Initiation à la
géologie
A
mon sens, l'enseignement de la géologie à ce niveau ne se
conçoit qu'en développant un fort rapport à l'illustration
sous forme de blocs-diagramme explicatifs. A la limite, le
recours a un texte doit être évité au maximum, et il faut
tendre à un cour du style "la géologie en BD"...
Je considère qu'a chaque paragraphe du cour on doit trouver
un schéma. La compréhension intuitive des phénomènes, les
liaisons avec la physique doivent être évidents. En ce
domaine, c'est le terrain qui dicte sa loi...
Pour les
expériences, je recommande l'abus du livre d'André Prost -
"La Terre - 50 expériences pour découvrir notre planète" -
ed. Belin et pour les illustrations, l'ouvrage de M.
Mattauer "Ce que disent les pierres" nous montre ce vers
quoi nous devrions tendre...
Dans un paysage, les roches, l'eau, l'air et les êtres vivants sont en interaction
I - Des roches souvent masquées
Les roches du sol ne sont pas toujours directement visibles. Elles peuvent être masquées par:
• l'eau
• le sol (terre)
• la végétation
• les constructions humaines
1 - un paysage contient de nombreux éléments
schéma légendé (SL) du paysage (si la région s'y prête!) ou sortie de géologie (Clermont le fort)
Video 1: Présentation des paysages
Video 2:
creusements et dépôts dans le lit de l'Ariège
Video 3:
utilisation des matériaux locaux
commentaire
du schéma (ex pour le Mas d'Azil, Ariège):
l'observation montre que les éléments du paysage ne
sont pas répartis au hasard: le sommet du massif rocheux
calcaire est recouvert d'un sol assez épais pour que les
chênes s'y développent. La roche visible à une couleur
variable (du blanc au noir): la roche est
altérée. Une rivière souterraine traverse
le massif: la roche calcaire peut donc être creusée par
l'eau.
Un autre exemple de site de
sortie: le bras mort de la Garonne à Cazéres
On
peut y observer des dépôts sableux, des alluvions, des
stratifications sur le côté le plus haut. La végétation est
également bien différenciée, la rive étant inondable. A ce
sujet, cette sortie s'accompagne de l'intervention d'un
agent EDF sur la sécurité de ces bras morts, et elle se
termine par la visite du barrage contrôlant son débit.
2 - La végétation
dépend des roches du sous sol
Les
roches fournissent les sels minéraux indispensables à la
nutrition des végétaux. Selon les roches, les sels minéraux
disponibles différent dans leur nature et leur proportion
et correspondent donc à un type bien particulier de
végétaux.
Exemple:
utiliser la végétation disponible, la relier à des roches
macroscopiquement bien différenciées (granit, sable,
calcaire...)
II - Les roches sont
altérées en surface par l'eau
1 - l'eau dissout et désagrége les roches
échantillons:
roches à divers degrés de désagrégation - sortie éclair
dans le collège si roches disponibles
expérience:
dissolution de sel, sable dans l'eau...
L'eau provenant des précipitations exerce plusieurs actions
physiques et chimiques sur les roches
SL: dissolution - fragmentation (gel) - altération chimique
2 - Selon leurs
caractéristiques, les roches n'ont pas le même comportement
vis à vis de l'eau
a) les roches ont des caractéristiques différentes
échantillons:
calcaire, ponce, basalte, granit, sable, pétrole
L'aspect des roches est très varié: couleur, résistance,
consistance et poids sont très divers. L'altération des
roches dépend de leur structure et de leur environnement.
exemples:
dépend de votre site - Le calcaire se désagrège en argile
(visible au Mas) alors que le granit altéré forme du sable.
SL: altération du calcaire
b) l'altération des
roches aboutit à des matériaux variés
SL: comparaison
altération granit/calcaire
L'altération des roches nécessite un contact avec l'eau et
l'air: en profondeur, l'altération est fortement réduite.
exemple: échantillon avec altération en surface
/ milieu tropical et "roche pourrie"
La fragmentation des
rochesaboutit à la formation de matériaux meubles stables
ou mobiles
I
- Les constituants dissous des roches sont entraînés par
ruissellement
1 - La fragmentation des roches conduit à la formation d'un
sol
L'altération des
roches conduit à la formation de particules de taille
variées dont l'accumulation en un lieu peut générer un sol.
