Géologie : introduction à la formation des roches

Les roches sont classiquement classées dans trois grandes catégories. Les roches magmatiques sont issues du magma, c’est-à-dire qu’elles sont formées en profondeur, là où la chaleur due à la radioactivité naturelle est importante. Les roches sédimentaires sont formées à partir de dépôts d’autres roches, mais aussi de composés organiques (non minéraux) ou encore à partir de réactions chimiques, et sont caractérisées par la formation de strates, et leur caractère parfois fossilifère. Enfin, les roches métamorphiques sont issues de la transformation de roches existantes sous l’effet de températures et/ou de pressions importantes. Roches magmatiques et roches métamorphiques sont toutes deux des types de roches dites cristallines.Des roches, quelle que soit leur nature, subissent une érosion (due au vent, au gel, aux marées…), les fragments en étant issus vont subir un transport qui les éloigne plus ou moins de leur lieu d’origine (transport par le vent, mais surtout par l’eau…), puis ces matériaux s’accumulent (c’est la sédimentation), et enfin ils se modifient, se structurent, s’assemblent plus ou moins, pour donner naissance à une nouvelle roche : c’est la diagénèse.

Les roches magmatiques sont de deux types

Le refroidissement du magma

Précisons d’abord que la vitesse de refroidissement du magma dicte la taille des cristaux qui seront visibles dans les roches magmatiques : plus le refroidissement est rapide, plus les cristaux sont petits, et inversement. Les cristaux visibles à l’œil nu sont dits phénocristaux et l’on parle de roche grenue ou microgrenue ; les cristaux microscopiques visibles au microscope optique sont des microlites; la pâte qui les cimente est un verre, amorphe. Dans les roches magmatiques, les cristaux sont disposés de manière équante, c’est-à-dire au hasard.

Les roches issues de phénomènes volcaniques sont dites effusives

Cristallisation des minéraux

Les violents phénomènes de volcanisme se caractérisent par le contact brutal du magma en fusion et des gaz dissous qu’il contient (principalement de la vapeur d’eau) avec l’air : seuls des microlites ont le temps de se former, alors que les cristaux plus gros se forment pendant la remontée du magma depuis quelques kilomètres de profondeur. À noter que certaines roches apparaissent complètement homogènes car elles ne sont composées que de verre (elles sont dites vitreuses), telle l'obsidienne, affleurant par exemple à Obsidian Cliff dans le Parc de Yellowstone.

Les différents minéraux les plus communs

Les minéraux cristallisés de ces roches sont classiquement du quartz (dioxyde de silicium), des feldspaths (silicates), des micas (silicates aussi), et d’autres encore. Ces cristaux sont présents dans des proportions totalement variables d’un magma à un autre, voire en sont absents. Tous contiennent plus ou moins de silice : plus la roche en contient, plus elle est dite acide et plus elle est claire. Enfin, plus les minéraux sont acides, plus ils cristallisent tardivement.

Quelques roches volcaniques communes

Selon la teneur en silice donc selon l’acidité, les roches effusives seront ainsi de nature différente. Les plus connues sont, par ordre d’acidité décroissante (de teneur en silice décroissante) : la rhyolite (environ 70% de quartz), la trachyte, l’andésite, le basalte (ces deux dernières dépourvues totalement de quartz).

La rhyolite

La rhyolite, en général gris clair, rouge orangé dans les Gorges du Blavet est connue des grimpeurs du SE de la France. De composition équivalente au granite, issue d’un magma visqueux qui remonte mal, elle n’est pas la plus fréquente des roches volcaniques !

L'andésite

L'andésite, roche grise, est typique des zones de subduction océanique sous une plaque continentale : son nom vient d’ailleurs de Andes… Mais on en trouve aussi dans la Chaîne des Puys, volcanisme aérien ayant 10000 ans seulement.

Le basalte

Le basalte est la roche « terrestre » la plus répandue, très foncée car basique : il constitue notamment le fond des océans, et est issu de la fusion du manteau (sous la croûte terrestre) qui s’épanche facilement (magma basique et fluide) au niveau des dorsales océaniques, mais on le retrouve aussi lors de volcanisme « aérien ». Il prend parfois la forme de typiques colonnes prismatiques hexagonales lorsque la lave refroidit lentement et régulièrement, comme à la Chaussée des Géants en Irlande ou dans la Chaîne des Puys du Massif Central, ou bien de coulées +/- horizontales telles une étendue de coussins, dites pillow lava, liées à un refroidissement rapide en mer.

