Géologie
Bases pour l'ingénieur

GEOLOGIE
BASES POUR L'INGÉNIEUR
De nombreuses questions importantes, qu'elles soient liées à la science ou à l'Homme, sont mieux traitées si l'on maîtrise les bases scientifiques de notre planète. Car la Terre, par-dessus ou par-dessous, est le théâtre de multiples phénomènes qui façonnent notre environnement et le font évoluer. Ce livre de géologie les présente dans leur diversité d'échelles d'espace et de temps. Il offre un aperçu exhaustif des méthodes et techniques de cette discipline, en étudiant la nature des principaux terrains meubles et roches ainsi que leurs propriétés. Il fait comprendre comment les conditions géologiques influencent les activités de l'ingénieur, et fait prendre conscience des richesses en ressources du sous-sol et de la manière de les gérer intelligemment.
Privilégiant une approche basée sur la résolution de problèmes, cet ouvrage de synthèse didactique s'adresse à un large public d'étudiants ingénieurs ainsi qu'aux praticiens du génie civil, de l'ingénierie de l'environnement, des sciences de la Terre, de l'architecture et de l'aménagement du territoire. Il sera utile à tous ceux pour qui la compréhension du milieu qu'ils transforment est fondamentale, afin de rendre leurs actions compatibles avec notre devenir. Grâce à ses nombreux exemples et illustrations choisis dans le monde entier, ce livre instruit aussi sous la forme d'une véritable invitation au voyage.
La nouvelle édition revue et augmentée de ce manuel de référence couronné par le Prix Roberval propose un nouveau chapitre dédié à la contribution de la géologie dans les grands enjeux de nos sociétés. Elle comprend également de nouveaux problèmes résolus ainsi que de nombreuses animations supplémentaires sur le DVD qui accompagne le livre.

Table des matieres


PREFACE vii

AVANT-PROPOS xvii

1
Le partenariat geologle-ingenierie
1.1
Domaines de la geologie de I' ingenieur . 1

1.1.1
Construction d'ouvrages . 2

1.1.2
Risques naturels .. 3

1.1.3
Ressources geologiques .. 4

1.1.4
Pollution de l' environnement.. . 4

1.2
Histoire de la geologie . 6

2
La Terre dans I'espace
2.1
Le systeme solaire 11

2.1.1
Representations historiques 11

2.1.2
Structure generale 12

2.1.3
Revolution de laTerre.................................................................................................... 13

2.2
Planetes telluriques 17

2.2.1
Atmospheres et hydrospheres 18

2.2.2
Geologie et activite geologique 19

2.3
Planetes geantes........................................................................................................................... 24

2.4
Co rnetes 24

2.5
Meteorites 27

2.5.1
Meteorites pierreuses 27

2.5.2
Meteorites metalliques 27

3
La Terre dans Ie temps
3.I
Mesure du temps en geologie 29

3.1.1
Methodes radiochronologiques 29

3.1.2
Methodes stratigraphiques 3I
3.1.3
Methodes paleontologiques 32

3.1.4
Synthese des methodes de datation 36

3.2
Debutdel'Universetdelamatiere :........................................................................... 36

3.2.1
Nucleosynthese initiale 38

3.2.2
Phase stellaire................................................................................................................. 38

3.2.3
Accretion des planetes 40

3.3
Voyage dans Ie temps: du Precambrien au Quatemaire :................... 40

3.3.1
Precambrien 41

3.3.2
Ere primaire (Paleozoique) 45

x GEOLOGIE: BASES POUR L'INGENIEUR
3.3.3
Ere secondaire (MesozoIque)......................................................................................... 48

3.3.4
Ere tertiaire (Cenozo'ique).............................................................................................. 50

3.3.5
Ere quaternaire (Anthropozoique) 52

4
La physique du Globe
4.1
Sismologie 59

4.1.1
Mecanisme de la rupture... 59

4.1.2
Les differents types d'ondes sismiques.......................................................................... 61

4.1.3
Lois de propagation des ondes 64

4.1.4
Causes des seismes 67

4.1.5
Analyse des signaux sismiques 72

4.1.6
Risque sismique 87

4.1.7
Prospection sismique 99

4.2
Gravimetrie.................................................................................................................................. 102

4.2.1
Rappel de mecanique 102

4.2.2
Notion de geoide 103

4.2.3
Mesure du champ gravifique et son traitement.............................................................. 105

4.2.4
Interpretation des anomalies 109

4.2.5
Principes de I'isostasie 112

4.2.6
Densitedesroches dans Ieglobe 118

4.3
Magneti sme 118

4.3.1
Causes du champ magnetique terrestre.......................................................................... 119

4.3.2
ComposantesduchampmagnetiqueenunpointdelasurfacedelaTerre.................... 122

4.3.3
Mesure du champ magnetique 124

4.3.4
Paleornagnetisme '125
4.4
Geothermie . 125

4.4.1
Transferts thermiques dans la Terre 125

4.4.2
Exploitation de l'energie geothermique......................................................................... 127

