15Roches et minéraux

Sam se penche sur le plan de travail de la cuisine avec une loupe. La pierre polie, qui paraît grise de loin, devient une foule de petites taches : des roses, des blanches, des grises et vitreuses, et de minuscules noires qui brillent quand la lumière les accroche. Chaque tache a des faces plates et brillantes, et les taches s’emboîtent comme les pièces d’un puzzle. Que sont-elles ?

Tu sais déjà

Les roches sont le matériau dur de la croûte terrestre : on peut les briser en cailloux, les rivières les roulent en galets, et elles peuvent être réduites en sable (Chapitre 5). L’eau, la glace et le vent usent les roches (altération), emportent les morceaux (érosion) et les déposent plus loin (dépôt) (Chapitre 10). Sur un volcan, la roche fondue sort sous forme de lave (Chapitre 8).

15.1 Une roche est faite de minéraux

Les petites taches du plan de travail sont des minéraux, et la pierre est un granite.

Définition 15.1 (Minéral)

Un minéral est une substance solide naturelle, qui n’est pas fabriquée par les êtres vivants, qui a toujours la même composition et dont les atomes sont disposés de façon régulière. Une roche est faite d’un seul minéral ou, plus souvent, de plusieurs minéraux assemblés.

Le granite est fait surtout de trois minéraux : le feldspath (rose ou blanc), le quartz (gris et vitreux) et le mica (noir ou argenté, en fines paillettes brillantes). D’autres roches sont faites d’un seul minéral : le calcaire, par exemple, est fait presque uniquement de calcite.

15.2 Les cristaux

À la loupe, beaucoup de grains minéraux montrent des faces plates et brillantes et des arêtes droites. Là où un minéral a eu la place de grandir librement, dans un creux de la roche, il forme un cristal : un solide de forme régulière limité par des faces planes. Sa forme vient de la disposition régulière de ses atomes, étudiée dans les livres de chimie. Un cristal de quartz, par exemple, est une colonne à six faces qui se termine en pointe ; un cristal de mica se débite en feuillets plus fins que du papier.

Dans le granite, les grains ont grandi serrés les uns contre les autres : ils n’ont donc pas de jolies formes, et ils s’emboîtent comme un puzzle. Leur taille raconte une histoire. Le granite se forme en profondeur, là où la roche fondue refroidit très lentement : ses grains ont le temps de devenir assez gros pour être vus à l’œil nu. La roche fondue qui refroidit vite en surface, sous forme de lave, donne des roches aux grains trop petits pour être vus.

15.3 Les trois familles de roches

Les géologues classent les roches en trois familles, non pas d’après leur couleur, mais d’après la façon dont elles se sont formées.

Définition 15.2 (Les trois familles de roches)

Une roche ignée se forme quand une roche fondue refroidit et devient solide : le granite en profondeur, le basalte à partir de la lave. Une roche sédimentaire se forme à la surface de la Terre à partir de grains de sable et de boue, ou de coquilles d’êtres vivants, déposés en couches puis durcis : le grès, l’argilite, le calcaire. Une roche métamorphique est une roche qui a été transformée, sans fondre, par la chaleur et la pression en profondeur : le marbre (issu du calcaire), l’ardoise (issue de l’argilite).

Le nom ignée vient du mot latin qui veut dire « feu ». Les roches sédimentaires montrent souvent des couches, posées les unes sur les autres, comme les pages d’un livre. Les roches métamorphiques sont souvent écrasées et plissées ; certaines, comme l’ardoise, se débitent en feuilles plates.

Beaucoup de roches sédimentaires sont faites des grains que tu as triés par taille au Chapitre 5 : galets et graviers, sable, boue. Une fois enfouis, les grains perdent leur eau et sont collés entre eux par un ciment naturel. La taille des grains donne son nom à la roche.

Sur le terrain — Lire les pierres d’une ville

Les villes sont des collections de roches en plein air. Promène-toi avec un adulte le long de vieux murs, d’escaliers, de statues, de façades d’églises et de pavés, et regarde de près, sans rien gratter ni rien casser. Certaines bordures de trottoir et certaines marches sont en granite : cherche son quartz vitreux et son mica brillant. Beaucoup de vieux murs et de vieilles façades sont en calcaire ou en grès : cherche des coquilles, ou frotte du bout du doigt une miette de grès tombée par terre pour sentir le sable. Les toits peuvent être en ardoise, débitée en feuilles fines. Note dans un carnet où se trouve chaque pierre, sa couleur, ses grains et la famille à laquelle tu penses qu’elle appartient ; une photographie aide à comparer ensuite avec le tableau de ce chapitre.

