Filières :
Sciences de la Terre et de l’Univers
Sciences de la Vie
Driss NACHITE
Jamal eddine STITOU EL MESSARI
Matière 2. : Géodynamique externe
· Introduction
· Eléments de climatologie
· Formes principales de l’activité géologique exogène : Introduction à la géomorphologie
· Glissement et mouvements en masse
· Glaciers et processus glaciaires
· L’action du vent et processus éoliens
· Les eaux de ruissellement
· Estuaire et deltas
· Le milieu marin
· Les eaux souterraines
Introduction
La géodynamique externe c’est l’évolution dynamique de la surface de la Planète.
A la surface la terre interagissent : eau, glace, vent et organismes vivants
c.à.d : lithosphère, hydrosphère, atmosphère, cryosphère et biosphère
Résultat : Changement du paysage
Le phénomène le plus important : érosion dans les hauteurs et dépôts dans les zones basses.
Cette destruction des reliefs engendre un aplanissement
D’où le lien entre géodynamique interne et géodynamique externe
Si la tectonique des plaques rajeunit souvent les reliefs des continents;
Alors les processus de la dynamique externe les détruisent.
Notions de Cycle sédimentaire
L’érosion (sens large) sépare les constituants des roches en deux groupes :
– Ions solubles et colloïdes
–Débris des roches non suffisamment dégradés (argiles, sables, galets, …)
La sédimentation est le processus de dépôt des produits de l’érosion.
3 grands types de sédiments :
– les sédiments détritiques, les débris des roches préexistantes;
– les sédiments chimiques, précipitations à partir des eaux saturées ;
– les sédiments biochimiques, accumulation post mortem de squelettes d’organismes.
La Diagénèse : du sédiment à la roche sédimentaire
Ce sont les processus qui transforment les sédiments meubles en roches dures : la compaction et la cimentation
¨ Compaction ou tassement : sous le poids des sédiments plus récents (gravité), l’eau entre les grains est expulsée, l’espace entre les grains diminue, comme résultat on aura diminution de la porosité et augmentation de la densité.
¨ Cimentation et recristallisation : l’eau qui circule entre les grains favorise :
o la dissolution
o la précipitation d’un ciment
o les échanges d’ions
L’augmentation de la pression et de la température(l’enfouissement) favorise la diagenèse.
(Pour plus de détail voir TP)
Le cycle géologique
Si la température et la pression continuent d’augmenter on passera au stade du métamorphisme.
Trop de chaleur et pression vont conduire à la fusion des roches.
D’où trois grands groupes de roches :
¨ les roches sédimentaires ;
¨ les roches métamorphiques résultent de la modification, par l’action de la chaleur et de la pression, de roches ignées ou sédimentaires ;
¨ les roches ignées ou magmatiques, issues du refroidissement et de la cristallisation de magmas.
L’ensemble de ces phénomènes forme un cycle appelé « cycle géologique«
Le cycle géologique
(Boulvain, 2002)
1. Eléments de climatologie
La Terre : une machine thermique
1.1. Structure et caractéristiques de l’atmosphère
L’Atmosphère estla couche externe gazeuse de la Terre.
Sur une sphère de 1 m de rayon, l’atmosphère représente une couche de 4,7 mm.
Les couches atmosphériques : principalement 4 :
– Troposphère : 0 à 10/11 Km d’altitude
· Caractérisée par la diminution de la température avec l’altitude, 6°C/km
· Forme l’essentiel de la masse atmosphérique
· Concentre toute la vapeur d’eau : 98 %
C’est une zone de turbulences : Nuages, et donc détermine le temps
Tropopause
(6 km au pôle, 18 km à l’équateur)
– Stratosphère : 10/11 à 50 km d’altitude
· Montre une température variable : -10°C à -60 °C
· Sans nuages, laminaire
· Renferme la couche d’ozone à 25 km d’altitude.
– La mésosphère : 80-50 km d’altitude.
- Température de -80°C à environ -10°C.
– La thermosphère : 200-80 km d’altitude
· Montre des températures variables, de – 80 °C au bas de la couche jusqu’à 400 à 1400°C dans la couche supérieure
· Elle fait la transition entre l’espace et l’atmosphère.