Aspect des roches émises et type de volcanisme

Outre la teneur en silice qui entre autres conditionne le type de roche, le type de volcanisme (violence liée à la viscosité du magma et aux gaz dissous) conditionne la forme sous laquelle la roche va être émise. Une partie coule sur les flancs du volcan : c’est l’épanchement de lave, très fluide pour le basalte. Une partie est expulsée au loin (on parle de pyroclastites ou d’éjecta), et on aura à faire, des plus petits aux plus gros de ces fragments, à : des cendres, des lapillis (la pouzzolane utilisée en paysagisme au pied des plantes), ou des bombes.
Par ailleurs, la teneur en gaz mélangés aux fragments liquides (solides après refroidissement) va interférer sur l’aspect et la densité des « cailloux » : du verre, homogène et compact, aux pierres-ponces et aux scories, vacuolées car ayant contenu du gaz (les pierres-ponces flottent).

Les roches magmatiques formées en profondeur sont appelées plutoniques

(ou encore intrusives)

Cristallisation des minéraux

Elles nous apparaissent à la suite de mouvements tectoniques ou par l’action de l’érosion. Elles se sont formées à l’intérieur de l’écorce terrestre par un très lent refroidissement de plusieurs centaines de milliers d’années en général à des profondeurs de quelques kilomètres ou dizaines de kilomètres. Les cristaux sont donc souvent de grande taille : ce sont les phénocristaux dont on a parlé plus haut ; les roches sont dites grenues ou holocristallines, elles ont eu le temps de cristalliser entièrement. Dans la plupart des cas, les cristaux ont tous à peu près la même taille, mais parfois certains sont bien plus volumineux que d’autres et l’on parle alors de roche porphyroïde.

Quelques exemples fréquents

Comme pour les roches volcaniques, la couleur dépend de la composition et encore une fois la teneur en silice (l’acidité) est utilisée pour classer ces roches. De la plus claire (la plus acide) à la plus sombre, on rencontre par exemple le granite, la syénite, le gabbro ou la péridotite. On dit classiquement que le granite a la composition d’une rhyolite ; mais il est entièrement cristallisé. Les gabbros correspondent par exemple aux basaltes, etc. Cependant, les magmas à l’origine des roches plutoniques et des roches volcaniques sont différents.

Le granite

Le granite sans aucun doute la plus connue de ces roches ; c’est la roche principale de la croûte terrestre. On la rencontre fréquemment dans nos activités, que l’on soit sur une paroi vertigineuse au Grand Cap (granite rose) ou à El Cap, que l’on randonne sur le GR20 en Corse, ou que l’on serre une réglette sur un bloc du chaos de Targassonne !
Les chaos sont une conséquence de l’érosion sur le granite : les fissures laissent passer l’eau, elles s’agrandissent par altération chimique sous l’action de cette eau, le granite prend progressivement la forme de boules d’abord enterrées dans les débris de l’altération (appelés arène granitique), puis mises à jour par l’érosion.
Le granite est principalement composé de quartz (cristal gris) de mica noir (c’est lui qui s’oxyde facilement) et parfois de mica blanc, ainsi que de feldspath, sous forme de gros cristaux blancs ou parfois colorés. Les cristaux de quartz sont souvent « informes » : acides, ils ont cristallisé en dernier pour prendre la place restante.

Le gabbro

Le gabbro, de même composition que le basalte, cristallise lentement en profondeur, de même que la péridotite, à laquelle il est souvent associé. Il constitue notamment la couche profonde de la croûte océanique, sous la couche basaltique. Le rencontrer est donc rare. On en trouve sur le Tabor aux Oreilles du Loup.

La péridotite

La péridotite est la roche du manteau, à 70-150 km en profondeur, et cependant encore solide, parfois expulsée par les volcans. On la rencontre peu, et sa fusion partielle est à l’origine des basaltes, beaucoup plus fréquents : on en rencontre parfois d'ailleurs des morceaux associés aux basaltes. Sans quartz ni feldspath ni mica, elle est constituée de pyroxène et d’olivine.

