Karamö, le prof virtuelLeçon 6 sur 19
Les roches : quelques propriétés physiques
Je sais mesurer et calculer la masse volumique, la densité et la porosité d'une roche, tester sa perméabilité, et expliquer l'importance de ces propriétés pour l'eau, la construction et l'agriculture.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir et calculer masse volumique, densité et porosité d'une roche
- Distinguer porosité et perméabilité et les tester par une expérience
- Décrire d'autres propriétés utiles (dureté, cohésion, plasticité, solubilité, comportement à la chaleur)
- Relier ces propriétés aux usages des roches et aux nappes d'eau
Avant de commencer : Les leçons précédentes du chapitre II (minéraux, familles de roches, description d'une roche) ; masse volumique en physique (ρ = m ÷ V).
1Je découvre
À Kindia, Ousmane veut creuser un puits dans la cour familiale. Son voisin lui conseille : « Creuse jusqu'à la couche de sable, c'est là que l'eau arrive vite. » Mais son oncle, qui fabrique des briques, dit que la couche d'argile juste au-dessus est « pleine d'eau » : quand il la mouille, elle en absorbe beaucoup.
Ousmane est perplexe : si l'argile contient beaucoup d'eau, pourquoi le puisatier cherche-t-il le sable ? Et pourquoi, sur les chantiers, préfère-t-on le granite concassé au grès tendre pour faire le béton des fondations ?
Au laboratoire, sa professeure lui propose de mesurer lui-même quelques propriétés des roches : leur masse volumique, la quantité de vides qu'elles contiennent et la vitesse à laquelle l'eau les traverse.
Quelles sont les principales propriétés physiques des roches, comment les mesurer, et à quoi servent-elles dans la vie courante ?
2Je comprends
1. Masse volumique et densité
La masse volumique d'une roche est la masse d'un volume unité de cette roche :
ρ = mV (en g/cm3 ou en kg/m3 ; 1 g/cm3 = 1 000 kg/m3).
La densité est le rapport de la masse volumique de la roche à celle de l'eau (1 g/cm3) : d = ρrocheρeau. Elle n'a pas d'unité.
Pour une roche poreuse, on distingue :
- la masse volumique apparente, calculée avec le volume total de l'échantillon, vides compris ;
- la masse volumique des grains (ou réelle), calculée avec le seul volume de la matière solide.
Mesure du volume. Pour un bloc taillé régulier, on calcule le volume géométrique (un cube de côté a a pour volume a3). Pour un morceau irrégulier, on mesure le volume d'eau déplacé dans une éprouvette graduée (1 mL = 1 cm³), après avoir enrobé l'échantillon d'une fine couche de paraffine s'il est poreux.
Valeurs habituelles : la plupart des roches claires (granite, grès, calcaire) ont une masse volumique voisine de 2,5 à 2,7 g/cm³ ; les roches sombres riches en fer et magnésium (basalte, gabbro, dolérite) environ 2,9 à 3 g/cm³ ; les minerais de fer riches beaucoup plus.
2. La porosité
La porosité d'une roche est la proportion de vides (pores, fissures) qu'elle contient par rapport à son volume total :
n = VvidesVtotal × 100 (en %).
Mesure. On pèse l'échantillon sec (séché à l'étuve), puis saturé d'eau (après un long séjour dans l'eau). La différence de masse est la masse d'eau qui remplit les vides ; comme 1 g d'eau occupe 1 cm³, cette différence donne directement le volume des vides en cm³.
| Roche | Porosité habituelle |
|---|---|
| Argile | 40 à 60 % |
| Sable | 25 à 40 % |
| Grès | 5 à 30 % |
| Calcaire | 1 à 20 % |
| Granite sain | moins de 1 % |
La porosité d'une roche détritique dépend du tri des grains : un sable aux grains de même taille a beaucoup de vides ; si de petits grains remplissent les espaces entre les gros, la porosité diminue. Elle diminue aussi avec la cimentation : le grès est moins poreux que le sable dont il provient.
Exemple
Un cube de grès de Pita de 10 cm de côté pèse 2 200 g sec et 2 380 g après saturation dans l'eau. Calcule sa masse volumique apparente, sa porosité et la masse volumique de ses grains.
Volume total : V = 10 × 10 × 10 = 1 000 cm³.
Masse volumique apparente : ρ = 2 200 ÷ 1 000 = 2,2 g/cm³.
Masse d'eau absorbée : 2 380 − 2 200 = 180 g, donc V vides = 180 cm³.
Porosité : n = 180 ÷ 1 000 × 100 = 18 %.
Volume des grains : 1 000 − 180 = 820 cm³.
Masse volumique des grains : 2 200 ÷ 820 ≈ 2,68 g/cm³, valeur proche de celle du quartz (2,65) : le grès est surtout fait de quartz.
3. La perméabilité
La perméabilité est l'aptitude d'une roche à se laisser traverser par l'eau (ou par un autre fluide, comme le pétrole).