5
Les mineraux constitutifs des roches
5.1
Approche cristallographique 133

5.1.1
Structure interne des mineraux 134

5.1.2
Morphologie des cristaux............................................................................................... 139

5.1.3
Proprietes de cohesion................................................................................................... 143

5.1.4
Proprietes optiques des mineraux 146

5.2
Approche geochimique................................................................................................................ 150

5.2.1
Silicates 150

5.2.2
Carbonates...................................................................................................................... 160

5.2.3
Sulfates........................................................................................................................... 161

5.2.4
Phosphates...................................................................................................................... 162

5.2.5
Halogenures 163

5.2.6
Sulfures 165

5.2.7
Oxydes et hydroxydes............... ..................................................................................... 165

5.3
Determination pratique des mineraux.......................................................................................... 167

6
Le magmatisme et les roches magmatiques
6.1
Composition des enveloppes de la Terre 171

6.2
Magmatisme et tectonique des plaques 173

6.2.1
Histoire de la tectonique des plaques 173

6.2.2
Reconstitution par Ie paleomagnetisme 176

6.2.3
Relations possibles entre les plaques 179

6.3
Du magm a aux roches magmatiques .. 181

6.3.1
Processu s de generation des magmas 181

6.3.2
Processus de solidification des magmas 181

6.3.3
Configurations magmatiques 187

604
Manifestations magmatiques 192

604.1
Plutonisme et roches plutoniques................................................................................... 192

604 .
2 Volcanisme et roches volcaniques.................................................................................. 194

6.5
Principales roches magmatiques.................................................................................................. 205

6.5.1
Classification 205

6.5.2
Determination par les methodes de terrain 207

7
Le cycle de l'eau
7.1
Les reserves d' eau et leurs echanges 212

7.2
Atmosphere 214

7.2.1
Reservoir atmospherique 214

7.2.2
Effetde serre 214

7.2.3
Precipit ations atmospheriques 217

7.204
Fractionnement des precipitations au sol.......... 220

7.3
Eaux de surface. ........... 223

7.3.1
Cours d'eau 223

7.3.2
Lacs 235

7.3.3
Glaciers 240

7A
Eaux souterraines......................................................................................................................... 248

704.1
Formes de porosite des terrains naturels.... 248

704.2
Ecoulement des eaux dans les milieux geologiques 251

704 .
3 Quelques bases hydrodynamiques 252

70404
Application de la notion de permeabilite aux terrains naturels...................................... 254

704.5
Exempled'applicationhydrodynamique aI'ecoulernentversunpuits 254

704.6
Bilan hydrologigue des nappes souterraines 259

704.7
Captage des eaux souterraines 260

704.8
Effet du drainage et de ]' irrigation 262

7A.9
Gestion des eaux souterraines 263

704.10
Protection des eaux souterraines 264

704.11
Lcs eaux souterraines dans les eeuvres du genie civiL......... 264

7.5
Eaux des mers et des oceans s. 289

Xll GEOLOGIE: BASES POUR L'lNGENlEUR
8
Le milieu sedimentaire continental
8.1
Generalites 295

8.1.1
Erosion continentale....................................................................................................... 295

8.1.2
Sedimentation continentale 295

8.2
Environnement des versants 299

8.2.1
Transport particulaire 299

8.2.2
Transport en masse......................................................................................................... 303

8.3
Environnement alluvial................................................................................................................ 311

8.3.1
Transport solide en rivieres 311

8.3.2
Zonesd'erosiontorrentielleetenriviere 314

8.3.3
Zones d'alluvionnement............................. 314

8.4
Environnement lacustre 320

8.4.1
Deltas 320

8.4.2
Fosses lacustres 323

8.5
Environnement palustre 325

8.5.1
Marais de fond de depression 325

8.5.2
Marais de sources........................................................................................................... 326

8.5.3
Assainissement des marais............................................................................................. 326

8.5.4
Exploitation de la tourbe 329

8.6
Environnements boreal et polaire................................................................................................ 329

8.6.1
Regions glaciaires 329

8.6.2
Regions non englacees 335

8.7
Environnement desertique 336

8.7.1
Erosion eolienne et transport proche du sol................................................................... 339

8.7.2
Transport en suspension 341

8.7.3
L'eau dans les deserts..................................................................................................... 341

8.7.4
Mesures de protection 341

9
Le milieu sedimentaire oceanique
9.1
Marge continentale 348

9.1.1
Sedimentation detritique 349

9.1.2
Sedimentation biogene................................................................................................... 362

9.1.3
Sedimentation hydrochimique 365

9.2
Glacis et plaines abyssales........................................................................................................... 369

