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Article | 15/06/2023

Les processus d'altération-érosion des granites en climat tempéré vus par l’exemple de chaos granitiques sardes

15/06/2023

Alexandre Aubray

PRAG en sciences de la Terre, Aix-Marseille Université

Olivier Dequincey

ENS de Lyon / DGESCO

Résumé

Les chaos granitiques de l'ile de La Maddalena et de l'ile Caprera, Nord-Est de la Sardaigne. Érosion mécanique et chimique des granites, des minéraux au paysage.


L'archipel de La Maddalena est situé au Nord-Est de la Sardaigne. Il est constitué de plusieurs iles dont les deux principales sont reliées par un pont : l'isola di La Maddalena et l'isola Caprera (connue pour abriter la maison de Garibaldi). Les principales roches sont des granites varisques semblables à ceux observés en Corse et dont l'altération et l'érosion sont responsables de la formation de chaos granitiques.

À travers quelques observations sur ces exemples, nous vous proposons d'aborder quelques processus d'altération-érosion des granites (et autres roches) en montrant comment se déroulent ces processus de l'échelle du minéral à l'échelle du paysage en faisant le lien entre ces échelles.

Pour des données complémentaires et un détail plus complet des processus, on pourra se reporter au manuel chez Dunod, Géologie de la surface (M. Campy et al., 2022). Pour une synthèse sur les processus d'altération-érosion-transport-sédimentation, le rapport du jury de l'écrit de sciences de la Terre et de l'Univers de l'agrégation externe 2014 donnera un bon éclairage sur ces sujets.

Chaos granitique de l'ile Caprera, Sardaigne

Figure 1. Chaos granitique de l'ile Caprera, Sardaigne

La photo est prise depuis le mémorial Garibaldi (point “1” sur la figure 27). Le granite montre des blocs arrondis de granitoïde affectés de nombreuses diaclases.


Détail du chaos granitique de l'ile Caprera, Sardaigne

Figure 2. Détail du chaos granitique de l'ile Caprera, Sardaigne

La photo est prise depuis le mémorial Garibaldi (point “1” sur la figure 27). Le granite montre des blocs arrondis de granitoïde affectés de nombreuses diaclases. Les blocs de granite présentent des cavités appelées taffonis.


Chaos granitique de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

Figure 3. Chaos granitique de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

La photo est prise depuis le mémorial Garibaldi (point “2” sur la figure 27). Le granite montre des blocs arrondis de granitoïde affectés de nombreuses diaclases.


Détail du chaos granitique de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

Chaos granitique de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

Figure 5. Chaos granitique de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

La photo est prise sur la route entre les numéros (2) et (4) sur la figure 27. Le granite montre des blocs arrondis de granitoïde affectés de nombreuses diaclases.


Autre chaos granitique de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

Figure 6. Autre chaos granitique de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

La photo est prise au niveau du numéro (3) sur la figure 27. Le granite montre des blocs arrondis de granitoïde affectés de nombreuses diaclases. La régularité des diaclases peut donner l'impression de roches stratifiées, ici avec des strates verticales, ce qui est plus fréquent qu'on ne le croit, cf. Quand des réseaux de diaclases parallèles donnent une allure stratifiée à des granites.


Ces chaos sont caractérisés par un empilement de boules de granite les unes sur les autres. Les granites sont parcourus de fractures appelées diaclases. Certaines boules de granite sont creusées de cavités appelées taffonis (du corse “taffone” signifiant “trou”). Les taffonis ont déjà fait l'objet de plusieurs articles, par exemple Les taffonis du Cap de Creus (Espagne), de la côte de Namibie et de l'ile d'Elbe ou encore Quand l'érosion alvéolaire fabrique des taffonis géants et emboîtés, et fête la Saint Valentin, Uluru (Australie).

Vue de détail sur les taffonis du chaos granitique de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

Figure 7. Vue de détail sur les taffonis du chaos granitique de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

La photo est prise au niveau du numéro (2) sur la figure 27. Les cavités sont appelées taffonis, elles sont dues à l'altération-érosion du granite toujours dans la même zone.