Stratification dans l’atmosphère
La troposphère :est la couche « vivante » de l’atmosphère.
Elle contient 90% de la masse totale de l’atmosphère terrestre.
Elle est le siège de nombreux échanges entre la terre et la troposphère (cycle de l’eau, présence des nuages,…).
Composition actuelle :
ü Azote N2 : 78 %
ü Oxygène O2 : 21 %
ü Argon Ar : 0.9 %
ü Gaz carbonique CO2 : 0.034 %
ü CO, O3, CH4, NO2 : des traces
A l’origine notre atmosphère ne contenait pas d’oxygène, mais énormément de CO2. C’est avec l’apparition de la photosynthèse qui a fixé le CO2 et libéré de l’oxygène que l’air est devenu respirable à la surface de la terre.
1.2. Bilan Radiatif de la terre : Introduction au système climatique
LE SOLEIL est LA source d’énergie pour faire tourner le cycle externe.
L’énergie solaireest la partie entrante dans le système, qui va être:
¨ absorbée
¨ réfléchis
¨ stocké
¨ transformé en travail
¨ renvoyée vers l’espace extérieur
La balance entre l’entrée et sortie définie le climat de la planète:
¨ froid
¨ chaud
¨ reste constant
Flux d’Energie
|
Quantité
|
%
|
|
W/m2
|
|||
Energie solaire incidente
|
350
|
100
|
|
Energie arrivant au sol
|
|||
|
directement
|
17.5
|
5
|
diffusé par atmosphère et nuages
|
154
|
44
|
|
émise par atmosphère et nuages
|
353.5
|
101
|
|
Total
|
525
|
150
|
|
Energie perdue par le sol
|
|||
|
réfléchie
|
21
|
6
|
émise
|
402.5
|
115
|
|
chaleur sensible
|
21
|
6
|
|
chaleur latente de vaporisation
|
80.5
|
23
|
|
Total
|
525
|
150
|
Bilan d’énergie de la Terre
1.3. Les mécanismes de la circulation atmosphérique
Les mouvements de l’air sont déterminés par les radiations solaires :
¨ Le bilan est positif à l’équateur mais négatif aux pôles
¨ l’ensoleillement varie selon les saisons.
¨ Enfin, l’eau, la terre, la glace et la végétation ont une réponse spécifique vis-à-vis des radiations solaires, elles les absorbent ou les réfléchissent d’une façon différente.
Principes :
¨ Les masses d’air portées à des températures différentes se déplacent pour chercher un équilibre.
¨ Un air froid et sec est dense, un air chaud et humide est léger.
¨ A température égale, l’air humide est plus léger que l’air sec.
A l’échelle de la planète, l’air chaud de l’équateur monte et tend à se superposer à l’air froid polaire qui lui tend à faire le mouvement inverse au niveau du sol.
Distribution de l’énergie solaire de l’équateur aux pôles
Gradient de pression :
La pression à une altitude donnée est plus faible dans une masse d’air froid que dans une masse d’air chaud.
Pour une même altitude, la pression est plus forte à l’équateur qu’au pôle : l’air chaud de l’équateur se dirige vers les pôles et surmonte l’air polaire.
En altitude devrait s’établir un courant chaud de l’équateur aux pôles et par compensation un courant froid au sol en sens opposé.
Soit une zone de haute pression contiguë à une zone de basse pression. Au point O situé à la limite des 2 zones apparaît une force OA dont l’intensité est proportionnelle au gradient de pression = la force de gradient.
F

O A
HP
|
BP
|
Déplacement de l’air
Force géostrophique :
La rotation de la terre va dévier l’air qui se déplace selon OA.
¨ vers la droite dans l’hémisphère nord
¨ vers la gauche dans l’hémisphère sud
C’est la force géostrophique ou de Coriolis.
Force de Coriolis
Fc = k (v.m. w.sinL)
|
V : vitesse de l’objet mobile
M : masse de l’objet mobile
W : vitesse angulaire de rotation de la terre
L : latitude
|
¨ La déviation de Coriolis croit avec la latitude; elle est nulle à l’équateur; elle change de sens dans l’hémisphère sud (déviation à gauche).
