Exercices: Les usages des roches et des minéraux

Observer le schéma : à gauche, cinq objets du quotidien numérotés et, à droite, cinq minéraux dans le désordre. Relier chaque numéro à la lettre du minéral dont provient l'objet et expliquer, pour deux des cas, quelle propriété du minéral le rend utile pour cet usage.

Indiquer trois usages différents des roches dans les constructions de votre commune (façades, trottoirs, toits, monuments…) et nommer la roche employée dans chaque cas si vous la connaissez.

Le gypse, le sel commun (halite) et le quartz sont des minéraux aux usages très différents. Nommer un usage quotidien de chacun et expliquer quelle propriété du minéral le rend utile pour cet usage.

Nommer deux métaux obtenus à partir de minéraux extraits de la croûte terrestre et un usage quotidien de chacun.

À quoi sert l'argile ? Nommer deux produits de votre vie quotidienne fabriqués avec elle et expliquer ce qui arrive à l'argile lorsqu'elle est cuite dans un four.

Nommer deux roches utilisées dans la construction et expliquer dans quelle partie d'un bâtiment chacune est employée.

Outre la cuisine, nommer deux usages du sel commun (halite) et expliquer quelle propriété du sel les rend possibles.

Expliquer ce qu'est une carrière et en quoi elle se distingue d'une mine, en donnant un exemple de matériau obtenu dans chacune.

Pour le plan de travail d'une cuisine, on hésite entre le granite et le marbre. Tenir compte du fait que le marbre est un calcaire métamorphisé qui réagit avec les acides (citron, vinaigre), alors que le granite est très dur et ne s'altère presque pas. Recommander une option et la justifier.

Les roches et les minéraux sont des ressources non renouvelables. Expliquer ce que cela signifie, donner deux exemples de matériaux dont les réserves diminuent et proposer deux mesures pour les consommer de façon plus durable.

Une carrière à ciel ouvert donne du travail à un village, mais elle détruit un versant et génère de la poussière et du bruit. Présenter deux arguments pour et deux arguments contre la carrière, puis terminer en donnant votre opinion argumentée.

Le cuivre est utilisé dans les câbles électriques et le fer dans les poutres des bâtiments. Associer chaque usage à la propriété du métal qui le rend possible et nommer un matériau qui pourrait remplacer chacun d'eux, en expliquant s'il remplirait la même fonction.

Les batteries des téléphones portables et des voitures électriques nécessitent du lithium et du cobalt. Expliquer pourquoi la demande de ces minéraux augmente et exposer un problème que peut engendrer une extraction aussi importante.

Pour obtenir une tonne de cuivre, il faut extraire et traiter de nombreuses tonnes de roche. Expliquer pourquoi l'exploitation minière génère des montagnes de déchets (terrils) et quels problèmes ces accumulations peuvent causer pour le paysage et l'eau.

Le verre des fenêtres et des bouteilles est fabriqué avec du sable très riche en quartz. Expliquer quel processus transforme le sable en verre et justifier pourquoi on ajoute du verre recyclé broyé au mélange : qu'économise-t-on ainsi ?

À la Préhistoire, l'obsidienne et le silex servaient à fabriquer des pointes de flèche et des couteaux. Expliquer quelle propriété de ces roches les rendait si utiles et quels matériaux les ont peu à peu remplacées au cours du temps.

Un fabricant de technologie affirme dans sa campagne publicitaire : « Notre nouveau smartphone est 100 % écologique car sa batterie dure deux fois plus longtemps et la coque est en aluminium poli au lieu du plastique ». Sachant que les batteries nécessitent du lithium et du cobalt provenant d'exploitations minières, et que l'aluminium est extrait du minerai de bauxite par des procédés très gourmands en énergie :

1. a) Réfuter l'affirmation de l'entreprise en justifiant pourquoi aucun appareil électronique ne peut être considéré comme « 100 % écologique » si l'on considère l'origine géologique de ses matières premières.
2. b) Si doubler la durée de la batterie exige de doubler la quantité de lithium et de cobalt par appareil, prévoir deux impacts environnementaux ou sociaux dans les pays où se trouvent ces mines si les ventes augmentent de 20 %.
3. c) Du point de vue de la consommation responsable des ressources minérales, justifier s'il est plus durable de changer de téléphone tous les deux ans pour avoir une batterie plus efficace ou de prolonger l'usage du même pendant quatre ans en remplaçant uniquement la batterie usée.

Dans une commune historique, trois éléments du patrimoine vont être restaurés et il faut choisir des roches locales adaptées : les piles porteuses d'un pont sur une rivière, les tuiles plates de la toiture de la mairie et la sculpture ciselée de la façade d'une église.