Vue de détail sur les taffonis du chaos granitique de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

Figure 8. Vue de détail sur les taffonis du chaos granitique de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

La photo est prise au niveau du numéro (2) sur la figure 27. Les cavités sont appelées taffonis, elles sont dues à l'altération-érosion du granite toujours dans la même zone.


Vue de détail sur les taffonis du chaos granitique de l'ile de la Caprera, Sardaigne

Figure 9. Vue de détail sur les taffonis du chaos granitique de l'ile de la Caprera, Sardaigne

La photo est prise au niveau de l'entrée de la maison de Garibaldi. Les cavités sont appelées taffonis, elles sont dues à l'altération-érosion du granite toujours dans la même zone.


Au pied des boules de granite, par exemple en domaine littoral ici, il est possible de trouver du sable constitué des minéraux du granite. Ce sable, appelé arène granitique, est très riche en quartz et feldspaths, il est moins riche en ferromagnésiens (notamment en biotite qui compose généralement les granites avec le quartz et les feldspaths, cf. Il ne faut pas confondre granite et granite). L'arène et le granite ne présentent donc les mêmes minéraux mais pas dans les mêmes proportions.

Vue sur le granite composant les chaos granitiques de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

Figure 10. Vue sur le granite composant les chaos granitiques de l'ile de La Maddalena, Sardaigne

Les minéraux couleur gros sel sont des quartz, les minéraux blancs et roses sont des feldspaths alcalins et feldspaths plagioclases, et les minéraux noirs (peu visibles) des biotites et/ou des amphiboles.


Arène granitique grossière au pied des granites massifs

Arène granitique fine au pied des granites massifs

Figure 12. Arène granitique fine au pied des granites massifs

La couleur du sable fin (rose et blanc) montre qu'il est principalement constitué de quartz et de feldspaths avec généralement peu de ferromagnésiens.


Les diaclases peuvent avoir une origine magmatique lorsque le pluton se met en place avec des phénomènes de gonflement et ensuite des phénomènes de rétraction lors du refroidissement. Elles peuvent aussi avoir une origine tectonique avec une fracturation postérieure à la mise en place du granite.

Ces diaclases sont le lieu privilégié d'altération des granites. Dans cet article, l'altération sera définie comme l'ensemble des processus physico-chimiques conduisant à la perte de cohésion des éléments constitutifs d'une roche (que ce soient ensuite des particules solides ou des particules dissoutes) et l'érosion comme l'ensemble des processus de mobilisation des produits de l'altération (revoir, pour ces définitions, l'article Pour enfin se mettre d'accord sur la définition de l'altération et de l'érosion).

Les processus d'altération peuvent être physiques avec, par exemple :

  • la thermoclastie : dilatation différentielle des minéraux lors des variations de température qui induit la désolidarisation des minéraux. Cette dilatation différentielle peut notamment être liée à leurs couleurs, les minéraux sombres exposés au Soleil absorbant plus d'énergie que les minéraux clairs. Cela peut aussi être lié à leur forme ;
  • la cryoclastie : modification du volume de l'eau dans les fractures lors de l'alternance gel-dégel qui conduit à l'élargissement des fractures ;
  • l'haloclastie : cristallisation de minéraux évaporitiques dans les fractures lors de l'évaporation des embruns (subissant ensuite des variations de volume par dilatation lors des variations de températures) ;
  • la fragmentation de la roche par le système racinaire des végétaux (les photographies montrent que de nombreux végétaux de la strate herbacée à la strate arbustive se développent sur les granites).

L'altération peut aussi être chimique avec, par exemple, des réactions d'hydrolyse, ou d'oxydation (les minéraux rouillent, notamment ceux pouvant contenir du Fe2+).

À ces latitudes tempérées, il se produit, par exemple, une réaction de bisiallitisation : l'orthose (feldspath alcalin potassique) est remplacé par une argile T-O-T (la smectite ou l'illite). Cela conduit à une perte de silice et d'alcalins en solution, selon la réaction :

  • 3 KAlSi3O8 + 12 H2O + 2H+ → 3 smectites + 6 Si(OH)4 + 2 K+,

    soit, orthose + eau + protons → smectite + solution de lessivage.