Une roche est perméable si ses vides sont assez grands et reliés entre eux. Il y a deux sortes de perméabilité :
- la perméabilité en petit, par les pores entre les grains (sable, grès) ;
- la perméabilité en grand, par les fissures, les fractures et les cavités (granite fracturé, calcaire fissuré).
Porosité et perméabilité ne vont pas toujours ensemble. L'argile est très poreuse (elle peut contenir la moitié de son volume en eau), mais ses pores sont si petits que l'eau y reste accrochée aux grains : elle est imperméable. Le sable, moins poreux, a des pores plus larges et reliés : il est très perméable. C'est pourquoi le puisatier cherche la couche de sable : elle laisse circuler l'eau vers le puits, alors que l'argile la retient.
- 1Placer un filtre (coton) au fond de trois entonnoirs identiques, posés sur trois éprouvettes
- 2Remplir le premier de sable, le deuxième d'argile sèche broyée, le troisième de gravier, sur la même hauteur
- 3Verser au même moment 100 mL d'eau dans chaque entonnoir
- 4Mesurer le volume recueilli dans chaque éprouvette au bout de 5 minutes
- 5Comparer : plus le volume recueilli est grand, plus la roche est perméable
Exemple
Résultats de l'expérience au bout de 5 minutes : gravier 82 mL, sable 65 mL, argile 3 mL. Calcule le débit moyen de chaque roche en mL/min et classe-les par perméabilité décroissante.
Débit = volume ÷ durée.
Gravier : 82 ÷ 5 = 16,4 mL/min. Sable : 65 ÷ 5 = 13 mL/min. Argile : 3 ÷ 5 = 0,6 mL/min.
Classement : gravier, puis sable, puis argile (pratiquement imperméable).
Remarque : l'eau qui n'est pas recueillie est restée dans les vides de la roche ; c'est l'argile qui en retient le plus.
Conséquence : les nappes d'eau. L'eau de pluie s'infiltre dans les roches perméables et s'accumule au-dessus d'une couche imperméable : c'est une nappe. Une roche perméable qui contient une nappe exploitable s'appelle un aquifère (vu en détail dans le chapitre III). De même, le pétrole se concentre dans des roches poreuses et perméables, piégées sous des roches imperméables.
- Quantité de vides dans la roche
- Se mesure en % du volume
- Argile : très forte
- Sable : forte
- Granite sain : très faible
- Facilité de circulation de l'eau
- Se mesure par un débit (vitesse de passage)
- Argile : quasi nulle
- Sable : forte
- Granite fracturé : moyenne à forte
4. Autres propriétés physiques utiles
- La dureté et la résistance à l'écrasement : le granite et la dolérite sont très résistants ; on les concasse pour faire les graviers du béton et le ballast des voies ferrées. Un grès tendre ou une latérite friable s'use vite.
- La cohésion : force qui lie les grains entre eux. Nulle dans un sable sec (il s'écoule), forte dans un granite.
- La plasticité : propriété de l'argile humide de se déformer sans se rompre et de garder sa forme. C'est pour cela qu'on fabrique les briques, les canaris et les poteries avec de l'argile.
- La solubilité : certaines roches se dissolvent dans l'eau (le sel gemme) ou dans l'eau chargée de gaz carbonique (le calcaire, qui forme des grottes).
- Le comportement à la chaleur : sous le soleil de la saison sèche, la surface d'une roche chauffe dans la journée et se refroidit la nuit ; les minéraux se dilatent et se contractent de façon inégale, ce qui finit par fissurer la roche et en détacher des écailles ou des grains. Ce phénomène contribue à la désagrégation des roches.
Méthode
Pour calculer la porosité d'une roche :
- Je calcule le volume total V (géométrique ou par déplacement d'eau).
- Je calcule la masse d'eau absorbée : m saturée − m sèche (en g).
- J'en déduis le volume des vides : 1 g d'eau = 1 cm³.
- Je calcule n = V vides ÷ V total × 100 et j'exprime le résultat en %.
- Je vérifie la vraisemblance (n entre 0 et 60 % environ pour une roche naturelle).
3Je retiens
Je retiens
Masse volumique : ρ = m ÷ V (g/cm³) ; densité : d = ρ roche ÷ ρ eau, sans unité.
Porosité : n = V vides ÷ V total × 100 ; V vides = m saturée − m sèche (1 g d'eau = 1 cm³).
Perméabilité : aptitude d'une roche à se laisser traverser par l'eau ; elle exige des vides assez grands et reliés.
L'argile est très poreuse mais imperméable ; le sable et le gravier sont poreux et perméables ; le granite sain est peu poreux mais peut être perméable s'il est fracturé.
Une roche perméable au-dessus d'une couche imperméable peut contenir une nappe (aquifère).
Autres propriétés : dureté et résistance (granulats), cohésion, plasticité (argile), solubilité (calcaire, sel), sensibilité aux variations de température.
4Erreurs fréquentes
- Confondre porosité et perméabilité : une roche peut contenir beaucoup d'eau (poreuse) sans la laisser circuler (imperméable), comme l'argile.
