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1 2 OBJECTIF, PREREQUIS ET PREAQUIS DU COURS L’objectif de ce cours est de défi

1 2 OBJECTIF, PREREQUIS ET PREAQUIS DU COURS L’objectif de ce cours est de définir les outils de base de la géochimie et leurs principes, et de présenter quelques exemples concrets d'application aux Sciences de la Terre. Compétences : Savoir manipuler et interpréter les données géochimiques, les appliquer à quelques grands domaines de la géodynamique interne. Sa compréhension exige des prérequis de connaissances en chimie minérale, physique et en diverses disciplines de géologie, notamment en minéralogie, cristallographie, pétrographie, etc. Préaquis, elle facilite de son côté la compréhension de disciplines comme la pétrologie, la volcanologie qui est une discipline de la pétrologie, la prospection géochimique, la métallogénie et la gitologie, etc. Plan du cours Introduction I. La Terre dans le Système Solaire. II. Présentation des données géochimiques, processus géologiques et leurs signatures géochimiques III. Affinités et Classifications géochimiques des éléments. IV. Eléments majeurs et composition chimique des grands réservoirs de la Terre solide V. Eléments en traces dans les processus magmatiques. VI. Les isotopes et leur utilisation en géologie. Références Bibliographiques Allègre, C.-J. & Michard, G.1973 : Introduction à la géochimie, P.U.F, 220 p. Albarède, F., 2001 : La géochimie. Ed. Gordon and Breach, Collection Géosciences, 190 p. Jambon A. & Thomas A., 2009 : Géochimie : géodynamique et cycles. Dunod, 406 p. Mason, B. 1966: Principles of Geochemistry, John Willey & sons, Inc., 3th Edit. New York, 329 Provost, A. & Langlois, C. 2004: Mini Manuel de Géologie-Roches et géochimie, Dunod, 227p. Richardson, Steven M. , Uhle Maria E. 2004 & McSween Harry Y.: Geochemistry : Pathways and Processes, Columbia University Press, 2nd Ed., 381p. Rollinson, R.H. 1995: Using geochemical data: evaluation, presentation, interpretation. Pearson Education Limited, Harlow, 532 p. Steinberg, M., Touray, J.-C., Treuil, M. & Massard, P. 1979: Géochimie: Principe et méthodes, Doin, 2 tomes. 3 Vidal, Ph., 1998 : Géochimie, Dunod, 190 p. INTRODUCTION Définition La géochimie est, au sens large, la discipline de la géologie qui s’intéresse à la composition chimique et isotopique des matériaux terrestres (roches, minéraux, eaux naturelles, gaz) et aux aspects chimiques des phénomènes géologiques (magmatisme, métamorphisme, processus sédimentaires…). Elle offre une vision globale de l’abondance, de la distribution et du comportement des éléments chimiques dans la plupart des processus géologiques qui marquent l’évolution de notre planète. D'un point de vue applicatif et pour résumer, les buts de la géochimie sont, entre autres : • la détermination de la composition des différentes enveloppes terrestres et de leur évolution, depuis les hautes couches de l'atmosphère jusqu’à la graine ; • la quantification des transferts de matière et d'énergie au sein de la Terre ; la quantification des interactions entre ses différentes enveloppes ; • la détermination de l'âge des roches et des événements géologiques (p.ex. la tectonique ou le métamorphisme) ayant affecté la Terre, par le biais de la géochronologie ; • l'étude des conditions environnementales actuelles et anciennes. Toutefois les deux plus grands domaines en restent toutefois l'étude des roches sur Terre ou dans les autres systèmes planétaires et la géochronologie. On doit en définitive savoir que la géochimie est la discipline géologique qui apporte la lumière sur l’intérieur inaccessible de la Terre, pourvoit les bases de mesures de temps géologique, aide dans l’exploration des ressources économiques et à comprendre comment nous sommes en train d’altérer notre environnement, etc. Bref Historique Le mot géochimie a été introduit en 1838 par C.F.Schönbein, un chimiste suisse qui découvrit l’ozone. Déjà les premiers chimistes, comme Lavoisier, tentèrent de comprendre l’histoire des éléments. Mais ce sont surtout des minéralogistes qui furent à la source de plus grands progrès. 4 L’américain Clarke publia, en 1908, les premières études sur la composition de l’écorce terrestre. Le Russe V.I. Vernadski proposa en 1917 une classification géochimique des éléments qui ne fut pas retenue car, fondée sur divers critères, et donc difficilement utilisable. La classification moderne est celle de V.M. Goldschmidt (1888-1947) qui, en relation avec le système périodique, s’appuie sur les affinités que présentent les éléments pour les différents matériaux qui constituent l’écorce terrestre. La recherche des minerais fut un des moteurs de la géochimie. Elle s’applique notamment à de disciplines telles que la pédologie ou la prospection (pétrole, éléments radioactifs, etc.). Les outils de la géochimie. La géochimie utilise les techniques analytiques de la chimie minérale. C’est pourquoi son essor à la fin du XXe Siècle est lié au développement d’outils performants pour le dosage et l’analyse quantitative des éléments chimiques et de leurs isotopes. Pour l’analyse de la composition chimique des matériaux géologiques, la géochimie utilise certes les techniques d’analyse chimique et isotopique développées en physique et en chimie, mais la complexité des objets étudiés et la grande précision requise par les modèles géochimiques ont nécessité l’adaptation de ces techniques à la nature spécifique des objets étudiés. C’est ainsi que les développements actuels concernent l’utilisation de lasers et de faisceaux d’électrons ou d’ions pour l’analyse directe des échantillons géologiques. La difficulté pour ces techniques d’analyses consiste à analyser une très petite quantité de matière vaporisée par le faisceau, ce qui nécessite des appareils d’une très grande sensibilité. 