¨ La surface de la terre est hétérogène: Relief et donc frottement
Frottement faible à haute altitude et au-dessus de la surface des océans
Force de Coriolis est très supérieur aufrottement.
L’inverse à basse altitude au dessus des continents
Le vent sera la résultante de la force de gradient modifiée par la force de Coriolis:
sa direction est tangente à la limite des 2 zones.
Déviation des vents de surface dans l’hémisphère nord (loi de Buys-Ballot)
D’une façon générale, dans l’hémisphère nord, les vents sont parallèles aux lignes de mêmes pressions ou isobares avec les hautes pressions à droite: c’est la loi de BUYS-BALLOT.
La vitesse du vent varie en raison inverse de l’écartement des isobares
Vu le Gradient de pression entre de l’équateur (haute pression) au pôle (basse pression) : Donc les vents, en altitude au moins, devraient souffler d’W en E parallèlement aux isobares.
Mais : le frottement irrégulier de l’air en mouvement sur le sol, la répartition inégale continents / mers, etc., entraînent une Perturbation de cet arrangement théorique des masses d’air.
Les pressions au sol sont organisées en zones méridiennes et les vents sont distribués en fonction de ces zones
Distribution des pressions à la surface du globe et système des vents
Distribution des cellules zonales dans l’hémisphère nord.
La cellule équatoriale est la cellule de Hadley, la cellule moyenne celle de Walker.
Répartition des masses d’air et circulation générale
* Comportement des masses d’air
Masse d’air est caractérisée par : Tº, humidité et donc par la densité.
Deux masses d’air contiguës sont séparées par un front.
La masse d’air léger tend à passer au-dessus de la masse d’air dense. L’air chaud et humide; en s’élevant, la vapeur se condense et des nuages se forment.
* La circulation intertropicale
Entre une zone de haute pression au niveau de chaque tropique et une zone de basse pression sous l’équateur se situe la Convergence Inter-Tropicale (CIT). Comme conséquences on aura :
¨ Fortes pluies au niveau de la zone équatoriale (BP)
¨ Zone sèche (HP), désertique au niveau des tropiques
¨ Vents dirigés vers W (Alizés) entre HP (tropiques) et BP (équateur)
* La circulation en zones tempérées et froides
Zone située entre les HP polaires et subtropicales, qui vont déterminer la répartition et le mouvement des masses d’air.
Ces masses d’air chaud et d’air froid engendrent des différences de pression : Systèmes dépressionnaires qui se déplacent d’W en E.
Ce sont les perturbations (zones de mauvais temps). Elles sont formées d’un front chaud et d’un front froid isolant une masse d’air chaud et accompagnés de nuages et de vents.
Disposition des isobares et trajet des vents dans une perturbation sur l’Atlantique Nord (vue cartographique)
Structure de la même perturbation atmosphérique en 3D. (Jacques.beauchamp)
Les cartes météorologiques
Ce sont des cartes qui décrivent les principaux phénomènes atmosphériques actuels ou à venir. Il ya plusieurs types.
Les plus communes sont les cartes figurant les pressions au sol et les fronts des perturbations.
On peut y ajouter les courbes de température, la hauteur de précipitation, le sens et la force des vents….
On utilise également la distribution des pressions en à différentes altitudes. (Surtout l’altitude de la surface où règne une pression de 500 hPa).
Distribution des pressions au sol sur l’Atlantique Nord le 29 janvier 2000. Une forte dépression installée sur la Mer du Nord se déplace vers la Scandinavie. Une nouvelle dépression se creuse au large de Terre Neuve. Une zone anticyclonique, prolongement de l’Anticyclone des Açores, est centrée sur la Péninsule Ibérique
1.4. Climat: Classification et principales régions climatiques du monde
Le climat d’un endroit représente un « composite » du temps dominant à long terme qui se produit à cet emplacement.
Le climat peut être défini comme étant les conditions moyennes qu’il fait dans un endroit donné (température, précipitations, …) calculées d’après les observations d’au moins 30 ans.
Il est donc caractérisé par des valeurs moyennes, mais également par des variations et des extrêmes.