Autre réaction d'altération chimique pouvant se produire, l'altération de l’anorthite (feldspath plagioclase calcique) :

  • 2 CaAl2Si2O8 + 6 H2O + 4 CO2 → Si4O10Al4(OH)8 + 2 Ca2+ + 4 HCO3,

    soit, anorthite + eau + dioxyde de carbone → kaolinite + solution de lessivage

La présence de CO2 dans la solution d'attaque des minéraux est souvent favorisée par la respiration du système racinaire des végétaux au contact du granite.

Les particules formées qu'elles soient solides ou dissoutes sont ensuite érodées/exportées par l'action de l'eau, du vent, de la gravité. Certaines particules solides peuvent rester au pied des boules, comme le montre l'arène granitique dans certaines zones, ou bien être évacuées. La végétation peut dans certains cas avoir un rôle limitateur dans l'érosion (cf. Les forêts et leurs arbres, des limiteurs d'érosion).

Les minéraux du granite ne vont pas se comporter de la même façon vis-à-vis de l'altération : la production d'arène et la proportion des minéraux dans cette arène montre que certains minéraux vont plutôt résister à l'altération chimique (comme les quartz, principalement, et les feldspaths bien visibles dans l'arène), tandis que d'autres seront plus sensibles à l'altération chimique (comme les micas noirs, moins visibles dans l'arène).

Lame mince de granite altéré, LPNA

Figure 13. Lame mince de granite altéré, LPNA

Ce granite, le granite de Huelgoat en Bretagne, montre une altération différentielle de ses minéraux : le quartz n'est pas altéré, les feldspaths sont partiellement altérés en micas blancs et les biotites sont transformées en chlorites.


Lame mince de granite altéré, LPA

Figure 14. Lame mince de granite altéré, LPA

Ce granite, le granite de Huelgoat en Bretagne, montre une altération différentielle de ses minéraux : le quartz n'est pas altéré, les feldspaths sont partiellement altérés en micas blancs et les biotites sont transformées en chlorites.


Lame mince de granite altéré, détail sur les feldspaths altérés et les biotites chloritisées, LPNA

Figure 15. Lame mince de granite altéré, détail sur les feldspaths altérés et les biotites chloritisées, LPNA

Ce granite, le granite de Huelgoat en Bretagne, montre une altération différentielle de ses minéraux : le quartz n'est pas altéré, les feldspaths sont partiellement altérés en micas blancs et les biotites sont transformées en chlorites.


Lame mince de granite altéré, détail sur les feldspaths altérés et les biotites chloritisées, LPA

Figure 16. Lame mince de granite altéré, détail sur les feldspaths altérés et les biotites chloritisées, LPA

Ce granite, le granite de Huelgoat en Bretagne, montre une altération différentielle de ses minéraux : le quartz n'est pas altéré, les feldspaths sont partiellement altérés en micas blancs et les biotites sont transformées en chlorites.


Deux paramètres notamment contrôlent la sensibilité des minéraux à l'altération chimique : 1) pour les silicates, le degré de polymérisation des tétraèdres de base des silicates (cela est représenté dans le diagramme de Goldich, ci-après), et 2) la composition chimique des minéraux.

Ce dernier point est illustré par le diagramme de Goldschmidt (ci-après) qui fait intervenir deux paramètres des ions : leur rayon ionique “r” (en angström) et leur charge “z”. Dans ce diagramme, les ions sont répartis en trois populations. Au-dessus de la droite de pente z/r = 3, les cations sont solubles et sont facilement mobilisés par l'eau. En dessous de la droite de pente z/r = 10, les cations sont solubles sont forme d'oxyanions solubles , par exemple P5+ sera solubilisé sous forme PO43-. Entre ces deux courbes, les ions précipitent (et donc ne sont pas transportés) sous forme d'hydroxyanions insolubles, comme c’est le cas, par exemple, pour Fe3+ et Al3+ (exemple de la gibbsite dans l'encart sur l'altération de l'orthose).