SL: dégradation locale avec formation d'un sol (ex pris sur
site)
Le mélange des éléments rocheux altérés et des éléments
organiques décomposés forment un sol composé d'éléments
meubles (non compact, facilement pénétrable)
2 - Des particules et
des éléments solubles issus des roches peuvent être
transportés par l'eau
En ruisselant,
l'eau dissout et emporte des éléments minéraux. De plus,
des particules peuvent être mises en suspension et
transportées elles aussi. Distance et intensité du
transport dépendent de l'intensité et de la fréquence des
précipitations.
expérience:
plan incliné sablé avec 2
granulométrie, un filet d'eau provoque déplacement et dépôt
différencié
SL: dissolution et transport par l'eau
Les matériaux transportés seront soit dissous (sel des
océans) soit déposés parfois à grande distance (sable des
plages)
II Les cours d'eau sont
responsables de l'érosion et modèlent les paysages
1 - Les cours d'eau érodent les roches
L'érosion est
l'usure des roches et leur destruction sous l'influence des
agents du climat dont le principal est l'eau. Dissolution
et transport se produisent tout le long des cours d'eau:
les roches en contact avec l'eau sont soumise à une lente
et perpétuelle dissolution.
2 - Les cours d'eau
agissent comme des râpes qui creusent, usent et déplacent
en permanence les roches.
Par leur action
permanente, les cours d'eau ont creusés les roches et
modelés les reliefs de la plupart des paysages
SL: évolution d'un paysage avec cour d'eau (formation de
vallées et d'une plage)
expérience:
aspect d'une rivière après un violent orage. prélèvement et
filtration si possible
Le processus d'érosion des roches est très lent: il se
déroule pendant des millions d'années et aboutit
progressivement à la destruction des reliefs, à
l'aplanissement général de la surface terrestre.
Remarque:
la surface terrestre n'étant
pas plane,il doit exister des mécanismes qui fabriquent de
nouveaux reliefs.
Les roches sédimentaires sont des archives permettant de reconstituer les paysages anciens.
I - De nouvelles roches se forment à partir des matériaux de l'érosion
a - Les particules abandonnées par les agents de transport constituent des sédiments détritiques
Les particules arrachées aux roches se maintiennent en suspension dans l'eau en fonction de leur masse: elles se déposent progressivement sur le fond du cours d'eau, les plus massives se déposant les premières. Ce phénomène est la sédimentation.
SL: strates de sédimentation dans un cours d'eau
Ces dépôts progressifs peuvent recouvrir de vastes régions car le tracé des cours d'eau est variable. Une fois à l'air libre, ces dépôts sédimentaires constituent par exemple des gravières sur lesquelles peut se former un sol très riche (terrasses de la Garonne - crues périodiques du Nil)
SL: dépôts successifs de la Garonne.
Les dépôts successifs par la Garonne de fines particules argileuses mêlées parfois à des sables ont constitués un sol fertile disposé en terrasses successives.
Les dépôts détritiques peuvent se situer également dans le lit des fleuves (bancs de sable) ou, principalement, se réaliser au niveau de l'estuaire d'un fleuve, sur le plateau continental.
activité: commentaire de vues satellites d'estuaires avec dépôt
Vu leur origine, les roches détritiques contiendront donc des éléments en provenance d'autres roches (le sable contient du quartz en provenance du granite - observation granite & sable)
b - Des sédiments se forment à partir d'éléments dissous avec l'intervention d'êtres vivants
Les éléments minéraux dissous arrivant dans l'océan sont utilisés par des êtres vivants pour former les parties solides de leur corps. Les sels minéraux dissous sont ainsi transformés en coquilles, tests, os, écailles... qui se déposent sur les fond à la morts de leurs propriétaires. Il peut ainsi se constituer des dépôts d'une épaisseur considérable (tout dépend de la durée de la sédimentation, qui peut se compter en million d'années). Ces dépôts se produisent en milieu marin ou dans de grands lacs.
SL: formation de sédiments par précipitation et accumulation de restes solides d'origine organique
De plus, si trop d'éléments dissous sont concentrés à un même endroit, ils peuvent précipiter et former une couche solide sur le plancher océanique (lien avec la physique: solubilité - marais salant)
c -Les sédiments se transforment en roches sédimentaires
Le passage des sédiments aux roches est un processus très lent:
◦ les couches sédimentaires successives se superposent et s'écrasent. Elles deviennent donc plus compactes.