9.2.1
Sedimentation detritique 369

9.2.2
Sedimentation biogene................................................................................................... 369

9.2.3
Sedimentation hydrochimique 371

10
La diagenese et les proprietes des roches sedlmentaires
10.1
Processus de la diagenese 377

10.1.1
Compaction 377

10.1.2
Cimentation 378

TABLE DES MATJERES xiii
10.1.3
Modifications mineralogiques legeres 380

10.2
Roches detritiques........................................................................................................................ 381

10.2.1
Conglomerats 381

10.2.2
Gres 382

10.2.3
Microgres 384

10.2.4
Argilites.......................................................................................................................... 384

10.3
Roches biogenes . 386

10.3.1
Roches carbonatees 386

10.3.2
Roches siliceuses 391

10.3.3
Combustibles fossiles..................................................................................................... 394

10.4
Roches hydrochimiques............................................................................................................... 398

10.4.1
Dolomie primaire 398

10.4.2
Gypse et anhydrite 398

10.4.3
Roches ahalite 400

10.4.4
Roches apotasse 401

10.4.5
Cornieules 401

11
Le metamorphisrne
11.1
Processus de transformation 406

11.1.1
Modifications mineralogiques........................................................................................ 406

11.1.2
Transformations chimiques.... 408

11 .1.3 Transformations mecaniques 409

11 .
2 Types de metamorphisme 411

11.2.1
Metarnorphisme regional 412

11.2.2
Metarnorphisme de contact. 412

11.2.3
Metarnorphisme cataclastique 414

11 .
3 Principales roches metamorphiques et leurs proprietes 416

11.3.1
Sequence pelitique (ou argilo-quartzeuse) 416

11.3.2
Sequence quartzo-feldspathique 418

11.3.3
Sequence carbonatee...................................................................................................... 420

11.3.4
Sequence calcaro-pelitique 421

11.3.5
Sequence mafique 422

11.3.6
Sequence ultrama fique 422

11.4
Determination des roches magmatiques, sedimentaireset metamorphiques 424

12
La tectonique
12.1
Contraintes mecaniques dans Ie sous-sol..................................................................................... 429

12.1.1
Definition physique 429

12.1.2
Etat de contrainte dans les milieux geologiques 431

12.2
Relationscontraintes-deformations 431

12.2.1
Essais en laboratoire ,................... 431

12.2.2
Deformations des roches observees sur Ie terrain 446

12.3
Deformationscassantes LtLt7
xiv GEOLOGIE:BASESPOURL'INGENIEUR
12.3.1
Diaclases 447

12.3.2
Failles 448

12.3.3
Caracterisation des discontinuites d'un massif rocheux 451

12.4
Deformations ductiles.................................................................................................................. 452

12.4.1
Generalites sur les plis 452

12.4.2
Plis concentriques 456

12.4.3
PIis similaires 458

12.4.4
Nappes de recouvrement du premier genre 460

12.5
Representation et traitement geometrique des elements structuraux........................................... 460

12.5.1
Cartographie des elements structuraux 461

12.5.2
Outils de traitement geometrique 462

12.5.3
Projection stereographique 462

12.6
Un modele tectonique : les Alpes 471

12.6.1
Jura 472

12.6.2
Plateau molassique 473

12.6.3
Prealpes 473

12.6.4
Hautes Alpes calcaires 474

12.6.5
Massifs cristallins externes 474

12.6.6
Les nappes internes 474

12.6.7
Deformations actuelles................................................................................................... 475

13
L'alteratlon
13.1
Processus d'alteration 479

13.1.1
Processus thermique s 480

13.1.2
Processus physico-chimiques......................................................................................... 486

13.2
Catalogue des terrains sensibles al'alteration 493

13.3
Distribution de I'alteration en profondeur................................................................................... 495

13.4
Consequences pour l'ingenieur 497

13.4.1
Effets sur les proprietes mecaniques 498

13.4.2
Effets sur les propriete s hydrogeologiqu es 499

13.5
Depistage de l'alteration 504

14
La geologie dans les grands enjeux de la societe
14.1
Developpernent territorial et ressources naturelles 507

14.1.1
Ressources alimentaires 507

14.1.2
Ressources en energie 509

14.1.3
Ressources en espace souterrain 511

14.1.4
Ressources en minerais 515

14.1.5
Ressourccs en geomateriaux 518

14.1.6
Ressources de I'espace 522

14.2
Protection de I'en vironnement.. ................................................................................................... 522

14.2.1
Ecosysternes et biodiversite 523

14.2.2
Dangers naturels............................................................................................................. 526

TABLE DES MATIERES
14.2.3
Changements climatiques 529

14.2.4
Stockage geologique des dechets............ ....................................................................... 535

14.2.5
Pollutions du sous-sol .................................................................................................... 540

14.3
Conclusion 553

BIBLIOGRAPHIE....................................................................................................................... 555

INDEX 565