La météo est l’évaluation momentanée du temps qu’il fait ou qu’il va faire.
Les zones climatiques principales:
1. Equatoriale
2. Tropicale
3. Tempérée
4. Polaire
Plusieurs types de climat :
Exemple : Zone tempérée :
· Climat méditerranéen
· Climat océanique
· Climat continental
1.5. Changements climatiques et Histoire climatique de la terre
Le système climatique de la terre comprend :
· Atmosphère,
· Hydrosphère (surtout les océans),
· Cryosphère (glace et neige),
· Lithosphère (couche minérale)
· Biosphère.
La radiation solaire, principale source d’énergie, est à répartition inégale :
· Entraîne des circulations globales dans l’atmosphère et les océans,
· influence la formation des différents climats.
La température moyenne de surface d’environ 15°C est le résultat de l’effet de serre naturel, conséquence de la forte absorption du rayonnement terrestre par la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et d’autres gaz de l’atmosphère.
Le long de l’histoire de la terre il y a eu des changements très importants dans :
- composition de l’atmosphère (CO2, O2, CH4)
- soleil variable (puissance croissante)
- répartition des terres et mer très variables
- couverture végétale très variable
- etc.
Donc le climat a subi des changements tout le long de l’histoire de la terre.
Mais : depuis plus de 3 milliards d’années la terre a su maintenir sa température dans une gamme très étroite entre 0 et 100°C, plus probablement entre 0 et 30°C, permettant la présence d’eau liquide!
Variation au cours de l’histoire géologique
· Le climat est suffisamment stable pour entretenir la vie pendant des millions d’années,
· Mais : le climat est dynamique et change.
Beaucoup donnés et indicateurs témoignent de cette variation du climat
Le climat de la Terre a été caractérisé par :
· Périodes chaudes
· Périodes froides
Exemple :
· Fin du Paléozoïque (230 millions d’années), les glaciers recouvraient plus grande partie des tropiques actuels.
· Mésozoïque, au temps des dinosaures (180 à 65 millions d’années), le climat était beaucoup plus chaud qu’actuellement.
Au cours du dernier million d’années,
Le climat de la Terre a été caractérisé par :
· Longues périodes de temps froid durant lesquelles les glaciers continentaux couvraient de vastes surfaces.
· Les périodes Glaciaires, d’une durée de 80 000 à 100 000 ans.
· Entrecoupées par des périodes plus brèves de temps plus chaud (10000 à 15000 ans) : périodes Interglaciaires.
Les périodes glaciaires :
· Grande extension des glaciers.
· Diminution du niveau des océans.
Au dernier maximum glaciaire, environ 18 000 ans, le niveau des océans était inférieur de 130 m à celui d’aujourd’hui.
Tableau général des variations de températures et de précipitations au cours de l’histoire géologique. Les courbes indiquent les écarts aux moyennes globales actuelles. En noir, périodes plus froides que la période actuelle. Les tirets indiquent des données fragmentaires (Goodess et al, 1992)
Variations au cours de l’histoire humaine
D’après les données historiques, au cours des 1100 dernières années, la terre a connu des variations climatiques.
ü 900 – 1200 : climat chaud «Optimum médiéval»
ü Fin XIII : climat froid (600 ans) : «Petit âge glaciaire»
Après, au milieu du XIX siècle, on avait commencé à enregistrer systématiquement divers paramètres climatiques comme les températures et les précipitations.
2. Formes principales de l’activité géologique exogène :
Introduction à la géomorphologie
2.1 Le relief de la Terre : structure et mise en place.
La science qui a pour objet la description et l’explication du relief terrestre continental et sous-marin est la géomorphologie.
On distingue :
– la géomorphologie structuralequi étudie le relief dans ses rapports avec la structure géologique, c’est à dire avec la nature des roches (structure lithologique) et leurs dispositions (structure tectonique).
– la géomorphologie dynamique qui a pour objet l’étude de tous les phénomènes extérieurs à l’écorce terrestre qui concourent à l’élaboration du relief.
Les formes de relief des chaînes plissées (M.Gidon)
2.2. Notions géomorphologiques fondamentales
Description du relief
Relief : un assemblage de portions de surfaces topographiques plus ou moins étendues appelées versant.