1. a) Justifier quelle roche traditionnelle (granite, ardoise ou calcaire facile à tailler) vous choisiriez pour chacun des trois ouvrages, en reliant votre choix à une propriété géologique précise de chaque roche (imperméabilité et débit en feuillets, dureté et résistance mécanique, ou facilité de taille).
2. b) Pour obtenir le calcaire nécessaire, on prévoit de rouvrir une ancienne carrière à ciel ouvert proche du village, ce qui suscite des protestations en raison de son impact visuel et de la poussière. Concevoir trois mesures correctives que l'entreprise exploitante devrait appliquer pour limiter l'empreinte sur le paysage et remettre en état le relief à la fin de l'extraction.

Un dépliant d'information commet une erreur en affirmant : « Recycler les canettes en aluminium n'économise presque pas d'énergie, car pour fondre le métal usagé il faut des fours à des températures très élevées, comme pour l'extraire du minerai ».

Données réelles :

• Produire 1 kg d'aluminium primaire à partir du minerai de bauxite nécessite broyage, raffinage chimique et électrolyse à haute température, avec une consommation de 200 MJ.

• Recycler 1 kg d'aluminium provenant de canettes usagées nécessite seulement de le fondre à 660 °C, avec une consommation de 10 MJ.

1. a) Démontrer numériquement l'erreur du dépliant en calculant le pourcentage exact d'énergie économisée grâce au recyclage et la quantité totale d'énergie qui serait économisée si un établissement scolaire collecte et recycle 50 kg de canettes en aluminium.
2. b) La bauxite est extraite principalement dans des forêts et des zones tropicales par exploitation minière à ciel ouvert. Justifier comment le recyclage de l'aluminium contribue directement à éviter la déforestation et la perte de sol fertile dans ces régions de la planète.

Lors d'un débat sur les ressources naturelles, un élève affirme : « Dans notre salle de classe, presque tout est synthétique ou artificiel : les fenêtres en verre, les murs en plâtre et en brique, les câbles en cuivre du projecteur et les étagères en acier. Par conséquent, la société actuelle ne dépend plus de l'extraction de roches et de minéraux du sol ».

1. a) Réfuter son argument en réalisant une analyse géologique de ces quatre éléments : identifier la roche ou le minéral d'origine de chacun (sable de quartz ou silice, gypse, argile, minerai métallique comme la chalcopyrite ou l'hématite) et décrire brièvement la transformation nécessaire.
2. b) Classer les ressources géologiques citées en : minéraux métalliques, minéraux non métalliques et roches industrielles.
3. c) Prévoir les conséquences qu'aurait sur la construction de logements et d'infrastructures l'épuisement des granulats (sables et graviers) et des roches calcaires, en justifiant leur rôle dans la fabrication du béton et du ciment.

Une exploitation minière à ciel ouvert extrait chaque jour 500 tonnes de roche avec une teneur de 5 % en cuivre (le minéral exploité est la chalcopyrite, mélangée à de la pyrite et du quartz en abondance, qui forment la gangue).

1. a) Calculer combien de tonnes de cuivre pur sont obtenues chaque jour et combien de tonnes de roche stérile (déblais sans valeur économique) sont générées en une seule journée.
2. b) Lorsque la pyrite (sulfure de fer) des déblais est exposée à l'air et à l'eau de pluie, une réaction chimique se déclenche, qui acidifie l'eau et dissout des métaux lourds (phénomène connu sous le nom de drainage minier acide). Prévoir ce qui se passera dans la rivière et la nappe phréatique voisines si l'entreprise accumule ces déblais sur un versant non imperméabilisé.
3. c) Comparer ces deux options de gestion : déposer les résidus dans un grand bassin de boues en surface ou les utiliser pour combler des cavités minières épuisées en les mélangeant à des matériaux neutralisants. Justifier laquelle des deux options présente le moindre risque géologique à long terme.

Un bassin minier ferme sa dernière exploitation de charbon (anthracite). Le paysage qui en résulte présente une grande mine à ciel ouvert (un énorme cratère artificiel), de vastes terrils instables dépourvus de végétation et des problèmes de sédiments noirs dans les ruisseaux.

1. a) Justifier la fermeture de l'exploitation du point de vue du cycle du carbone et de la crise climatique, en expliquant quel processus géologique a formé le charbon dans le passé et quelles conséquences environnementales avait sa combustion dans les centrales thermiques.
2. b) Concevoir une proposition technique pour stabiliser les terrils et éviter le risque géologique de glissements de terrain et d'érosion hydrique lors des pluies torrentielles.
3. c) La mairie hésite entre deux projets de reconversion : remplir la fosse d'eau pour créer un lac de loisirs et une réserve naturelle, ou installer sur les terrasses de l'ancienne mine un parc solaire photovoltaïque avec un centre d'interprétation du patrimoine géologique et minier. Évaluer les avantages et les inconvénients de chaque option et justifier laquelle est la plus adaptée à la restauration environnementale du site.

