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C'est en 1880, avec
les travaux originaux du géologue britannique Sorby, que les
grains de sable commencent à livrer leurs
secrets.
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Quarante ans plus tard, Lucien
Cayeux (1864-1944) donne l'élan à la pétrographie sédimentaire
et, en 1929, propose une classification des grains de sable en
fonction de leur milieu de dépôt ; celle-ci est basée sur le
triage, la forme et les aspects de surface des particules. Il
mentionne notamment la présence fréquente de grains arrondis à
surface mate dans les dépôts d’origine éolienne, et de grains
d’aspect luisant sur les plages marines et dans les
rivières.
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Mais ces méthodes demeurent
imprécises, et il faudra attendre 1942 pour que, grâce à André
Cailleux, naisse la morphoscopie ; celle-ci peut être définie
comme la détermination statistique des différents types de
grains de quartz dans les dépôts sableux.
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| 1.- LA
MORPHOSCOPIE DES SABLES |
De son
vrai nom André de Cayeux de Sénarpont, André Cailleux a
modifié son nom d'auteur scientifique pour ne pas être
confondu avec son prédécesseur Lucien Cayeux.
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C'était un authentique génie :
né en 1907, agrégé de Sciences Naturelles, docteur ès Sciences
Naturelles, licencié ès Sciences Physiques, titulaire d'une
licence ès Lettres et d'un certificat d'Astronomie
approfondie, membre de la Commission scientifique des
Expéditions polaires, des Commissions de Glaciologie et
d'Hydrologie, président de la Commission Internationale de
Morphologie périglaciaire, membre du Comité de la carte du
Quaternaire de l'Europe, Maître de conférences à la Sorbonne,
il fonda la Revue de Géomorphologie Dynamique et écrivit des
centaines de livres et d'articles dans des domaines aussi
variés que la géologie, la préhistoire, l'astronomie, la
géographie, la pédologie (étude des sols), la glaciologie, la
biogéographie, l'écologie, la philosophie et bien d'autres
sujets encore.
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Loïc Le Ribault découvrit son
existence lorsqu’il avait vingt ans, alors qu’il terminait
Sciences expérimentales au lycée Lakanal en 1967 : au cours de
la cérémonie de la distribution des prix qui clôturait chaque
année scolaire, il reçut un livre passionnant, intitulé « 30
millions de siècles de vie », rédigé par André Cailleux
(Editions André Bonne, Paris, 1958).
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Il ignorait, bien sûr, qu’il
aurait l'immense honneur de rencontrer ce grand savant six ans
plus tard.
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| Cailleux avait mis
au point la morphoscopie dès 1935 et l'avait développée dans
sa thèse en 1942. Cette méthode, toujours en usage
actuellement, consiste à trier par tamisage les principales
fractions granulométriques d’un sédiment, puis à classer les
grains par observation à la loupe binoculaire (grandissements
de 5 fois à 80 fois) pour tenter de déterminer les milieux de
dépôt de ceux-ci. Ce classement tient compte de deux critères
: |
| - La forme des grains |
| - Leur aspect de surface |
Cailleux aboutit ainsi à trois
catégories principales de grains : les « Non-Usés » (dits « NU
»), les « Emoussés-Luisants » (dits « EL ») et les «
Ronds-Mats » (dits « RM »).
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LES GRAINS
« NON-USES »
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Les grains « NU » se
caractérisent par leur forme anguleuse, que les cristaux
soient automorphes (c'est-à-dire bien formés, tels que les
cristaux bipyramidés) ou non. Les arêtes, c'est-à-dire les
parties saillantes des grains, ne présentent aucune trace de
polissage ni d'arrondissement. Leur aspect de surface peut
indifféremment être mat ou luisant.
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Ces grains caractérisent les
arènes, les transports dans des cours d’eau douce sur de très
faibles distances, les dépôts glaciaires, etc.
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LES GRAINS « EMOUSSES
LUISANTS »
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Les « EL »
présentent une dominance d’arêtes arrondies et peuvent parfois
acquérir la forme de sphères presque parfaites. Leur aspect de
surface est toujours très poli, brillant, luisant sous
l’éclairage de la loupe binoculaire.
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Ils sont caractéristiques de
longs transports en milieux aquatiques continentaux (rivières,
fleuves), ou d’évolutions en milieux marins (plateau
continental, plages, etc.).
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LES GRAINS «
RONDS-MATS »
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Les « RM », comme leur nom
l’indique, ont une morphologie générale sub-sphérique pouvant
parfois atteindre celle d’une sphère parfaite. Leur aspect de
surface est toujours dépoli et mat.