À noter le cas du fer, soluble sous sa forme Fe2+ et insoluble sous sa forme Fe3+. Enfin, il est important de remarquer que ce diagramme est établi pour des pH neutres et que les variations acido-basiques peuvent modifier les comportements de certains cations (en modifiant les positions des droites entre les cations solubles, les hydroxyanions insolubles et les oxyanions solubles).

Diagramme de Goldich, séquence d'altérabilité des principaux silicates (les plus altérables en haut, les moins altérables en bas)

Figure 17. Diagramme de Goldich, séquence d'altérabilité des principaux silicates (les plus altérables en haut, les moins altérables en bas)

À noter, les minéraux les plus altérables sont ceux formés à plus hautes températures dans les roches magmatiques (ce diagramme est aussi celui de la série de Bowen) et pour la séquence de gauche (celle des ferromagnésiens), plus les tétraèdres [SiO4]4− sont polymérisés, moins le minéral est altérable (cf. l'encart sur la structure des silicates dans Les plages de l'ile de Groix (Morbihan) : diversité des roches métamorphiques associées à la subduction de l'océan Galice – Massif Central) : olivine (nésosilicate), pyroxènes (inosilicates chaine simple), amphiboles (inosilicates chaine double), biotite (phyllosilicate). En rouge sont indiqués les minéraux cardinaux des granitoïdes.


Diagramme de Goldschmidt, mobilité des cations

Figure 18. Diagramme de Goldschmidt, mobilité des cations

Ce diagramme représente deux paramètres des ions : leur rayon ionique “r” (en angström) et leur charge “z”. Dans ce diagramme, les ions sont répartis en trois populations. Au-dessus de la droite de pente z/r = 3, les cations sont solubles et sont facilement transportés par l'eau. En dessous de la droite de pente z/r = 10, les cations sont solubles sont forme d'oxyanions solubles, par exemple P5+ sera solubilisé sous forme PO43−. Entre ces deux courbes, les ions précipitent (et donc ne sont pas transportés) sous forme d'hydroxyanions insolubles, comme c’est le cas, par exemple, pour Fe3+ et Al3+ (exemple de la gibbsite dans l'encart sur l'altération de l'orthose).


Les particules sont ensuite lessivées (ou non) en fonction de leur granulométrie. Le devenir des particules solides en fonction de la vitesse du courant est représenté dans le diagramme de Hjulström (ci-dessous). Ce diagramme, avec une double échelle logarithmique (en puissance de 10), présente le devenir d'une particule d'une taille donnée en fonction de la vitesse du courant. Par exemple, pour une particule de diamètre 0,1 mm, pour une vitesse courant supérieure à 10 cm/s, la particule est érodée, c'est-à-dire mobilisée/arrachée à sa zone de formation. Entre 10 et 1 cm/s, la particule est transportée (si elle est déjà arrachée). En dessous de 1 cm/s, cette particule ne peut plus être transportée, elle est déposée.

Ce diagramme explique le tri granulométrique qui peut se produire lorsque la vitesse du courant d'un cours d'eau diminue quand la pente de la zone décroit. Cela peut aussi expliquer pourquoi, pour une même zone, par exemple un méandre, une zone peut être une zone de dépôt (rive convexe à vitesse faible) et un autre d'érosion (rive concave à vitesse forte). Une observation peut sembler paradoxale : pour des particules dont le diamètre est inférieur à 0,1 mm, la vitesse du courant nécessaire pour éroder les particules est supérieure à celle nécessaire pour éroder les particules de diamètre supérieur. Ceci peut s'expliquer par le fait que les petites particules ont tendance à subir des interactions électrostatiques qui collent les particules entre-elles. Ainsi éroder ces particules (les argiles par exemple) revient à éroder des paquets de particules. En revanche, s'il n'y pas d'interaction, la vitesse d'érosion est plus faible (la pente entre la partie orange foncé et la partie orange clair se parallélise avec la courbe limitant les domaines en transport (orange clair) et dépôts (jaune).