Dans les salars du désert d'Atacama se concentre une grande partie du lithium mondial sous forme de saumures souterraines. La méthode d'extraction consiste à pomper cette eau salée vers de gigantesques bassins en surface afin que la chaleur du soleil évapore l'eau et fasse cristalliser le sel de lithium. Pour obtenir une tonne de lithium, il faut évaporer environ deux millions de litres d'eau.

1. a) Identifier la méthode physique de séparation des mélanges utilisée et expliquer pourquoi cette technique d'extraction minière n'est économiquement viable que dans des climats aux caractéristiques météorologiques très particulières.
2. b) Des études hydrogéologiques indiquent que le niveau d'eau des nappes souterraines du bassin a baissé de plusieurs mètres au cours de la dernière décennie. Interpréter cette donnée et prévoir deux impacts : l'un sur la faune aquatique des lagunes salées (comme les flamants roses) et l'autre sur l'agriculture traditionnelle des peuples autochtones locaux.
3. c) Dans les villes européennes, l'usage des batteries au lithium est encouragé pour réduire la pollution de l'air local. Justifier de façon critique le dilemme environnemental que représente le fait de résoudre la pollution urbaine au prix d'un stress hydrique accru dans des écosystèmes arides lointains.

Analyser les données comparatives suivantes entre l'obtention du cuivre et de l'or dans des mines conventionnelles de roche et grâce à la « mine urbaine » (recyclage de cartes électroniques d'ordinateurs et de téléphones portables hors d'usage) :

• Gisement en roche : à partir d'1 tonne de roche, on extrait entre 1 et 5 grammes d'or et environ 8 kg de cuivre. 99 % de la roche extraite finit en terrils comme déchet.

• Mine urbaine : à partir d'1 tonne de cartes électroniques, on obtient environ 250 grammes d'or et plus de 120 kg de cuivre, avec une dépense énergétique jusqu'à 80 % inférieure.

1. a) À partir des données, calculer combien de tonnes de roche minéralisée il faudrait dynamiter et traiter dans une mine naturelle (avec une teneur moyenne de 2,5 grammes d'or par tonne) pour obtenir la même quantité d'or que celle contenue dans une seule tonne de cartes électroniques.
2. b) Justifier, en considérant la modification du relief, la destruction du sol et le volume de déchets géologiques, pourquoi la mine urbaine cause un impact paysager radicalement moindre que l'exploitation minière à ciel ouvert.
3. c) Un fabricant déclare : « Si nous recyclons tous les vieux appareils, il ne sera plus nécessaire d'extraire d'autres minéraux de la croûte terrestre ». Réfuter cette affirmation en apportant deux raisons techniques ou socio-économiques qui démontrent pourquoi le recyclage seul ne peut pas arrêter complètement l'activité minière d'extraction.

Défi du thème. Avez-vous déjà pensé à la quantité de géologie que cachent les murs de votre maison ou vos objets quotidiens ? Vous allez élaborer un « Rapport d'audit géologique domestique » pour le découvrir.

1. Inventaire géologique : choisir $4$ objets du quotidien de votre foyer fabriqués avec des roches ou des minéraux (par exemple : carrelage, plan de travail, graphite d'un crayon, câbles en cuivre ou sel de table). Identifier la roche ou le minéral qu'ils contiennent, décrire deux propriétés physiques observables (dureté, éclat, clivage ou couleur) et classer chaque roche selon son origine dans le cycle des roches (magmatiques, sédimentaires ou métamorphiques) ; s'il s'agit d'un minéral ou d'un métal qui en est tiré, indiquer dans quel type de roche ou de milieu se forme sa matière première.

2. Recherche de l'origine : consulter le site officiel du BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières) ou de l'INSEE pour vérifier si l'une de ces matières premières est extraite dans votre région et noter quel type de gisement ou de carrière cela nécessite.

3. Proposition et cycle durable : concevoir un tableau comparatif avec vos résultats et rédiger trois mesures argumentées pour prolonger la durée de vie ou recycler ces éléments, en expliquant comment leur extraction influe sur le cycle naturel de la lithosphère.

Seront évalués :

• L'identification correcte des minéraux, des roches et de leur place dans le cycle des roches.

• La rigueur dans la description des propriétés physiques et l'utilisation de données issues de sources officielles.

• La cohérence et la créativité des propositions en matière de durabilité et de consommation responsable.