15.4 Le cycle des roches

Les roches ne sont pas éternelles. Une montagne de granite est lentement altérée ; ses grains sont emportés par les rivières jusqu’à la mer et s’y déposent en couches ; enfouies de plus en plus profondément, les couches durcissent en grès. Si le grès est entraîné encore plus profond, la chaleur et la pression le transforment en roche métamorphique ; plus profond encore, il peut fondre, et la roche fondue, en refroidissant, forme une nouvelle roche ignée. Peu à peu, au fil de millions d’années, la matière des roches tourne en rond, sans fin.

Définition 15.3 (Cycle des roches)

Le cycle des roches est le voyage sans fin par lequel les roches de chaque famille sont lentement changées en roches des autres familles : par l’altération et l’érosion en surface, par l’enfouissement et le durcissement, par la chaleur et la pression, par la fusion et le refroidissement.

15.5 Reconnaître les roches courantes

Voici sept roches que l’on rencontre souvent dans les bâtiments, les trottoirs et les paysages.

Sécurité

Le test à l’acide n’est fait que par un adulte, avec des lunettes de protection et des gants, avec un acide très dilué. Ne goûte jamais une roche ni une poudre, et ne casse jamais de roches avec un outil : l’observation à la loupe en dit déjà beaucoup.

Une clé de détermination est une liste de questions, chacune à deux réponses, qui mène pas à pas au nom d’une roche.

La dureté. Un indice de plus aide à reconnaître un minéral : la facilité avec laquelle on peut le rayer.

Définition 15.4 (Dureté et échelle de Mohs)

La dureté d’un minéral est sa résistance à la rayure : un minéral raye tous ceux qui sont plus tendres que lui et il est rayé par tous ceux qui sont plus durs. L’échelle de Mohs classe la dureté de 1 à 10 à l’aide de dix minéraux de référence, du talc (1), le plus tendre, au diamant (10), le plus dur.

Méthode 15.5 (Le test de la rayure)

1. Essaie de rayer le minéral avec ton ongle, puis avec une pièce de cuivre. (Le verre et l’acier ne sont utilisés que par un adulte.)
2. Frotte la marque avec un doigt : une vraie rayure reste, une trace de poudre laissée par le testeur s’efface.
3. La dureté est comprise entre celle du testeur le plus dur qui ne le raye pas et celle du testeur le plus tendre qui le raye.

Exemple 15.6 (Quartz ou calcite ?)

Deux minéraux blancs se ressemblent. Le premier est rayé par une pièce de cuivre : sa dureté est inférieure à 3.5 ; c’est de la calcite (3). Le second n’est pas rayé par un clou en acier et raye le verre : sa dureté est supérieure à 6.5 ; parmi les minéraux de référence, c’est du quartz (7).

15.6 Exercices

Exercice 15.1 ★

À quelle famille appartient chaque roche : granite, grès, marbre, basalte, calcaire, ardoise ?

Solution

Solution de Exercice 15.1.

Granite : ignée. Grès : sédimentaire. Marbre : métamorphique. Basalte : ignée. Calcaire : sédimentaire. Ardoise : métamorphique.

Exercice 15.2 ★

Le quartz est-il un minéral ou une roche ? Et le granite ? Explique la différence en une phrase.

Solution

Solution de Exercice 15.2.

Le quartz est un minéral ; le granite est une roche. Un minéral est une seule substance naturelle dont les atomes sont disposés de façon régulière ; une roche est faite d’un ou de plusieurs minéraux assemblés (le granite : feldspath, quartz et mica).

Exercice 15.3 ★

Range ces minéraux dans l’ordre, du plus tendre au plus dur : quartz, talc, diamant, calcite. Lequel peut rayer tous les autres ?

Solution

Solution de Exercice 15.3.

Talc (1), calcite (3), quartz (7), diamant (10). Le diamant, le plus dur, raye tous les autres.

Exercice 15.4 ★

Recopie et complète avec les mots refroidissement, chaleur et pression, altération : « Une roche fondue devient une roche ignée par … Un calcaire devient un marbre par … Un granite se transforme en grains de sable par … »

Solution

Solution de Exercice 15.4.

« Une roche fondue devient une roche ignée par refroidissement. Un calcaire devient un marbre par la chaleur et la pression. Un granite se transforme en grains de sable par altération. »

Exercice 15.5 ★★

Utilise la clé. (a) Une roche ne fait pas de bulles sous l’acide ; elle est sombre, avec des grains trop petits pour être vus et de petits trous ronds. (b) Une roche fait des bulles sous l’acide et elle est faite de cristaux brillants qui scintillent comme du sucre. (c) Une roche ne fait pas de bulles ; elle est rugueuse comme du papier de verre. Nomme chaque roche.

