La pétrologie

Par Aude Perrineau

Les roches et les minéraux sont non seulement des témoins des périodes antiques, qu’ils permettent de dater, mais ils permettent aussi de déterminer, par l’étude de leurs caractéristiques, les espaces d’approvisionnement, de reconstituer les circuits commerciaux et de comprendre les échanges entre cultures.

La pétrologie est la science des roches : elle étudie les mécanismes de formation des roches à travers leur distribution, leur structure et leurs propriétés.

Depuis les premiers outils de pierre du Paléolithique, l’homme a su trouver dans la nature les matériaux et matières premières nécessaires à ses réalisations et profiter de la grande variété de propriétés (résistance, couleur...) des roches. Les roches constituent donc le substrat des fouilles archéologiques et une partie non négligeable des archéomatériaux. Elles sont en effet les éléments constitutifs de l’écorce terrestre. Elles sont formées de minéraux et caractérisées par leur chimie, leur texture, leur mode de formation. C’est sur ces critères que s’appuie leur classification. On distingue trois grands types de roches : magmatiques, sédimentaires et métamorphiques.

Les techniques de l’archéologie ont beaucoup emprunté au développement de la géologie. La stratigraphie, en particulier, est née des applications de la géologie, étudiant la succession des strates de roches ; c’est à partir du milieu du XIXe siècle que les fouilles archéologiques en reprennent les méthodes et le principal postulat : les couches les plus profondes sont les plus anciennes et les couches supérieures les plus récentes, leur empilement successif étant le fait de facteurs humains (couche d’occupation, d’abandon, de remblai) ou naturels (éruption, inondation…).

 Les minéraux

Un minéral est une espèce chimique naturelle ayant une forme de solide cristallin. Les minéraux sont caractérisés par leurs propriétés chimiques et cristallographiques. Ils sont dits « majeurs », « mineurs » ou « traces » selon leur abondance dans une roche donnée. Certaines roches peuvent n’être constituées que d’un seul type de minéral (c’est le cas des roches sédimentaires salines).

On distingue différentes familles de minéraux selon leur composition chimique :

 

Classification des minéraux
FamillesMinéraux
minéraux non silicatés éléments natifs or, argent, cuivre, platine, fer, bismuth
sulfures pyrite, galène
oxydes et hydroxydes corindon, rutile, magnétite, hématite
halogénures sel gemme, fluorite, sylvite
carbonates calcite, aragonite, sidérite, malachite, azurite
phosphates apatite
sulfates gypse, bassanite
minéraux silicatés 7 grandes familles quartz, opale, feldspaths alcalins et plagioclases, minéraux argileux, micas, talc, chlorites, serpentine, pyroxènes, amphiboles, épidotes, péridots, grenats, zircon

 

La croûte terrestre comprend, entre autres, 39% de plagioclases, 12 % de feldspaths alcalins, 12% de quartz et 11% de pyroxènes.

Vasque en argent © A. Perrineau, UMR8546
Vasque en argent © A. Perrineau, UMR8546

Les minéraux natifs ont été principalement utilisés dans la métallurgie, à l’état natif ou sous forme d’alliage, et reflètent l’évolution de la technique métallurgique. On les retrouve sous forme de monnaies, d’objets décoratifs, d’outils… D’autres minéraux précieux ont servis à fabriquer des bijoux (rubis, saphir, diamant, turquoise…). Les colorants sont faits à partir d’oxydes (oxyde de fer des peintures d’Altamira).
(Ill. : Vasque en argent (III siècle ap. J-C., Pas-de-Calais))

 

 Les roches magmatiques

Les roches magmatiques représentent près de 65% du volume de la croûte. Elles résultent, comme leur nom l’indique, de la cristallisation de magma remontant vers la surface depuis les zones de fusion partielle.

On distingue les roches plutoniques, formées en profondeur et constituées de gros cristaux (refroidissement lent) ; et les roches volcaniques, formées en surface et composées de petits minéraux entourés d’une pâte plus ou moins abondante (refroidissement rapide au contact de l’air). Un même magma (dont la composition dépend des minéraux qui fondent) peut donc donner naissance à une roche plutonique et à une roche volcanique, ayant connu des processus de formation différents, mais possédant strictement la même composition chimique. Plus le contenu d’une roche en silice est important, plus la roche est dite « acide », puis « intermédiaire », « basique » ou « ultrabasique » au fur et à mesure de la décroissance de la quantité de silice.