5 CHAPITRE I : LA TERRE DANS LE SYSTEME SOLAIRE. I.1. Création du système solaire. On distingue classiquement trois étapes ou phases dans la formation du système solaire. Il s’agit de : - phase de condensation, - phase d’accrétion, - phase de différenciation. A. Phase de condensation Le système solaire s’est formé à partir d’un nuage originel de gaz et de poussières appelé nébuleuse gazeuse, large de 50 milliards de km, dont la composition était identique à celle du soleil. Cette nébuleuse protosolaire a dû subir une concentration gravitaire qui provoqua une différence thermique entre bordures froides et centre chaud ; ce centre devint le soleil contenant presque la totalité des poussières et gaz (99,8%). La matière en bordure se disposa en forme de disque, animé d’un mouvement de rotation autour de ce centre. Pendant que le centre de la nébuleuse protosolaire se réchauffait, le disque au contraire, se refroidissait en rayonnant de l’énergie dans l’espace. Comme la pression était très faible, le refroidissement des molécules de gaz provoqua leur condensation directement en solides, c.à.d. en grains ou particules que l’on nomme condensats. Cette étape est dite phase de condensation qui aurait duré moins de 2 Ma. B. Phase d’accrétion. Les mouvements mis en œuvre dans la nébuleuse ont favorisé la rencontre et l’agrégation des condensats, produisant ainsi des noyaux de plus en plus massifs. L’agrégation fut d’abord et principalement causée par des forces magnétiques et électrostatiques ; ensuite à mesure que la masse des noyaux s’accroissait, ils étaient devenus eux-mêmes des attracteurs gravitationnels importants c.à.d. des météorites puis des planétoïdes, attirant vers eux de plus en plus de matière. Après quelques dizaines de Ma, un certain nombre de gros noyaux ou protoplanètes, réchauffés par leur gravité s’étaient formés et avaient achevé d’attirer le reste de poussières, roches et autres débris qui trainaient dans le disque nébulaire. C’est le processus de la formation des planètes par accrétion. Cette phase a naturellement été ponctuée de nombreuses collisions cataclysmiques et d’une forte activité météoritique dont certains corps célestes, comme la lune ou le mercure, conservent encore la trace. Cette phase dura quelques dix millions d’années ! C. Phase de différenciation des planètes et composition prégéologique de la Terre L’accrétion des planètes s’était produite selon une séquence qui dépendait de : 6  la quantité de matière disponible et de  la température, et donc de la distance des planètes au soleil. Cela a eu pour conséquence l’apparition très tôt d’une hétérogénéité initiale dans la nébuleuse, une hétérogénéité qui se traduit par la différenciation de deux cortèges de planètes : (1) les planètes telluriques ou intérieures et (2) les planètes joviennes ou externes. - La Terre est l’une des planètes du système solaire qui constitue avec Vénus, Mars et Mercure des planètes intérieures ou telluriques. Il s’agit des planètes rocheuses structurées en couches de nature et d’épaisseur différentes. Elles présentent une surface solide et une densité moyenne allant de 3,3 à 5,5. - Par contre, les planètes externes dites joviennes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) sont des planètes géantes, gazeuses, de faible densité (0,7 à 1,5) et entourées d’anneaux et de nombreux satellites. Pluton, très éloigné du soleil, constitue un gros planétoïde. Ensuite, les astéroïdes et les planètes, portés à température élevée par des collisions ont dû fondre et se différencier par refroidissement, c’est la deuxième différenciation. Un rôle important est désormais accordé aux collisions. Ainsi de violents bombardements par de blocs et de planétésimaux se sont poursuivis pendant un milliard d’années, entre 4450 et 4350 Ma. Quant à la Terre primitive, qui s’était formée par accrétion de poussières, blocs et planétésimaux dont les collisions et la désintégration des éléments radioactifs (U, Th) libéraient de l’énergie, elle a vu sa température s’élevait fortement (2000°C) et un important volcanisme qui a permis le dégazage d’une partie de son manteau supérieur. La structure de la Terre est donc passée par un stade prégéologique (étape dont on ne dispose d’aucune trace dans les roches ou matériaux géologiques, uploads/Geographie/ geochimie-generale-g3-geo-unili.pdf