◦ sous le poids des couches successives, le fond marin s'enfonce, ce qui provoque le réchauffement des sédiments
◦ l'eau contenue dans les sédiment en est chassée par la pression ou/et réagit chimiquement avec les minéraux des sédiments
◦ les sels minéraux autrefois dissous dans l'eau précipitent en formant un ciment unissant les différents éléments des sédiments en une roche compacte.
SL: transformation des sédiments en roches
expérience: passage de l'argile à la terre cuite
d - Des fossiles se forment dans les roches sédimentaires
Lorsque des cadavres animaux ou végétaux sont ensevelis dans les sédiments, ils peuvent parfois, en l'absence d'oxygène, s'y conserver assez longtemps pour que leurs molécules organiques soient progressivement infiltrées et remplacées par les sels minéraux du milieu de sédimentation. Les parties dures (coquilles, tests, os...) se fossilisent facilement car elles contiennent déjà des sels minéraux qui sont remplacés aisément par ceux de la roche. Les fossiles peuvent former l'essentiel d'une roche: le calcaire est ainsi un conglomérat de fossiles cimentés.
expérience: observation de calcaire à l'oeil, à la loupe et si possible au microscope.
II L'observation des milieux actuels permet de reconstruire les milieux anciens
a - Les fossiles sont des indicateurs du milieu de vie des organismes du passé
Les fossiles retrouvés dans la roche ressemblent à des organismes actuels dont nous connaissons le milieu de vie. Ainsi, les coraux fossiles indiquent un milieu marin peu profond et tropical à l'époque de la sédimentation. De même, on peut établir les correspondances suivantes entre fossiles et milieu d'origine:
◦ fougère arborescente: foret tropicale
◦ dents de requin: littoral et mer profonde
◦ mollusques et oursins: bord de mer
◦ Vertébrés terrestres & insectes: milieu terrestre
b - L'empilement des dépôts sédimentaires successif permet de reconstituer l'évolution des événements et des paysages.
Lorsque les dépôts sédimentaires se succèdent en un même lieu, le plus récent recouvre le plus vieux. Ainsi, les fossile caractérisant un milieu se succèdent ils dans un ordre qui correspond à l'évolution des conditions de vies aux différente époques de sédimentation.
III - Application à la reconstitution de l'histoire du (utiliser ici votre région, pour moi:) Mas d'Azil.
L'observation d'une coupe de la région et des fossiles que l'on y trouve permet de reconstituer le grandes ligne de l'histoire de notre région (cette activité durent 1h environ ):
coupe géologique du Mas d'Azil (à simplifier)fossiles trouvés dans la région (à examiner) et milieux correspondantsSL: évolution de la région (a faire réaliser par les élèves et à évaluer )
Après des époques successives de sédimentation, les différents roches disposées en couches superposées ont subies d'énormes pressions latérales qui les ont fortement plissées. Par la suite, l'érosion à aplani le paysage et a entaillé les massifs rocheux pour aboutir au provisoire relief actuel.
L'environnement géologique fournit des matériaux à l'Homme.
I - une roche est utilisée, directement ou après transformation, en raison de ses propriétés.
1 - Selon leur utilisation, les roches doivent être transformées ou sont directement utilisables.