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Ils sont
caractéristiques d’une évolution en milieu éolien (transport
par le vent), et essentiellement trouvés sur les dunes
littorales et dans certains environnements
désertiques.
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La morphoscopie fut durant
trente ans la seule méthode pour les sédimentologues
d’approcher la détermination de l’histoire sédimentaire des
grains de quartz. Grâce à elle, on pouvait établir des
comparaisons entre des échantillons, et avoir une idée de leur
milieu de dépôt. Mais, selon Cailleux lui-même, la
morphoscopie ne permettait pas dans la majeure partie des cas
de déterminer leur histoire ancienne en cas de reprise (1), et
les NU ne pouvaient être interprétés avec
précision.
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(1) Une reprise sédimentaire
indique le remaniement d'un grain dans un (ou plusieurs)
environnement(s) différent(s).
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| 2.-
L’ENDOSCOPIE des QUARTZ |
Alors que certains
scientifiques cherchent à déchiffrer l'histoire sédimentaire
et le milieu de dépôt des grains de sable en explorant leur
surface, d'autres tentent de décrypter les conditions de leur
naissance en explorant leur intérieur.
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En effet, la
plupart des minéraux contiennent à leur intérieur de
minuscules inclusions solides, liquides, gazeuses ou mixtes.
Dans un grain de quartz d'un millimètre, il peut y en avoir
des millions. Emprisonnées à l'intérieur des cristaux lors de
la formation et de la croissance de ceux-ci, elles sont les
témoins des conditions de leur naissance et de leur
enfance.
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On appelle endoscopie l'étude
de ces inclusions.
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L’endoscopie fut mise au point
par le soviétique Iermakov, puis développée par Georges Deicha
(1) (C.N.R.S., Université de PARIS) et Robert Clocchiatti
(C.N.R.S., Université d’Orsay).
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Cette méthode consiste à
étudier au microscope optique, à des grandissements compris
entre 10 fois et 1.000 fois, les inclusions contenues à
l’intérieur des cristaux, après immersion de ceux-ci dans le
baume du Canada.
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L'endoscopie permet
de déterminer avec une extrême précision l’origine des
cristaux : ainsi les quartz automorphes d’origine volcanique
se différencient-ils de ceux d’origine lagunaire également
automorphes par la présence pour les premiers de bulles de gaz
et pour les seconds de cristaux de sel, de grains de pollen,
de baguettes de gypse, etc.
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Il en va de même pour les
cristaux xénomorphes (dont la forme originelle est
irrégulière), qu’ils soient par exemple d’origine granitique
(aiguilles de rutile et minéraux divers disséminés de façon
anarchique) ou métamorphique (inclusions alignées selon les
axes des pressions exercées sur la roche).
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D'autres dispositifs
permettent soit de congeler soit de chauffer progressivement
les bulles fluides, en même temps que, l'oeil à l'oculaire, on
observe leurs changements. On peut ainsi préciser, entre
autres choses, la température à laquelle a cristallisé le
minéral.
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L’étude endoscopique d’un
échantillon de sable permet par conséquent de déterminer les
types de roches (volcaniques, granitiques, métamorphiques,
néogenèses sédimentaires, etc.) dont proviennent les
différents stocks constituant le sédiment.
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(1) Membre du jury de thèse de
doctorat de Troisième cycle de Le Ribault en 1973 et de celui
de sa thèse de doctorat d'Etat en 1980.
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| 3.- L’EXOSCOPIE des QUARTZ |
Au M.E.B., un grain
de sable représente ainsi une surface de plusieurs kilomètres
carrés à explorer, parsemée de dizaines de milliers de
micro-traces dont chacune est interprétable. Tout comme pour
les êtres humains, il est mathématiquement impossible de
trouver deux grains de sable en tous points identiques, mais
tous portent en eux (inclusions) et sur eux (caractères
exoscopiques) une multitude d'informations spécifiques
concernant leur origine et chacun des épisodes de leur
existence.
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Quelques chercheurs avaient
tenté de recréer artificiellement les conditions naturelles,
et d'y tester le comportement des grains de sable pour étudier
les modifications de leur surface en essayant de quantifier
les vitesses de modification.
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Ainsi, en 1966, H. J. Pachur ,
à l'aide d'un aspirateur ménager monté à l'envers,
transforme-t-il des grains EL en RM en dix à soixante-quinze
jours ; il démontre également que le frottement dans l'eau
provoque la transformation inverse. (Pachur H. J. (1966).-
Untersuchungen zur morphoscopischen Sandanalyse, Berliner
Geogr. Abh., 35 pages)
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En 1968, André Cailleux et H.