- Oublier de convertir la masse d'eau en volume : 1 g d'eau occupe 1 cm³, ce qui simplifie le calcul, mais il faut l'écrire.
- Diviser le volume des vides par le volume des grains : la porosité se calcule par rapport au volume total.
- Mesurer le volume d'une roche poreuse par déplacement d'eau sans précaution : l'eau entre dans les pores et fausse la mesure (on enrobe de paraffine ou on utilise un bloc géométrique).
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis la porosité et la perméabilité d'une roche.
b) Explique pourquoi l'argile est poreuse mais imperméable.
c) Qu'est-ce que la plasticité ? Donne un usage de cette propriété en Guinée.
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a) La porosité est la proportion de vides (pores, fissures) d'une roche par rapport à son volume total, en %. La perméabilité est l'aptitude d'une roche à se laisser traverser par l'eau.
b) L'argile contient beaucoup de vides (forte porosité), mais ces vides sont minuscules : l'eau y reste retenue contre les grains et ne peut pas circuler. Elle est donc imperméable.
c) La plasticité est la propriété d'une roche humide (l'argile) de se déformer sans se casser et de garder la forme qu'on lui donne. Usage : fabrication de briques, de canaris et de poteries.
2Exercice 2
Un fragment de dolérite de 87 g est plongé dans une éprouvette contenant 60 mL d'eau ; le niveau monte à 90 mL.
a) Calcule sa masse volumique et sa densité.
b) Compare avec la masse volumique habituelle du granite (environ 2,7 g/cm³) et explique la différence.
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a) V = 90 − 60 = 30 cm³ ; ρ = 87 ÷ 30 = 2,9 g/cm³ ; d = 2,9.
b) La dolérite est plus dense que le granite, car elle est riche en minéraux sombres ferromagnésiens (pyroxènes), qui contiennent du fer et du magnésium, plus lourds que les minéraux clairs du granite (quartz, feldspaths).
3Exercice 3
Un bloc de latérite en forme de pavé mesure 20 cm × 10 cm × 5 cm. Sec, il pèse 1 800 g ; saturé d'eau, il pèse 2 150 g.
a) Calcule son volume total et sa masse volumique apparente.
b) Calcule sa porosité.
c) Cette roche est-elle un bon matériau pour un mur exposé à la pluie sans enduit ? Justifie.
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a) V = 20 × 10 × 5 = 1 000 cm³ ; ρ apparente = 1 800 ÷ 1 000 = 1,8 g/cm³.
b) Eau absorbée : 2 150 − 1 800 = 350 g, soit 350 cm³ de vides. Porosité : n = 350 ÷ 1 000 × 100 = 35 %.
c) Non : une porosité de 35 % signifie que la roche absorbe beaucoup d'eau ; exposée à la pluie, elle s'imbibe, s'alourdit et peut se dégrader. Il vaut mieux la protéger par un enduit ou un avant-toit.
4Exercice 4
Dans l'expérience des entonnoirs, on verse 200 mL d'eau sur trois roches. Au bout de 10 minutes, on recueille : roche A, 150 mL ; roche B, 8 mL ; roche C, 120 mL.
a) Calcule le débit moyen de chaque roche.
b) Classe-les par perméabilité décroissante et propose un nom pour chacune (argile, gravier, sable).
c) Quelle roche retient le plus d'eau ? Calcule le volume retenu.
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a) Débit = volume ÷ durée : A : 150 ÷ 10 = 15 mL/min ; B : 8 ÷ 10 = 0,8 mL/min ; C : 120 ÷ 10 = 12 mL/min.
b) Classement : A, puis C, puis B. A : gravier (le plus perméable) ; C : sable ; B : argile (quasi imperméable).
c) C'est B, l'argile, qui retient le plus d'eau : 200 − 8 = 192 mL retenus (sans compter l'eau éventuellement restée dans le filtre).
5Exercice 5
(Type composition) Un village de la région de Boké hésite entre deux emplacements pour creuser un puits : le premier sur un sol d'argile épais de 15 m, le second sur une couche de sable de 8 m reposant sur de l'argile.
a) Quel emplacement recommandes-tu ? Justifie avec les notions de porosité et de perméabilité.
b) Explique pourquoi une nappe d'eau peut se former dans le sable au-dessus de l'argile.
c) Pourquoi faut-il construire les latrines loin du puits ? Utilise la perméabilité du sable.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Le second emplacement. Le sable est poreux et perméable : l'eau y circule et alimente le puits. L'argile, bien que poreuse, est imperméable : l'eau n'en sort pas vers le puits, qui resterait presque sec.
b) L'eau de pluie s'infiltre à travers le sable perméable ; arrivée sur l'argile imperméable, elle ne peut plus descendre et s'accumule dans les vides du sable. Cette zone saturée d'eau est une nappe.
c) Le sable, très perméable, laisse aussi circuler les eaux souillées des latrines : si elles sont proches, les microbes peuvent atteindre la nappe et le puits. Il faut donc les construire à bonne distance et en aval du puits.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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