Solution

Solution de Exercice 15.5.

(a) Basalte. (b) Marbre. (c) Grès.

Exercice 15.6 ★★

Un minéral est rayé par une pièce de cuivre mais pas par un ongle. Entre quelles deux valeurs de dureté se trouve-t-il ? Quel minéral de référence de l’échelle de Mohs pourrait-il être ?

Solution

Solution de Exercice 15.6.

Sa dureté est supérieure à celle d’un ongle (environ 2.5) et inférieure à celle d’une pièce de cuivre (environ 3.5). Ce pourrait être de la calcite (3).

Exercice 15.7 ★★

Dans le dessin du granite de ce chapitre, il y a 60 grains : 33 de feldspath, 21 de quartz et 6 de mica. Quel pourcentage des grains est du quartz ? Du feldspath ? Du mica ? Vérifie que les trois pourcentages font bien 100 % au total.

Solution

Solution de Exercice 15.7.

Quartz : $21 \div 60 = 0.35$, soit 35 %. Feldspath : $33 \div 60 = 0.55$, soit 55 %. Mica : $6 \div 60 = 0.10$, soit 10 %. Vérification : $35 + 55 + 10 = 100$.

Exercice 15.8 ★★

Le granite et le basalte sont tous deux des roches ignées. Pourquoi pouvons-nous voir à l’œil nu les grains du granite, mais pas ceux du basalte ?

Solution

Solution de Exercice 15.8.

Le granite refroidit très lentement, en profondeur : ses grains ont longtemps pour grandir, et ils deviennent gros. Le basalte vient de la lave, qui refroidit vite en surface : ses grains n’ont pas le temps de grandir et restent trop petits pour être vus.

Exercice 15.9 ★★

Le marbre est issu du calcaire. (a) À quelle famille appartient chacun d’eux ? (b) Qu’est-il arrivé au calcaire pour qu’il se transforme en marbre ? (c) Pourquoi tous deux font-ils des bulles sous l’acide ?

Solution

Solution de Exercice 15.9.

(a) Le calcaire est sédimentaire ; le marbre est métamorphique. (b) En profondeur, la chaleur et la pression l’ont transformé sans le faire fondre : sa calcite a grandi en cristaux brillants qui s’emboîtent. (c) Tous deux sont faits du même minéral, la calcite, et c’est la calcite qui fait des bulles sous l’acide.

Exercice 15.10 ★★

À l’aide de l’échelle de Mohs : (a) le quartz peut-il rayer une bouteille en verre ? (b) Et la fluorine ? (c) Un clou en acier peut-il rayer le feldspath ?

Solution

Solution de Exercice 15.10.

(a) Oui : le quartz (7) est plus dur que le verre (environ 5.5). (b) Non : la fluorine (4) est plus tendre que le verre. (c) Oui : un clou en acier (environ 6.5) est plus dur que le feldspath (6).

Exercice 15.11 ★★★

Raconte le voyage d’un grain de quartz, en cinq étapes, depuis une montagne de granite jusqu’à une roche métamorphique. Nomme le phénomène à chaque étape, et la famille de la roche au départ et à l’arrivée.

Solution

Solution de Exercice 15.11.

Par exemple : (1) le granite de la montagne (roche ignée) est fragmenté par l’altération, et ses grains de quartz sont libérés ; (2) une rivière les emporte : c’est l’érosion ; (3) les grains se déposent en couches au fond de la mer : c’est le dépôt ; (4) enfouis sous d’autres couches, ils sont tassés et cimentés en un grès : c’est le durcissement (la roche est maintenant sédimentaire) ; (5) entraîné en profondeur, le grès est transformé par la chaleur et la pression en une roche métamorphique.

Exercice 15.12 ★★★

Un minéral gris et vitreux n’est pas rayé par un clou en acier, raye le verre et est rayé par la topaze. (a) Quelle est sa dureté sur l’échelle de Mohs ? Nomme-le. (b) Des grains de sable sont roulés pendant des années par les vagues et les rivières. À l’aide de sa dureté, explique pourquoi les grains de ce minéral durent bien plus longtemps que des grains de calcite ou de mica.

Solution

Solution de Exercice 15.12.