E. Schneider publient des photographies de quartz éolisés
artificiellement eux aussi, mais observés cette fois au
microscope électronique à balayage . (Cailleux A. &
Schneider H. (1968).- L'usure des sables vue au microscope
électronique à balayage, Sc. Prog. Nat., 3395, pp.
92-94.)
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En 1970, H. Harder & W.
Flehmig démontrent expérimentalement que, même dans des
solutions fortement sous-saturées en silice dissoute, celle-ci
peut être adsorbée (adsorber : retenir des molécules libres à
sa surface) par divers hydroxydes (fer, magnésium, aluminium,
etc.) et conduire en quelques semaines à la néogenèse de
cristaux de quartz . (Harder H & Flehmig W. (1970).-
Quartsynthese bei tiefen Temperaturen, Geochim. Cosmochim.
Acta, 34, pp. 295-305.)
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On sait désormais que, dans
les fleuves, c'est seulement au bout de 300 kilomètres que les
NU deviennent des EL. L'expérimentation artificielle semble
donc être une voie de recherche prometteuse, sur laquelle Loïc
Le Ribault décide de s'aventurer.
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La première partie du travail
de recherche qu’il entreprend alors est consacrée à l'étude
des quartz non-évolués, c'est-à-dire à ceux qui n'ont subi ni
altération ni transport, tels que les quartz de néogenèse
sédimentaire et certains quartz volcaniques. Mais ce type de
cristaux ne constitue dans la majorité des cas qu'une infime
proportion des constituants des sables détritiques. En effet,
pour qu'un quartz quitte la roche mère dont il est originaire,
il faut que celle-ci ait été soumise à des phénomènes
d'altération. Aussi a-t-il ensuite étudié les quartz
d'altérites et les quartz pédogénétiques : ceux-ci acquièrent
en effet des caractères qui sont susceptibles de persister
longtemps au cours de leur histoire sédimentaire postérieure,
comme l'avait démontré H. E. Schneider en 1970, ceux-ci ne
devant pas être confondus avec les traces d'origines diverses
qui les affecteront par la suite.
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La seconde partie
des travaux consiste à étudier systématiquement à la loupe
binoculaire, au microscope optique puis au microscope
électronique à balayage plusieurs centaines d'échantillons
prélevés dans des milieux actuels bien caractérisés et
provenant du monde entier. Cette étude lui permet d'isoler des
séries de caractères superficiels présents sur la majorité des
quartz d'un environnement donné et de les comparer avec ceux
décelés sur les grains d'autres milieux, en cherchant à
expliquer les facteurs responsables de l'apparition de chacun
de ces caractères.
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Ensuite, l'étude de grains à
évolution complexe mais parfaitement connue lui permet de
constater que la plupart de ces caractères peuvent subsister
et être identifiés, même lorsque plusieurs épisodes évolutifs
ont succédé à celui au cours duquel ils étaient apparus. La
modification de ces caractères et leurs relations avec les
nouvelles micro-formes apparues au cours des évolutions plus
récentes permettent de replacer dans leur ordre chronologique
les divers épisodes vécus par les grains de sable au cours de
leur histoire.
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Mais il ne suffit pas que ces
caractères superficiels soient déchiffrés sur les quartz
actuels : encore faut-il qu'ils se conservent sur ceux
immobilisés depuis longtemps dans les formations fossiles
éventuellement grésifiées. Des études systématiques sur des
sables meubles et indurés de tous âges géologiques ont permis
de constater que c'était généralement le cas.
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En ce qui concerne le problème
de l'hétérogénéité des stocks constitutifs d'un sable, il
utilise ensuite l'endoscopie (étude des inclusions), qui
permet de différencier par exemple les quartz qui proviennent
de granites, de rhyolites ou de certaines roches
métamorphisées. L'endoscopie intervient donc comme étroit
complément de l'exoscopie, puisqu'elle permet de remonter à
l'origine de chacun des stocks constitutifs de l'échantillon,
dont l'étude exoscopique retrace ensuite, étape après étape,
l'histoire sédimentaire.
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De 1970 à 1975,
l'exoscopie est enfin soumise à des centaines de tests sur des
échantillons tant actuels que fossiles, meubles ou indurés, en
provenance du monde entier. Au cours de ces cinq années, et
depuis maintenant plus de trente ans, elle n'a jamais été
prise en défaut en ce qui concerne le diagnostic donné. Aussi
peut-on considérer que cette technique est fiable. Toutefois,
dans environ 5 % des cas (tous représentés par des grès à
ciment siliceux), l'analyse n'a apporté aucun résultat à cause
de l'épaisseur et de la résistance des néogenèses qui
enrobaient les grains de quartz.