 

Classification des roches magmatiques (roches plutoniques et leurs équivalents volcaniques en italique)
Roches saturées (en silice)Roches sous-saturées (en silice)
avec quartz et feldspath avec feldspath avec feldspath et feldspathoïde avec feldspathoïde
feldspath alcalins seuls ou dominants granite
rhyolite
syénite
trachyte
syénite néphélinique
phonolite
ijolite
néphélinite missourite
leucitite
feldspath alcalins et plagioclases monzogranite
rhyolite latitique granodiorite
rhyodacite
monzonite
trachyandésite
essexite
téphrite théralite
basanite
plagiocalses seuls anorthite <50% diorite quartzique
dacite
diorite
andésite
anorthite >50% gabbro quartzique
basalte tholéiitique
gabbro
basalte
péridotite, pyroxénolite
picrite

 

Sphinx de Granite (Louvre) © A. Perrineau, UMR8546
Sphinx de Granite (Louvre) © A. Perrineau, UMR8546

La roche plutonique la plus répandue est le granite (acide), qui est le constituant majoritaire de la croûte continentale, et la roche volcanique la plus répandue le basalte (basique), qui constitue la croûte océanique. L’obsidienne est une roche magmatique complètement vitreuse.

 

 

 

 

 

 Les roches sédimentaires

Les roches sédimentaires représentent 8% du volume de la croûte, mais couvrent 75% de la surface de la Terre, au niveau de laquelle elles se forment (en milieu marin comme continental). Elles sont très sensibles aux conditions présentes à la surface de la Terre au moment et à l’endroit de leur formation, d’où leur importance pour la connaissance des climats passés et la reconstitution du paléoenvironnement. On distingue deux types de roches sédimentaires : les roches détritiques et les roches chimiques ou biochimiques.

Les roches détritiques proviennent du démantèlement des reliefs par érosion et passent par le cycle sédimentaire :

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Vase en breche - © A. Perrineau, UMR8546
Vase en breche - © A. Perrineau, UMR8546

(Ill. : Vase en brèche de l’Egypte Antique (Abydos, Epoque Thinite))
Elles sont donc principalement formées de fragments de roches préexistantes. Les roches détritiques terrigènes résultent de l’accumulation de débris de roches arrachés à des terres émergées, et les roches détritiques pyroclastiques de celle de débris projetés par les volcans. Les roches détritiques sont classées en fonction de leur granulométrie ; la taille et la forme des éléments dépendant des conditions de transport. La diversité des conditions de formation explique la grande diversité de ces types de roche :

 

Classification des roches sédimentaires terrigènes
Diamètre des grainsClasses granulométriquesElémentsRoches terrigènesRoches pyroclastiques
2 mm rudites gravier, galet, bloc graviers, conglomérat téphra, brèche pyroclastique
0,063 mm arénites grain de sable sable, arénite, grès lapillis
0,020 mm lutites particule silteuse siltite cendre grossière
argile argile, argilite cendre fine

 

Statuette en calcaire - © A. Perrineau, UMR8546
Statuette en calcaire - © A. Perrineau, UMR8546

Les roches chimiques et biochimiques se forment par précipitation à partir d’une solution, soit directement soit par l’intermédiaires d’organismes (on peut donc y retrouver des fossiles).
(Ill. : Statue en calcaire de Idy, prêtre, de l’Egypte Antique (Moyen Empire).)

 

Classification des roches sédimentaires chimiques et biochimiques
Familles de rochesExemples
carbonatées calcaires, dolomie
siliceuses silex, jaspe, meulière, cherts, radiolarite, diatomite
carbonées charbons (houilles, lignite, tourbe), huiles minérales (asphalte, bitumes, pétrole)
salines halite (sel gemme), gypse, albâtre, anhydrite, barytine
phosphatées phosphates
ferrugineuses minerais de fer
glauconieuses glauconitite
alumineuses bauxite

 

Briques - © H. Dessales, UMR8546
Briques - © H. Dessales, UMR8546
Mortier entre briques- © H. Dessales, UMR8546
Mortier entre briques- © H. Dessales, UMR8546

Ces roches peuvent être plus ou moins consolidées, et sont plus friables et érodables que les roches magmatiques. Les argiles ont été utilisées pour la céramique (briques, ustensiles quotidiens, objets décoratifs), pour l’écriture (tablettes d’argile), ou encore, pour citer une réalisation de plus grande envergure, pour la fabrication de l’armée de terre cuite du tombeau du premier empereur de Chine ; le calcaire pour la sculpture, la construction (la grande pyramide de Gizeh est formée de plus de deux millions de blocs de calcaire) ; le gypse dans des constructions protégées des agents extérieurs (Cnossos) ; le silex pour fabriquer des outils rudimentaires puis des couteaux. On obtient le plâtre à partir du gypse. Le calcaire est nécessaire à la fabrication de la chaux, permettant l’élaboration du mortier.