(a) Pas rayé par l’acier (environ 6.5) et capable de rayer le verre : plus dur que 6.5. Rayé par la topaze (8) : plus tendre que 8. Sa dureté est 7 : c’est du quartz. (b) Le quartz est plus dur que presque tout ce qui frotte contre lui (autres grains, galets) : il s’use à peine. La calcite (3) et le mica (2 à 3) sont bien plus tendres : le frottement les réduit en minuscules morceaux qui sont emportés.

15.7 Problème : Les pierres de la place de la ville

Problème 15.1

Problème du week-end — les roches d’une place de ville, le minéral le plus dur qu’elles contiennent, et combien de familles de roches sont présentes

Lors d’une sortie scolaire, la classe observe les pierres de la vieille place de la ville (en observant seulement : personne ne casse ni ne raye les monuments). L’enseignante a apporté, de chez le tailleur de pierre, des morceaux détachés des mêmes pierres pour les tests de dureté.

La fontaine : son bassin montre de gros grains, roses, blancs, gris et vitreux, et noirs et brillants. Le pavage : des dalles claires où l’on voit de petites coquilles fossiles ; une goutte d’acide dilué, déposée par l’enseignante sur un morceau détaché, fait des bulles. Le toit de la mairie : des feuilles fines, plates et grises d’une pierre au grain très fin. La statue : une pierre blanche faite de cristaux brillants qui scintillent comme du sucre ; elle fait des bulles, elle aussi.

Partie I — La fontaine, le pavage, le toit.

1. Nomme la roche de la fontaine et sa famille. Nomme ses trois minéraux.
2. Nomme la roche du pavage et sa famille. Qu’étaient les coquilles avant de se trouver dans la pierre ?
3. Nomme la roche du toit et sa famille. À partir de quelle roche s’est-elle formée ?
4. Nomme la roche de la statue et sa famille. À partir de quelle roche s’est-elle formée ?

Partie II — Un test de dureté.

5. L’enseignante essaie de rayer un grain gris et vitreux de la fontaine avec un clou en acier : aucune rayure. Le grain raye le verre. Quel est ce minéral, et quelle est sa dureté ?
6. Les grains roses sont rayés par le clou en acier mais pas par le verre. Entre quelles deux valeurs se trouve leur dureté ? De quel minéral de l’échelle de Mohs s’agit-il ?
7. Les paillettes noires se rayent tout juste avec un ongle. Quel minéral est-ce ?
8. Une pièce de cuivre peut-elle rayer le pavage ? Explique à l’aide de la dureté de la calcite.

Partie III — Le cycle des roches.

9. Après des siècles de pluie, la statue a perdu ses détails fins. Quel phénomène du cycle des roches est à l’œuvre ?
10. Le granite de la fontaine vient d’une montagne. Au fil de millions d’années, que pourraient devenir les grains de quartz de cette montagne, et dans quelle roche pourraient-ils finir ?
11. Combien des trois familles de roches sont présentes sur la place ? Nomme la ou les roches de chacune.
12. Quelle est la dureté de Mohs du minéral le plus dur que l’on trouve dans les pierres de la place ?

Solution

Solution de Problème 15.1.

1. Du granite, une roche ignée ; ses minéraux sont le feldspath (rose ou blanc), le quartz (gris, vitreux) et le mica (noir, brillant).

2. Du calcaire, une roche sédimentaire. Les coquilles appartenaient à des animaux qui vivaient dans la mer ; leurs restes se sont déposés puis ont durci pour former la roche.

3. De l’ardoise, une roche métamorphique, formée à partir d’argilite.

4. Du marbre, une roche métamorphique, formé à partir de calcaire.

5. Du quartz : pas rayé par l’acier (environ 6.5), il raye le verre (environ 5.5) ; sa dureté est 7.

6. Rayés par l’acier (environ 6.5) mais pas par le verre (environ 5.5) : entre 5.5 et 6.5. C’est du feldspath (orthose, 6).

7. Du mica (dureté 2 à 3).

8. Oui : le pavage est en calcaire, fait de calcite (3), plus tendre qu’une pièce de cuivre (environ 3.5).

9. L’altération : la pluie use lentement la surface de la pierre.

10. La montagne est altérée ; ses grains de quartz sont emportés par les rivières et se déposent en couches, au fond d’un lac ou de la mer ; enfouis et durcis, ils peuvent devenir un grès, une roche sédimentaire.

11. Les trois familles sont présentes : ignée (le granite de la fontaine), sédimentaire (le calcaire du pavage), métamorphique (l’ardoise du toit et le marbre de la statue).

12. Le minéral le plus dur est le quartz du granite : dureté de Mohs 7.