À l'origine des granites

Quelles sont les roches à l’origine du granite et des autres roches plutoniques ? La fusion de la croûte en zone de collision (2 plaques se rencontrent), la fusion partielle du manteau en zone de subduction (un océan qui passe sous un continent), la fusion d’autres roches qui vont fondre au contact avec un magma (anatexie), etc. dont des processus de formation des roches plutoniques.

Les roches sédimentaires ont trois grands modes de formation différents

Elles se caractérisent notamment par la formation de strates, qui n’est pas systématique. Ainsi que par la présence occasionnelle de fossiles, qui peuvent permettre leur datation. Ces modes de formation peuvent en outre s'associer.

Le plus simple à comprendre est la formation détritique

Schéma global de formation

Des roches, quelle que soit leur nature, subissent une érosion (due au vent, au gel, aux marées…), les fragments en étant issus vont subir un transport qui les éloigne plus ou moins de leur lieu d’origine (transport par le vent, mais surtout par l’eau…), puis ces matériaux s’accumulent (c’est la sédimentation), et enfin ils se modifient, se structurent, s’assemblent plus ou moins, pour donner naissance à une nouvelle roche : c’est la diagénèse. Ces roches détritiques trouvent leur cohésion grâce à un ciment.

Schémas particuliers

L'argile

Si les grains sont microscopiques, inférieurs à 4 µm environ, on parle d’argile. Mais les argiles sont surtout constituées de grains de silicates, donc issues de roches magmatiques ou des roches métamorphiques issues de celles-ci (si les grains sont plutôt calcaire, on parlera de pélite). L’argile n’est pas une roche que l’on rencontre fréquemment dans nos activités (en dehors de la randonnée) en raison de sa fragilité. Elle a en revanche un intérêt économique et artistique depuis la nuit des temps…

Le grès

Si les grains sont plus gros mais inférieurs à 2 mm, on parle de grès, ou de sable lorsque la roche est meuble, non cimentée. Le grès est une roche agréable à grimper. Fontainebleau est l’exemple peut-être le plus parlant pour nous tous, c’est un grès monominéral quartzeux. Présenté sous la forme d’une couche compacte (la platière) qui repose sur une couche sableuse meuble, le grès s’affaisse et casse lorsque la couche de sable sous-jacente s’érode par ravinement : on obtient ainsi les fameux chaos gréseux de Bleau. Le grès rouge des Vosges (il contient des oxydes de fer) est aussi connu des grimpeurs autochtones, comme Red Rocks l’est outre-Atlantique.

Le conglomérat

Enfin, lors de fragments d’une taille supérieure à 2mm, on est en présence de conglomérat. Qui peut être de type brèche si les morceaux sont anguleux, ou de type poudingue si les fragments sont arrondis, ou encore de type tillite si les éléments arrondis coexistent avec les morceaux anguleux. Le ciment et le compactage rendent ce type de roche assez solide malgré les apparences. Les Météores en Grèce, Maple Canyon dans l'Utah, Montserrat en Catalogne, et les Mallos de Riglos en Espagne sont des conglomérats réputés pour l'escalade…

Il est à noter que la taille des morceaux accumulés dépend de l’importance des courants ayant permis leur transport. De petites particules seront transportées par de faibles courants, alors que les conglomérats à gros morceaux nécessitent des courants puissants. L’eau et son oxygénation sont aussi responsables de l’oxydation des métaux contenus dans les sédiments, donc de leur couleur…

Plus compliquée à appréhender est la formation biologique

Plus compliquée est la formation biologique (liée à l’activité d’êtres vivants) de certaines roches sédimentaires, telles certains calcaires dont la craie, les marnes (mélange de calcaire et d’un tiers d’argile au moins), la tourbe, le pétrole, la houille… Le calcaire si apprécié des grimpeurs est composé de carbonate de calcium, présent sous forme de calcite.

Les calcaires

Les calcaires, de formation biologique, correspondent en général à la présence d’un récif : les coraux ont en effet une matrice calcaire, et c’est le cycle dissolution-précipitation qui conduit à la formation de ces calcaires biologiques (ce qui se traduit par des fossiles particuliers). Un exemple connu des grimpeurs est le site du Saussois, qui présente notamment constructions récifales très solides et calcaires bioclastiques moins solides liés à l’ancienne action destructrice des vagues sur la barrière récifale. La formation des calcaires associe donc souvent processus biologiques et chimiques… Le Mont Aiguille est également constituée de calcaires compacts dans lesquels on trouve des récifs coralliens. Il repose sur une base élargie plus ancienne constituée de strates alternées de calcaire et de marne, sur laquelle s’effectue la marche d’approche. D’autres calcaires sont composés principalement des coquilles ou des tests de mollusques ou des coccolithes (une sorte de plaque protectrice) de plancton, comme la craie, qui est parfois grimpée (ou dry-toolée sur les falaises de Douvres).