Diagramme de Hjulström, érosion, transport ou dépôt des particules

Figure 19. Diagramme de Hjulström, érosion, transport ou dépôt des particules

Ce diagramme, avec une double échelle logarithmique (en puissance de 10), présente le devenir d'une particule d'une taille donnée en fonction de la vitesse du courant. Par exemple, pour une particule de diamètre 0,1 mm, pour une vitesse courant supérieure à 10 cm/s, la particule est érodée, c'est-à-dire mobilisée/arrachée à sa zone de formation. Entre 10 et 1 cm/s, la particule est transportée (si elle est déjà arrachée). En dessous de 1 cm/s, cette particule ne peut plus être transportée, elle est déposée.

Ce diagramme explique le tri granulométrique qui peut se produire lorsque la vitesse du courant d'un cours d'eau diminue quand la pente de la zone décroit. Cela peut aussi expliquer pourquoi, pour une même zone, par exemple un méandre, une zone peut être une zone de dépôt (rive convexe à vitesse faible) et un autre d'érosion (rive concave à vitesse forte). Une observation peut sembler paradoxale : pour des particules dont le diamètre est inférieur à 0,1 mm, la vitesse du courant nécessaire pour éroder les particules est supérieure à celle nécessaire pour éroder les particules de diamètre supérieur. Ceci peut s'expliquer par le fait que les petites particules ont tendance à subir des interactions électrostatiques qui collent les particules entre-elles. Ainsi éroder ces particules (les argiles par exemple) revient à éroder des paquets de particules. En revanche, s'il n'y pas d'interaction, la vitesse d'érosion est plus faible (la pente entre la partie orange foncé et la partie orange clair se parallélise avec la courbe limitant les domaines en transport (orange clair) et dépôts (jaune).


Revenons au problème initial de la formation des boules de granitoïdes (et des taffonis).

Lors de la mise à l'affleurement du granite, celui-ci présente des diaclases liées à son refroidissement ou à la diminution de pression liée à cette mise en surface (décompression). Ces diaclases sont des zones préférentielles d'infiltration et d'écoulement de l'eau, elles constituent ainsi des zones d'altération chimique (notamment par hydrolyse) qui tend à retirer de la matière. De même, ces zones sont exposées à l'atmosphère ainsi qu'à l'eau et donc, lors de variations de températures, il y a désolidarisation des minéraux (par thermoclastie, cryoclastie et haloclastie, ainsi que par l'infiltration des racines des végétaux). Ainsi, la périphérie des blocs de granite perd de la matière ce qui tend à leur donner une forme de boules superposées. Les particules solubles issues de l'altération chimique sont transportées par l'eau, les particules solides sont déposées au pied (sous forme d'arène) ou transportés par l'eau ou le vent.

Schéma simplifié récapitulatif de la formation des chaos granitiques

Figure 20. Schéma simplifié récapitulatif de la formation des chaos granitiques

(a) Lors de la mise à l'affleurement du granite, celui-ci présente des diaclases liées à son refroidissement ou à la diminution de pression liée à cette mise en surface (décompression).

(b) Ces diaclases sont des zones préférentielles d’infiltration et d'écoulement de l'eau, elles constituent ainsi des zones d'altération chimique (notamment par hydrolyse) qui tend à retirer de la matière. De même, ces zones sont exposées à l'atmosphère ainsi qu'à l'eau et donc, lors de variations de températures, il y a désolidarisation des minéraux (par thermoclastie, cryoclastie et haloclastie, ainsi que par l'infiltration des racines des végétaux).

(c) Ainsi la périphérie des blocs de granite perd de la matière ce qui tend à leur donner une forme de boules superposées. Les particules solubles issues de l'altération chimique sont transportées par l'eau, les particules solides sont déposées au pied (sous forme d'arène) ou transportés par l'eau ou le vent.