 

 Les roches métamorphiques

Elles représentent 27% du volume de la croûte. Le métamorphisme (à l’échelle régionale ou locale) est la transformation d’une roche (magmatique, sédimentaire ou même métamorphique) à l’état solide, sous l’effet d’une augmentation de température et/ou de pression qui déstabilise l’assemblage minéralogique préexistant, les minéraux n’existant que dans une gamme de pression et de température donnée. De nouveaux minéraux en équilibre avec les nouvelles conditions cristallisent, la composition chimique de la roche restant à peu près la même. La roche originelle est plus ou moins préservée selon le degré du métamorphisme. A forte pression, les minéraux sont organisés en couches et donnent à la roche un aspect folié (schiste, gneiss).
Les principales roches métamorphiques sont les suivantes :

 

Classification des roches métamorphiques, d’après La géologie : les sciences de la terre, Errance, 1999.
(amph=amphibole, px=pyroxène, grt=grenat, chl=chlorite, ol=olivine, plg=plagioclase, ép=épidote, fd=feldspath, sil=sillimanite, cord=cordiérite)
Protolithe sédimentaireProtolithe igneRoche métamorphiqueMinéraux caractéristiquesComposition chimique
péridotite, hornblendite, pyroxénolite serpentinite, pyroxénite amph, px, talc, grt, chl, ol ultrabasique
gabbro, basalte, diorite, andésite amphibolite, gneiss à plg et px amph, px, plg, chl, ép, grt basique
calcaire, dolomite siliceuse carbonatite marbre, calcschiste calcite, dolomite carbonatée
marne, calcaire, grès calcaro-dolomitique gneiss à silicates Ca-Mg carbonates et/ou silicates Ca-Mg calco-silicatée
pélite alumino-silicatée granitoïde ou tuf métamorphisé schiste, micashiste, gneiss alumineux fd (peu), micas, silicates Al, Fe-Mg alumino-silicatée
grauwacke, tuf volcanique, grès feldspathique granite alumineux, tonalite, monzogranite, granodiorite gneiss, leptinite plg, fdK (micas, sil, cord, grt) quartzo-feldspathique
grès, chert quartzite quartz quartzitique

 

Marbre de Carrare © H. Dassales, UMR8546
Marbre de Carrare © H. Dassales, UMR8546
Tuf, mur de Pompéi - © H. Dessales, UMR8546.
Tuf, mur de Pompéi - © H. Dessales, UMR8546.

La roche finale dépend des conditions du métamorphisme et de la roche initiale, ce qui donne naissance à différentes variétés d’une même roche métamorphique (marbre de Carrare…). Ce sont des roches dures et solides. Le marbre a été utilisé pour la construction et la statuaire, le schiste, le gneiss et l’amphibolite pour la statuaire.
ill. : Bassin en marbre de Luni (Carrare).

 

 

Illustrations de gauche à droite :
-Site naturel de Pamukkale (Turquie), formation de calcaire, par une source très chargée en oxyde de calcaire.
-Stèle en marbre du Mont Pentélique de la Grèce préclassique (Athènes, V siècle av. J-C). La stèle porte la liste des citoyens morts au champ d’honneur.
-Pavement à opus sectile en marbres de provenances diverses.
-Statue en quartzite du pharaon Osorhon I (X-XI siècle av. J-C.) de Byblos (Liban).

Pamukkale - © H. Dessales, UMR8546.
Pamukkale - © H. Dessales, UMR8546.
Stèle en marbre © A. Perrineau, UMR8546
Stèle en marbre © A. Perrineau, UMR8546
Pavement en marbre © H. Dessales, UMR8546
Pavement en marbre © H. Dessales, UMR8546
Buste en quartzite - © A. Perrineau, UMR8546
Buste en quartzite - © A. Perrineau, UMR8546

 

 

 

 

 

 

 

 Bibliographie

  • La Géologie : les sciences de la Terre, collection « Archéologiques », Paris, Errances, 1999.
  • C. Pomerol, Y. Lagabrielle et M.Renard,Eléments de géologie, Paris, Dunod, 2000.
  • A. Lameyre, Les Roches, coll. Que-sais-je ? (n°519), Paris, PUF, 1968.
  • J. Lameyre, Roches et minéraux, Paris, Doin, 1986.
  • I. Cojan et M. Renard,Sédimentologie, Paris, Dunod, 2003.
  • B. Bonin, Pétrologie endogène, Paris, Dunod, 1998.

 

 Webographie

Atlas minéralogique :

 

Pétrologie magmatique et métamorphique :

 

Pétrologie sédimentaire :

Laboratoire de géologie de l’ENS :


Aude Perrineau, 2005.