Un versant est une portion de surface topographique plane ou ondulée, plus ou moins vaste, joignant un interfluve à un talweg, d’une inclinaison d’ensemble faite d’éléments de pente de valeur variable.
Un versant est donc un système de pente.
Les combinaisons des différents versants constituent des formes de terrain d’extension très variable : vallée, colline, crête, vallon etc… Les groupements de formes simples ont été définis sous les noms de montagne, plaine, plateau.
Montagne : un volume saillant avec son corollaire la pente. Ce sont donc des régions élevées et présentant de grandes dénivellations, des pentes longues et raides reliant des crêtes élevées à des vallées profondes.
Plaine : une surface plane ou légèrement ondulée sur laquelle les rivières coulent à fleur de sol. Les dénivellations sont très faibles et les pentes infimes.
Plateau : une surface plane ou légèrement ondulée dans laquelle les cours d’eau sont encaissés.
Vallée : sillon incliné, plus ou moins régulièrement, mais toujours dans le même sens, de l’amont vers l’aval, résultant du recoupement vers le bas de deux pentes en sens contraire, dites versants, le long d’une ligne de points bas dite talweg.
Interfluve : c’est le relief séparant deux vallées voisines. Il peut être plus ou moins large et présenter des formes diverses :
· une croupe est un interfluve de forme convexe ;
· une crête est un interfluve caractérisé par le recoupement, suivant un angle plus ou moins aigu, de deux versants. Si l’angle est particulièrement vif on parle d’arête.
Enfin, la ligne joignant les points hauts d’un interfluve est la ligne de faîte ou ligne de crête. Celle-ci peut présenter une succession de sommets (points hauts de la ligne de crête) et cols (points bas de la ligne de crête).
Le relief est un élément fondamental de l’écosphère car il conditionne largement les climats, la biogéographie et par conséquent toute l’écologie de la planète.
Son étude passe par celle des roches qui le composent et des déformations de ces roches qui lui ont donné sa physionomie :
c.à.d. pétrologie ou lithologie et la tectonique
Lithologie :
On appelle roche tout constituant minéral de l’écorce terrestre. ex. : granite, basalte, calcaire…
Un minéral est un corps solide de composition chimique définie et stable. ex. : quartz, SiO2. Un minéral peut se présenter sous deux formes : cristallin, état amorphe.
Tectonique :
Les mouvements de l’écorce terrestre entraînent, sous l’effet de forces qui compriment les masses rocheuses ou les soulèvent, des déformations souples ou cassantes des roches.
Ces déformations varient selon la nature des roches, la force et le rythme des mouvements de l’écorce, l’étendue des espaces affectés.
Elles donnent naissance à des formes de relief qui sont plus ou moins remaniées par l’érosion. Ces formes de relief sont qualifiées de formes structurales élémentaires.
Les déformations qui génèrent ces formes de reliefs appartiennent à 2 groupes :
– les déformations intenses, rapides, localisées relèvent de la tectogenèse ; elles donnent des accidents nets dits tectoniques (plis, failles, flexure, fracture) ;
– les déformations modérées, lentes, affectent de vastes étendues continentales et relèvent de l’épirogenèse(épeirogenèse) ; elles génèrent d’amples ondulations à grands rayons de courbure (des milliers voire des millions de km² sont concernés), qui, lorsqu’elles affectent des terrains sédimentaires donnent des structures aclinales et monoclinales.
L’érosion différentielle exploite ensuite les différences de dureté des roches et participe de ce fait au modelage des reliefs ainsi élaborés.
1. Les structures plissées.
Un pli est un accident d’échelle généralement hectométrique, de style souple, et développé dans un matériau sédimentaire par une tectonique de compression.
Un pli correspond à une ondulation des strates associant une partie convexe vers le haut (anticlinal) et une partie concave (synclinal).
2. Les structures faillées.
Une faille est un accident de style cassant développé dans des roches de toute nature mais en tout état de cause peu ou pas plastiques. Elles consistent en des cassures profondes affectant toute la masse rocheuse et elles s’accompagnent d’un déplacement des compartiments qu’elles déterminent.