Enfin, certaines roches sédimentaires sont issues de réactions chimiques

La dolomie

Outre le calcaire qui peut se former par précipitation de carbonate de calcium, la plus connue des amateurs de montagne est la dolomie ou calcaire dolomitique (son nom vient bien du savant du XVIIIe siècle, Dolomieu), roche composée d’un peu de calcaire (carbonate de calcium) et de beaucoup de dolomite (carbonate de calcium et de magnésium). Le plus souvent, c’est le calcium du calcaire qui est progressivement remplacé par du magnésium : on parle de de dolomitisation. Ce processus est complexe, s'effectuant soit au cours du dépôt sédimentaire soumis à évaporation, soit, plus tard, lors de la diagénèse. La dolomie est une roche intéressante : elle est moins sensible à l’érosion que le calcaire (plus dense, moins sensible aux pluies acides), d’où des formations rocheuses étonnantes, comme dans les Dolomites ou à Mourèze par exemple.

Le silex

Le silex également est une forme intéressante de roches sédimentaire chimique. Très dure, elle est issue de la précipitation de silice en milieu marin, dans des cavités laissées libres dans le calcaire. C’est ainsi qu’on la retrouve classiquement dans de nombreuses falaises calcaires. Le site de Beauvoir près de Poitiers offre de belles voies sur calcaire à silex. La Forêt de Saoû offre de belles longueurs sur rognons de silex. La silice peut aussi remplacer l’enveloppe (le test) pourtant calcaire des oursins, et former des rognons dans la craie.

La meulière

La meulière est également une roche sédimentaire siliceuse : connue en Région Parisienne car elle « la » pierre de nombreuses villas du début du siècle dernier, elle est aussi la pierre du Viaduc des Fauvettes.

D’autres roches que l’on côtoie peu dans nos activités, comme le sel gemme, le gypse utilisé pour le plâtre, etc, sont des roches sédimentaires de formation chimique.

Les roches métamorphiques sont issues de la transformation d’autres roches

Le métamorphisme est la modification de la composition minéralogique et de l’aspect d’une roche, en général en profondeur, sous l’action de températures et de pressions élevées, par exemple lorsqu’une plaque s’enfonce sous une autre. C’est l’érosion qui arase les couches superficielles et révèle avec le temps ce qui serait sinon inaccessible à notre regard. L’âge de la roche d’origine ne peut souvent pas être connu, car les fossiles n’ont pas résisté aux contraintes extrêmes.

Métamorphisme régional

Caractéristiques des roches métamorphiques

Le métamorphisme peut être qualifié de régional lorsqu’il intéresse de vastes zones soumises à de fortes températures et de fortes pressions, lorsque les roches de surface de la croûte terrestre ont été déplacées en profondeur (quelques dizaines de kilomètres de profondeur) par les mouvements tectoniques. Les caractéristiques principales sont alors la présence de plis visibles à grande échelle, ainsi que la foliation de la roche, c’est-à-dire la présence de cristaux parallèles les uns aux autres formant des feuillets (on parle de roches cristallophyliennes, ce qui les distingue des roches magmatiques où les cristaux sont à disposition équante comme vu plus haut). En plus de ces deux caractéristiques, la roche métamorphique peut présenter une schistosité, ce qui signifie que la roche peut être débitée (clivée) en feuillets. La schistosité est liée à de très fortes pressions, rencontrées par exemple lors de la formation des montagnes, ou orogénèse. Une roche métamorphique peut aussi présenter un rubannement, c’est-à-dire que des couches claires alternent avec des couches foncées, comme dans les gneiss.

Exemples de roches métamorphiques

Le gneiss

Par exemple, un grès comme un granite peuvent être à l’origine d’un gneiss, roche présentant foliation et rubannement, mais pas de schistosité. Les couches claires contiennent quartz et feldspath tandis que les couches sombres contiennent du mica noir. La pyramide du Cervin est faite de gneiss. Une forme particulière de gneiss où des feldspaths persistent sous forme non aplatie est appelée gneiss oeillé. Si le gneiss est issu d'une roche granitique, on le qualifie d'orthogneiss, s'il est issu d'une roche sédimentaire, il est dit paragneiss.

