Introduction Contrairement aux autres propriétés physiques, les densités des minéraux formant les roches les plus courantes sont remarquablement proches les unes des autres. Les densités réelles des matériaux géologiques purs et secs varient de 880 kg/m3 pour la glace (et presque 0 kg/m3 pour l’air) à plus de 8000 kg/m3 pour certains minéraux rares. Les roches ont généralement une densité comprise entre 1600 kg/m3 (sédiments) et 3500 kg/m3 (gabbro). Des tableaux des densités des matériaux géologiques sont donnés dans la plupart des manuels, mais la simplicité d’un tableau cache la large gamme de valeurs que la plupart des matériaux réels peuvent présenter sur le terrain. Néanmoins, un tableau est utile, et le tableau 2.1, tiré de PV Sharma, 1997 (voir la page des références) est présenté à droite. En pratique, les densités apparentes (la densité d’un volume entier de matériau, y compris l’espace vide) sont souvent plus contrôlées par la porosité, le degré de cimentation et le mélange des matériaux que par la composition minérale. La figure suivante (Grant et West, 1965) met l’accent sur le défi que représente l’interprétation d’un matériau géologique à partir de mesures de densité, en raison des larges plages de valeurs qui se chevauchent et qui sont présentées par les matériaux. Les barres indiquent des portées de 80 pour cent des densités d’échantillons en vrac de petits spécimens de divers types de roches.

Il est important de rappeler la différence entre masse, densité et poids. La densité est la propriété physique – c’est la masse (kilogrammes) par unité de volume. Le poids est la force subie par cette masse en présence d’un champ gravitationnel. Votre poids sur la Lune représente 1/6e de votre poids sur Terre, mais votre masse (et votre densité) est la même où que vous soyez.

Porosité

L’effet de la densité sur la porosité suit une loi de mélange, qui est décrite par la suite. Par conséquent, la mesure de la densité apparente d’un échantillon peut fournir une estimation de la porosité si les constituants de l’échantillon global sont connus. La porosité, , est le volume poreux fractionnel d’une roche (par exemple la zone noire dans la coupe transversale d’une roche sédimentaire à droite). La masse totale d’un volume de roche, VT, est constituée de la masse du fluide poreux, de densité df, plus la masse des minéraux de la matrice de densité dma. La densité mesurée est la densité apparente db. La masse totale devient alors :

Masse totale = VT db = VT df + (1- ) VT dma

Nous avons donc une formule donnant la loi de mélange pour la densité, qui représente la densité apparente en termes de porosité, de densité du fluide interstitiel et de densité de la matrice :

db = df + (1-) dma

En réarrangeant les termes, la porosité peut être représentée de la manière suivante :

=(dma- db)/(dma- df)

Lorsque le type de roche de la matrice et le type de fluide sont tous deux connus, la porosité peut être estimée à partir de mesures de la densité. Ceci est couramment fait dans les forages où les instruments de densité peuvent donner des estimations précises de la densité apparente db. Cela est également possible lorsqu’il y a des échantillons de carottes, bien qu’il faille faire attention à trouver les vraies densités sans biais des carottes endommagées.

Remarques

• La plupart des roches composant la croûte terrestre ont une densité comprise entre 2,6 et 2,7 g/cc.
• Certaines roches ignées basiques, qui non seulement ont une très faible porosité, mais contiennent plus de minéraux mafiques riches en fer que leurs homologues de la croûte supérieure, ont une densité allant de 2.8 à 3,0 g/cc ; certaines roches exotiques d’origine profonde ont une densité pouvant atteindre 3,4 (par exemple, l’éclogite).
• Les minéraux miniers, les oxydes et les sulfures de divers métaux sont relativement denses (voir le tableau ci-dessus).
• Les argiles ont généralement une densité comprise entre 1,6 et 2,6 g/cc. La teneur en argile d’un sol a un effet significatif sur sa densité.
• Le sel est particulièrement intéressant dans les roches sédimentaires car il a une faible densité (2,2 g/cc), mais a un module apparent assez élevé lui donnant une vitesse sismique (vitesse des signaux acoustiques dans la roche) relativement élevée. Par conséquent, les levés gravimétriques constituent un excellent complément aux travaux sismiques dans l’exploration des produits pétroliers.
• Sauf en cas de présence de sel ou de minerais, les contrastes de densité entre les matériaux hôtes et les matériaux « cibles » rencontrés dans les études gravimétriques de la croûte dépassent rarement 0,250g/cc.
• Les contrastes sont plus élevés pour les matériaux peu profonds. Pour cette raison, en combinaison avec la proximité des emplacements de mesure par rapport aux cibles, les méthodes gravimétriques sont utiles pour cartographier l’épaisseur des morts-terrains. La gravité est également souvent très efficace pour identifier et cartographier les vides, tels que les dolines, les grottes dans les formations karstiques, etc.

Ces notes ont été adaptées et augmentées à partir d’une page similaire sur le site du cours de géophysique appliquée de Berkeley.