Les déplacements peuvent être latéraux, on parle alors de décrochement, ou verticaux qui définissent des escarpements de faille, des fossés (ou grabens) et des horsts.
S’il n’y a pas de déplacement on parle de fractures.
Une flexure se définie comme une brusque accentuation de la pente des strates (à propos de la pente des strates on parle de pendage), accentuation qui se fait sans rupture.
Enfin, les roches sont encore parcourues par d’autres lignes de fractures qui fonctionnent à plus grande échelle : les diaclases. Elles constituent des réseaux qui découpent les masses rocheuses en blocs quadrangulaires ou en minces lames courbes de dimensions très variables. Les diaclases sont liées à la structure de la roche et non à la tectonique. Ceci-dit ces diaclases fragilisent la masse rocheuse et sont exploitées par l’érosion.
2.3. Les formes structurales élémentaires
Tous les types de roches peuvent être affectés par le plissement ou les mouvements épirogéniques. Toutes les formes de terrain sont en même temps attaquées par l’érosion. C’est la combinaison lithologie/tectonique/érosion qui façonne les différentes catégories de formes structurales élémentaires.
Exemples :
Terrains sédimentaires
1. Lorsque les terrains sont affectés par le plissement:
Il existe une grande variété de plis, et une grande variété de formes de relief associées. Certains plis se traduisent directement dans le paysage par des formes structurales : ce sont le mont et le val.
D’autres plis subissent l’attaque de l’érosion différentielle qui exploite les différences de dureté des roches. Les formes de relief qui en découlent sont souvent très différentes de la forme originelle du pli et cela va jusqu’à l’inversion de relief : c’est le cas de la combe et du val perché.
2. Lorsque les terrains sont affectés par les mouvements épirogéniques:
Les ondulations générées par l’épirogenèse déterminent des bombements qui du fait de leur mise en relief sont affectés par l’érosion et des zones en creux dites de subsidence qui sont le siège d’une importante sédimentation puisqu’elles recueillent les sédiments issus de l’ablation des zones surélevées.
Dans de tels contextes tectoniques les couches sédimentaires ne sont pas dérangées, et demeurent horizontales c’est la structure aclinale ou peu dérangées, peu inclinées, c’est la structure monoclinale.
Dans la structure aclinale la stratification joue un rôle fondamental dans la physionomie du relief. On a ainsi des plaines ou des plateaux structuraux, c’est à dire des plaines et des plateaux dont la surface correspond à l’affleurement du plan stratigraphique supérieur.
Dans la structure monoclinale on peut aussi avoir des plateaux structuraux. Mais l’inclinaison des couches et l’attaque de l’érosion dans du matériel caractérisé généralement par l’alternance de couches dures et de couches tendres génèrent un relief dissymétrique appelé cuesta. Une cuesta comporte un front et un revers.
Les structures volcaniques
Elles sont liées à la tectonique cassante qui permet la fracturation de l’écorce terrestre et la montée de la lave jusqu’à la surface. Un cône volcanique simple est créé par une accumulation de scories, c’est à dire de matériaux rejetés à faible distance par une cheminée volcanique.
D’autres volcans sont constitués de dôme de lave.
A partir des cheminées sont émises des coulées de laves plus ou moins liquides qui s’élargissent à partir du point d’émission et peuvent couvrir de vastes étendues. Une fois solidifiées elles forment des surfaces dont la morphologie varie selon le type de lave.
Relief volcanique
Différents types de formes volcaniques
Les structures karstiques (voir chapitre 9)
La sensibilité particulière de certaines roches sédimentaires à la dissolution se traduit par l’existence de formes originales constituant un karst.
Ces formes karstiques s’épanouissent surtout dans les calcaires massifs mais aussi dans les évaporites c’est à dire le gypse et le sel gemme.
Bloc diagramme représentant un paysage karstique synthétique
(extrait de M. Bakalowic)
Conclusion
La combinaison des données lithologiques et tectoniques mais également l’action de l’érosion à l’échelle des temps géologiques, déterminent des formes structurales élémentaires que l’on peut regrouper en grands ensembles de relief, les unités morphostructurales.