Dès l'aube de l'humanité, les roches ont été utilisées par l'homme (outils de silex). Selon leur utilisation, le roches demandent des transformations plus ou moins importantes:
◦ le calcaire peut être fragmenté, extrait, pour être utilisé directement comme matériaux de construction. Il peut également être broyé et chauffé pour donner de la chaux
◦ le gypse doit être concassé et chauffé pour former du talc (visite usine de Luzenac - a voir avec orientation et physique )
◦ l'argile doit être façonné et chauffé pour former des briques ou des poteries
◦ le ou le charbon sont directement utilisable après extraction
◦ le pétrole doit subir d'importantes transformations avant d donner naissance à de nombreux produits utilisables (dont les carburants)
2 - Les transformation des roches nécessitent de procédés industriels (a moduler selon votre environnement industriel)
Les quantités de roches à traiter se chiffrent en milliers de tonnes par an (donner des exemples locaux de production). Il faut donc des installations de traitement et de transformation de taille industrielle:
◦ Raffineries de pétrole (Lacq)
◦ Usine de Talc de Luzenac
◦ Sablières et Gravières de la Garonne
(note: dans la suite de cette leçon, j'utilise comme exemple approfondi l'exploitation pétrolière, qui fourni une documentation abondante et des vidéos qui frappent les esprits. De plus, l'importance politique de cette roche permet de collaborer avec les profs d'histoire et géo. Vous pouvez bien sur utiliser une autre roche si l'opportunité vous en semble meilleure)
3 - Les propriétés d'une roche conditionnent son importance
Plus une roche présente de propriétés différentes et plus son utilisation sera répandue. Ainsi, le pétrole est à la base d'une gigantesque industrie car cette roche permet de fabriquer:
◦ des carburants variés
◦ des revêtements
◦ des solvants
◦ des peintures
◦ du gaz
◦ des médicaments
◦ des produits alimentaires
◦ des produit de base pour l'industrie chimique
II l'exploitation des ressources du sous sol dépend de nombreux facteurs
vidéo M6 - capital - "Le pétrole" (1h)suivie d'une évaluation d'écoute rapide (QCM de 5 mn)
1 - Les conditions économiques commandent les décisions d'exploitation
L'exploitation d'une roche doit dégager un bénéfice. Dans le cas du pétrole, pour être rentable, le prix de revient à la sortie du puits doit être très inférieur au cour du pétrole (prix international). En effet, il faut payer les investissements réalisés grâce à des emprunts ainsi que les dépenses courantes. (a lier avec la techno - les élèves ignorant ce qu'est un taux de crédit, un bénéfice...)
2 - la richesse du gisement et son emplacement décident des techniques utilisées
Les techniques disponibles pour exploiter un gisement sont très variées et ont un coût qui peut varier d'un facteur 100. L'emplacement du gisement conditionne son coût d'exploitation:
◦ une exploitation terrestre dans une région industrialisées (Texas) est d'un coût relativement faible (quelques millions de $): les voies de communications sont pré-existantes, l'infrastructure (télécommunications, eau, énergie) existe déjà.
◦ Une exploitation terrestre dans un milieu non industrialisé (jungle, Afrique)voit son coût augmenter car l'infrastructure doit être créée afin de rendre l'exploitation possible (quelques dizaines de millions $)
◦ L'exploitation d'un gisement marin ("of shore") nécessite la construction et l'acheminement d'une plate forme ainsi qu'un personnel très spécialisé et qualifié. Cela peut coûter plusieurs centaines de millions $
"Pendant un forage, il remonte du pétrole, du gaz et de l'eau. Sur plate forme, un foreur gagne 5000 F/jour, le coût en personnel minimum est de 400000 F/jour. La location d'une plate forme coûte environ 2 millions/ jour et les chances de trouver un gisement varient entre 1 et 2/5." (note d'élève après la projection vidéo)
Article de journal " Pétrole à Lacq- Elf suspend l'exploitation de son premier gisement - la dépêche du midi 1998). Gisement: expérience A. Prost p.74-75
Le coût des techniques d'extraction est comparé aux bénéfices éventuels de l'exploitation future. Ces bénéfices dépendent des cours du pétrole qui sont extrêmement variables et dépendent plus de la situation politique des pays producteurs que le la quantité de produit disponible (graphique: cour du pétrole depuis 30 ans)
III L'exploitation d'un matériel non renouvelable prend en compte son épuisement.
1 - L'épuisement local est intégré dans l'exploitation.
Dés le forage, le débit d'un puits et la quantité de pétrole extractible sont connus. On peut donc prévoir son épuisement. Cette perte inévitable est compensée par:
◦ une recherche permanente de nouveaux gisements
◦ une exploitation raisonnée et régulière en fonction des cours du pétrole
◦ le développement permanent de nouvelles techniques améliorant lé récupération du pétrole (actuellement, on ne récupère qu'un tiers du pétrole présent dans une nappe)
2 - Un épuisement mondial prévisible
La quantité de pétrole sur Terre est finie et son renouvellement est extrêmement lent. Le pétrole se forme par décomposition lente de matière organique dans des conditions particulières (expérience: fabrication d'hydrocarbures par fermentation - A. Prost p 80-81)
A long terme (1 à 2 siècles), le pétrole ne sera plus disponible. Dés maintenant , on explore donc de nouvelles voies permettant à terme de remplacer le pétrole lorsque celui ci sera trop rare:
◦ Pour la production d'électricité, le pétrole est remplacé par l'énergie hydro-électrique (barrages) mais surtout par l'énergie nucléaire (en développement vers des ressources renouvelables ou très étendues - fusion thermonucléaire par exemple)
◦ Pour les transports, le pétrole trop cher pourra être remplace par des carburants liquides tirés du charbon, du sucre des plantes, des sables à goudron (web: www. suncor.com). De plus, à un siècle d'échèance, l'électricité sera l'énergie la plus utilisée dans les transports
◦ les produits tirés du pétrole pourront être remplacés par des produits tirés de végétaux génétiquement modifiés (matières plastiques par exemple).