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En 1971, Le Ribault a réuni
plus de six cents clichés de grains de sable réalisés au
M.E.B. Il peut interpréter certains microcaractères, mais pas
la majorité. Surtout, il ne comprend par les règles qui
régissent leur apparition ou leur
modification.
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Un beau jour, il classe les
photographies selon l’origine des grains (fluviatiles, marins,
glaciaires, etc.), puis étale chaque « famille » sur le
plancher de la salle à manger.
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Ensuite, grimpé sur une
chaise, il se met à les contempler.
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Cette observation immobile
dure des heures.
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Il constate que certains
clichés vus ainsi de loin présentent des similitudes d’aspect,
mais difficiles à définir.
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Ce sont des
orientations de lignes, de groupes de ponctuations, des
escadrilles d’ovales, des amas de nébulosités, des éclats de
luminosité.
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Descendu de sa chaise, il
classe ses nuages par catégories, puis se met à
réfléchir.
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Comment tout cela peut-il
s’expliquer ?
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Soudain, en un éclair, il
comprend tout !
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Eurêka ! Voici la clef de
l’énigme !
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C’est simple : tout
n’est que question de concentration de silice dissoute dans
l’eau, physique des chocs, polissage des histoires anciennes,
exploitation des traces les plus vieilles par les nouvelles,
activité des micro-organismes !
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Il suffit désormais d’en
définir les lois avec rigueur.
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| Car il lui reste tant de
questions à résoudre : |
- Est-il possible de
déterminer les conditions de sédimentation finale sur des
quartz à évolution embryonnaire, c'est-à-dire sur lesquels les
actions chimiques et mécaniques n'ont pas eu le temps de
modifier la forme originelle ?
- Les microformes observées
dans les environnements naturels récents se conservent-ils sur
les grains de sable fossiles ?
- Est-il possible de
déterminer chacune des évolutions des quartz à évolution
complexe et, si oui, peut-on replacer ces épisodes dans leur
ordre chronologique ?
- Puisque la plupart des sables
contiennent des stocks d'origine différente, est-il possible
de différencier chacun de ceux-ci, tant en ce qui concerne son
origine que son évolution propre ?
- Comment passer de
l'individu grain de sable à l'échantillon de sable ?
- Dans
quelle mesure l'exoscopie est-elle efficace ?
- Peut-elle
s'appliquer sans l'appui de méthodes d'analyses
complémentaires ou se suffit-elle à elle-même pour donner un
diagnostic fiable ?
- Si oui, est-elle valable dans tous
les cas, sur des échantillons de tous âges ?
- Ou bien
échoue-t-elle parfois ?
- Si oui, sur quels types
d'échantillons ?
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Les amis du
chercheur disparaissaient les uns après les autres : que
voulez-vous faire d'amusant avec un type de 22 ans qui passe
son temps derrière un microscope à observer des grains de
sable ? Et puis à quoi ça sert ? Alors qu'il y a tant de
choses intéressantes à faire dans les boîtes de nuit, dans les
cinémas et sur les terrains de football ? Les sables, ça n'est
vraiment utile que pour se rôtir au soleil sur les
plages...
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Mais c’est ainsi que naît
l’exoscopie, officiellement définie comme la méthode de
détermination de l’histoire sédimentaire des grains de sable
par étude de leur surface au microscope électronique à
balayage.
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Le principe de l’exoscopie des
quartz est simple : chaque environnement naturel est
caractérisé par un ensemble de facteurs d’origines divers :
physiques (Ex. : pression, température, etc. ), chimiques (Ex.
: concentration de l'eau en silice dissoute, présence
d'hydroxydes de fer, etc.), mécaniques (Ex. : chocs éoliens ou
subaquatiques, frottements, phénomènes de broyage, etc.),
biologiques (Ex. : bactéries, diatomées, etc.) , qui laissent
à la surface des grains de quartz des traces de forme et de
taille diverses caractéristiques des facteurs qui les ont
générées. Lorsque les grains passent d’un environnement à un
autre, ces traces sont exploitées de façon spécifique selon
les caractéristiques du nouvel environnement.
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| L'exoscopie est basée sur
l'identification puis l’interprétation de 250 caractères de
base, sortes de lettres de l’alphabet qui permettent non
seulement de déterminer avec précision le milieu de dépôt d’un
grain de sable, mais même de retracer l’ensemble de son
histoire géologique et, dans certains cas, son origine
géographique exacte. |
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