Autre structure visible parfois, les boules de granites peuvent présenter une altération en pelure d'oignon (cf. L'altération des roches silicatées). Ce type d'altération n'est pas le propre des granitoïdes mais peut se produire aussi pour des roches basiques (généralement plus efficacement au vu de leur composition minéralogique et chimique) comme les basaltes (cf. Le débit et l'altération en boules des basaltes).

Les taffonis, eux, résultent de l'altération focalisée (toujours au même endroit, les creux étant souvent des zones de stagnation ou de présence d'eau ou d'humidité permanentes) dans une zone préexistante qui conduit à une érosion alvéolaire (cf. Les taffonis du Cap de Creus (Espagne), de la côte de Namibie et de l'île d'Elbe).

Ces granites appartiennent au même ensemble que les granites de iles Lavezzi au Sud de la Corse qui ont déjà été approchés dans Les bouches de Bonifacio (Corse), paradis du naturaliste en vacances – Les granitoïdes des Lavezzi. Ces granitoïdes sont des granites, granodiorites et monzogranites carbonifères.

Quelques filons basiques et des filons d'aplites sont visibles dans les granites. Les filons de gabbros ou diorites datés du Permien supérieur ont montré des compositions minéralogiques et chimiques les rattachant à la série alcaline. Ce type de magmatisme est connu en Corse et dans le Sud-Est de la France et notamment marqué par des termes rhyolitiques (cf. Le volcanisme rhyolitique permien du Sud de la France : Estérel, Corse, Briançonnais et Béarn).

Vue générale sur un filon de dolérite intrusif dans les granites, ile de La Maddalena (Sardaigne)

Filon de dolérite intrusif dans les granites, ile de La Maddalena (Sardaigne)

Figure 22. Filon de dolérite intrusif dans les granites, ile de La Maddalena (Sardaigne)

Localisation au niveau du (4) sur la figure 27.


Autre filon de dolérite intrusif dans les granites, ile de La Maddalena (Sardaigne)

Figure 23. Autre filon de dolérite intrusif dans les granites, ile de La Maddalena (Sardaigne)

Localisation sur la route entre (2) et (3) sur la figure 27.


Filon d'aplite intrusif dans des granites, ile de La Maddalena (Sardaigne)

Figure 24. Filon d'aplite intrusif dans des granites, ile de La Maddalena (Sardaigne)

L'aplite est une roche filonienne de composition granitique, entièrement cristallisée mais à grains très fins de taille homogène.

Localisation au niveau du (4) sur la figure 27.


Localisation des iles Caprera et La Maddalena, Sardaigne (Italie)

Localisation des iles Caprera et La Maddalena, au Nord-Est de la Sardaigne

Figure 26. Localisation des iles Caprera et La Maddalena, au Nord-Est de la Sardaigne

L'ile Caprera est juste à l'Est de l'ile de La Maddalena. Les deux sont reliées par un pont.


Localisation des différentes zones d'origine des photographies

Figure 27. Localisation des différentes zones d'origine des photographies

1 : Batteria Arbuticci – Memoriale ; 2 : Spiaggia del Costone (Punta Galera) ; 3 : route de l'isola Giardinelli ; 4 : Spiaggia di Bassa trinita Giuseppe Garibaldi.


Localisation de différentes zones d'origine des photographies

Figure 28. Localisation de différentes zones d'origine des photographies

1 : Batteria Arbuticci – Memoriale ; 3 : route de l'isola Giardinelli.


Localisation de différentes zones d'origine des photographies

Figure 29. Localisation de différentes zones d'origine des photographies

2 : Spiaggia del Costone (Punta Galera) ; 3 : route de l'isola Giardinelli ; 4 : Spiaggia di Bassa trinita Giuseppe Garibaldi.


Extrait de la carte géologique de la Corse à 1/250 000 montrant les iles La Maddalena et Caprera

Figure 30. Extrait de la carte géologique de la Corse à 1/250 000 montrant les iles La Maddalena et Caprera

Les “g” indiquent les granitoïdes, les “q” indiquent les dolérites.


Bibliographie

Rossi P., Rouire J. et coll., 1980. Notice explicative de la carte géologique de Corse à 1/250 000, BRGM