◦ des progrès technique inattendus peuvent également permettre de découvrir de nouvelles énergies ou de diminuer les quantité d'énergies consommées (rendement amélioré des transformateurs, ampoules fluocompactes...)
L'homme est responsable de son environnement
1 - Le ruissellement peut conduire à la destruction des sols
11) Les effets du ruissellement sont parfois dévastateurs
Vidéo "les inondations" ("émission de la cinquième) 20 mn
◦ L'eau qui ruisselle emporte avec elle une partie du sol. Elle peut ainsi causer des glissements de terrains
◦ Dans les régions tropicales (Madagascar p.e.), les sols fertiles peu épais sont lessivés et emportés par des pluies abondantes. La roche est misse à nu et l'agriculture devient impossible.
◦ Dans nos régions, le remplacement de sols perméables par des revêtements imperméables (routes, toitures, parkings...) augmentent la quantité d'eau qui atteint des cours d'eau souvent mal entretenus: des inondations sont alors à craindre.
SL: érosion accélérée des sols
La nature du sol (meuble, dur, perméable...) conditionne l'intensité du ruissellement et ses effets.
12) Des techniques variées permettent de limiter les effets du ruissellement
Pour freiner les effets du ruissellement, on utilise des techniques qui dépendent de l'environnement:
◦ La plantation de végétaux aux racines développées (haies) permettent de maintenir le sol en place (Expérience A. Prost p. 24)
◦ L'entretien du réseau des cours d'eau et son développement (canaux, digues, fossés entretenus...) permettent d'éviter ou de limiter les inondations.
◦ Sur des terrains pentus, on peut édifier des murets qui freinent l'érosion. De même, on peut réaliser des enrochements pour stabiliser le sol et éviter les glissements de terrain causés par l'eau.
2 - Les activités humaines peuvent polluer l'eau
21) L'eau douce est rare, fragile et menacée
◦ Au niveau mondial, l'eau douce est une ressource rare. Elle ne circule de façon intense que dans les zones climatiques tempérées (cycle de l'eau). Les réserves "stables" d'eau douce sont les glaces polaires ainsi que les grands lacs.
◦ L'eau douce est fragile car toutes les substances peuvent s'y dissoudre peu ou prou. L'eau peut ainsi facilement contenir des substances toxiques
◦ L'eau douce est menacée car le développement de la civilisation s'accompagne de rejets abondants dans l'environnement.
SL: activité humaine et rejets dans l'eau
Les produits toxiques présents dans l'eau peuvent avoir des effets variés:
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| Eaux usées | Humaine | Développement de maladies (Choléra...) |
| Métaux lourds (plomb, mercure, cadmium...) |
Piles, accumulateurs, industries et mines |
Poisons quis'accumulent dans les individus. |
| Engrais& Pesticides |
Excédents d'origine agricole |
Modifient les populations animales et végétales. Asphyxie des poissons |
| Lisiers | Élevages |
Enrichissent l'eauen nitrates - modifient les populations animales et végétales |
| Solvants& carburants | Transports, industries | intoxicationdes animaux et végétaux |
22) La pollution de l'eau peut être évitée ou diminuée grâce à des mesures souvent onéreuses
On peut éviter la contamination de l'eau ou purifier de l'eau contaminée. Les mesures à prendre ont souvent un coût élevé, ce qui explique l'augmentation régulière du prix de l'eau ces dernières années (doc: facture d'eau). Ainsi:
◦ Les eaux usées (collectées dans un égout) de toutes les communes devront être traitées dans des stations d'épuration avant 2002.
◦ Dans l'industrie, des bassins de rétentions, de traitement, des filtres ainsi que des contrôles sont en cours de développement.