Direction de la communication ˆ lÕIfremer,

HervŽ LEYRIT, Professeur ˆ lÕInstitut de GŽologie Albert-de-Lapparent et ˆ lÕInstitut Polytechnique St Louis de Cergy-

Pontoise,

Gilles MERZERAUD, Ma"tre de confŽrence ˆ lÕUniversitŽ de Montpellier 2, AndrŽ MONACO, Directeur de recherche au CNRS-CEFREM-UnitŽ mixte CNRS-UniversitŽ, Christian NICOLLET, Professeur ˆ lÕUniversitŽ Blaise Pascal de Clermont-Ferrand, Jean Claude PONS, Ma"tre de confŽrences ˆ lÕUniversitŽ de Bordeaux 1, Marina RABINEAU, chercheur au CNRS-UMR 6538, Domaines ocŽaniques, Michel TESSON, Professeur ˆ lÕUniversitŽ de Perpignan. mmission de la carte gŽologique mondiale (CCGM), Philippe ROSSI, Directeur du programme de la carte gŽologique de la France et S ecrŽtaire gŽnŽral de la CCGM, Marc Urvois, Chef de projet au Service des ressources minŽrales Michel VILLEY, Directeur de la Communication et des Editions du BRGM,

qui nous ont prŽsentŽ avec enthousiasme lÕintŽr"t pŽdagogique des cartes les plus rŽ

centes et ont toujours pr"tŽ une oreille attentive ˆ nos demandes.

Un grand merci ˆ Christian BECK et ˆ Marc TARDY, professeurs ˆ lÕUniversitŽ de Savoie, qui ont bien voulu nous faire

lÕhonneur de prŽfacer cet ouvrage. EnÞn, nous adressons aussi ces remerciements ˆ lՎquipe Ž ditoriale, Emmanuelle CHATELET et Eric dÕENGENIERES,

qui ont, par leur travail et leur soutien constant, largement collaborŽ ˆ la rŽalisation des trois ouvrages de cette c

ollection.

Remerciements

IX s annŽes 1970 ˆ 1980, la thŽorie des plaques (devenue

grandes structures liŽes (failles, bassins, cha"nes de montagnesÉ). De faon complŽmentaire, les dynamiques

profondes, complexes et instables du manteau et du noyau sont de mieux en mieux comprises gr‰ce aux apports de la

tomographie sismique et des modŽlisations analogiques et numŽrique s. LÕimagerie et les mesures satellitaires fournis- sent, en continu, des quantitŽs considŽrables de donnŽes qui pe rmettent ˆ la communautŽ scientiÞque de quantiÞer et de modŽliser les dŽplacements des plaques, mais aussi des masses dÕ eau et dÕair des enveloppes ßuides externes, lÕhydros- et souvent dŽcisifs, sont dŽsormais obtenus ˆ travers la prise en

compte et lÕanalyse des couplages existant entre gŽodynamique interne des enveloppes solides, gŽodynamique externe

Žcologique, ŽnergŽtique, climatique ou sociŽtale, que tout citoyen doit aborder raisonnablement en connaissance de

cause et dÕeffet. lՎnergie terrestre provient de lՎtoile Soleil) est ˆ la base des programmes des sci ences de la Terre dans lÕenseignement

secondaire et supŽrieur. Elle a pour consŽquence un apparent effacement des disciplines ˆ la fois traditionnelles et essen-

tielles de la gŽologie (palŽontologie, stratigraphie, pŽtrogra phie, tectoniqueÉ) au bŽnŽÞce dÕune approche plus unitai re et rhŽologie. Approche qui mobilise nŽcessairement des compŽtences en sciences f ondamentales : mathŽmatiques, informatique, physique, chimie. Tel est lÕesprit gŽnŽral de ce manuel de gŽologie, rŽsolum ent moderne dans ses contenus, conu et rŽalisŽ sous la direc-

tion de Pierre PEYCRU, professeur de classe prŽparatoire Biologie-Chimie-Physique-Sciences de la Terre (BCPST) au

solaire signalant ainsi la volontŽ de situer dans un cadre universel lÕapproche globale des gŽosciences telle quÕelle vient

ensuite. On vŽriÞe cette approche tant dans les parties traitant d e la Terre solide avec ses processus magmatiques, sŽdi-

mentaires, tectoniques et mŽtamorphiques o le point est fait sur les concepts de base de la gŽologie, que dans lÕanalyse

pproche des variations climatiques au travers des archives sŽdimentaires et glaciaires.

Mais ce manuel Ð le premier du genre en sciences de la Terre ˆ rŽpondre ˆ une demande des Žtudiants directement

concernŽs Ð ˆ travers son titre Ç GŽologie tout-en-un Ð 1 re et 2 e annŽes BCPST È et dans sa structuration pŽdagogique en quatre parties Cours, Travaux pratiques, Exercices, Fiches et mŽthodes , a dÕabord ŽtŽ conu conformŽment au

programme actuel des deux classes de BCPST, dans le respect des contenus exigŽs aux concours prŽparŽs et des

volumes dÕenseignement recommandŽs. la partie Cours , vŽri-

gŽodynamique externe est ensuite dŽveloppŽe, avec, notamment ses aspects palŽo-environnement et palŽo-climatiques.

Une part Þnale du

Cours est consacrŽe aux Alpes occidentales dont la comprŽhension architecturale et la reconst itution

de lÕhistoire complexe, de lÕouverture ocŽanique ˆ la collision toujours en cours, nŽcessitent,

comme cela est bien graphie, pŽtrologie, mŽta-

morphisme, tectonique, gŽophysique) sous le contr™le strict des faits observŽs et mesurŽs sur le terrain.

P rŽface

PrŽface

X

Traitant dÕune discipline incorporant des approches quantitatives (physique, mŽcanique, chimie) et modŽlisatrices subs-

tantielles, ce Cours

modŽlisation, par exemple) tirŽes de travaux scientiÞques. Certains de ces exemples, pris sur le territoire mŽtropolitain,

sont dÕailleurs susceptibles dÕ"tre visitŽs sur le terrain. Un souci pŽdagogique fort et permanent transpara"t du Cours , ˆ travers lÕiconographie de belle facture et les encarts venant ˆ propos, ainsi quÕen Þn de chacun des chapitres, lÕessentiel rŽsumŽ en un court texte synthŽtique, la liste des mots-clŽs et lÕ attention

attirŽe sur les erreurs ˆ Žviter. Il se manifeste Žgalement dans les trois autres parties de

lÕouvrage : les travaux pratiques proposŽs en conformitŽ avec le programme et prenant appui sur des supports bien illus- trŽs, les exercices offerts avec leurs corrigŽs et les

Þches mŽthodes

essentielles pour la pratique gŽologique ˆ toutes Žchelles, de lÕanalyse dÕun Žchantillon de roche ˆ la lecture dÕun paysage gŽologique. Bref, lÕensemble de lÕouvrage, construit sur des bases scientiÞ ques solides avec un rŽel souci dÕefÞcacitŽ, rŽpond de

toute Žvidence au but recherchŽ : fournir aux Žtudiants candidats aux concours dÕentrŽe dans le

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