Le schiste

Autre exemple très répandu, une argile (grains fins < 50 µm environ) peut être transformée sous des contraintes compressives (écrasement par l’accumulation de piles sédimentaires plus jeunes au-dessus, ou mouvements tectoniques avec plissements) en schiste, roche présentant des plans de schistosité à l’origine d’un débit schisteux. L’ardoise est une forme peu métamorphisée de schiste (sédiments argileux fins, homogènes, débit aisé, plaques solides), de même que la lauze (sédiments plus grossiers, feuillets plus épais). Ultérieurement, le schiste peut être transformé en micaschiste puis en gneiss! Les schistes sont généralement brillants en surface, car le clivage en suivant les plans du mica qui restent en surface.

Les schistes, témoins d'une compression passée, représentent une famille très variée : leur nature varie en fonction de la roche de base transformée. Ainsi, on parle par exemple de calschistes quand la roche de base était calcaire (ex les Lias de la Grande Casse). Comme type de schistes, on peut citer les schistes lustrés liguriens, très micacées, plus ou moins argileux, plus ou moins marbrés (ex Rochemelon, Grande Sassière). On peut citer aussi les flyshs, qui sont des schistes gréso-argileux alternés (ex Aiguille du Goléon, Aiguille de l'Épaisseur).

Les quartzites

Un grès siliceux (quartzeux) pur peut par métamorphisme et recristallisation de la silice donner une quartzite, roche peut ou non présenter une schistosité.

Le marbre

Peu fréquent dans nos activités, mais d’importance économique et culturelle non négligeable, le marbre est issu du calcaire ; la variété de ses couleurs est due à la présence de métaux oxydés. Il est à noter que le marbre est une roche métamorphique ne présentant pas non plus de schistosité.

Cristaux néoformés

Il est intéressant de noter que lors de ces processus, des cristaux néoformés peuvent apparaître : non présents dans la roche d’origine, les conditions de pression et de température sont telles que des réactions chimiques sont à l’origine de nouvelles molécules à structure cristalline, comme le grenat, fréquent dans les micaschistes. L’apparition de certains cristaux et la disparition d’autres cristaux est dite succession minéralogique.

Anatexie

Si la température est trop importante en profondeur, la roche peut fondre totalement et redevenir magmatique : ce processus est appelé anatexie (certains granites ainsi formés sont appelés granites d’anatexie, sorte de forme ultime de métamorphisme). Ou elle peut fondre partiellement (certains minéraux fondent, d’autres non) : on est en présence d’une migmatite.

Métamorphisme de contact

Le métamorphisme peut aussi être dû au contact de la roche transformée avec d’autres roches présentant une haute température (du magma en ascension qui traverse une roche peu enfouie) : dans ce cas-là, appelé simplement métamorphisme de contact, les pressions ne sont pas élevées et la roche métamorphique ainsi formée ne présente ni schistosité, ni foliation. Le métamorphisme de contact s’effectue en général dans un faible rayon autour de la montée magmatique : on le trouve par exemple en périphérie (on parle d’auréole) des zones volcaniques.

Schéma synthétique de la formation des roches

Ce schéma a été créé en décembre 2006. Il est succinct mais devrait suffire à avoir une vue d'ensemble du cycle des roches. Certains noms n'apparaissent pas dans le texte ci-dessus, d'autres roches abordées ne figurent pas dans ce schéma.

Bibliographie et webographie

Pour commencer

• Maurice Mattauer, Ce que disent les pierres. Bibliothèque Pour la Science, Paris, 1998.
• François Michel, Roches et paysages, reflets de l’histoire de la Terre. Collection Bibliothèque scientifique, BGRM éditions – Belin – Pour La Science, Paris, 2005.
• http://fr.wikipedia.org/wiki/Portail:Minéraux_et_roches

Pour aller plus loin

• http://www.geol-alp.com/
• http://christian.nicollet.free.fr/page/Figures/phototeque.html
• http://www.lemonde.fr/planete/video/2010/07/23/d-ou-vient-le-magma_1391686_3244.html