Etude pétrophysique au Maroc

Bulletin de lInstitut Scientifique, Rabat, section Sciences de la Terre, 2009, n 31, 41-54.

Evaluation des proprits physico-mcaniques des pierres de construction du Maroc partir des vitesses des ondes P

et de la rsistance au choc

Iz-Eddine EL AMRANI EL HASSANI1 & Hamid EL AZHARI2

1. Universit Mohammed V-Agdal, Institut Scientifique, Dpartement des Sciences de la Terre, Equipe de Gomatriaux et goenvironnement (GoM&E.). e-mail: [email protected], [email protected] 2. Universit Mohammed V-Agdal, Facult des Sciences, Dpartement de Gologie, B.P. 1014, Rabat R.P. e-mail: [email protected]

Rsum. L'tude ptrophysique mene sur 11 varits de pierres de construction marocaines a permis de prciser la relation entre leur nature ptrographique et leurs proprits physico-mcaniques. L'application des mthodes d'auscultation non-destructives, bases sur la mesure de la vitesse des ondes ultrasoniques (Vp) au "TICO" et la dtermination de la rsistance au choc, par la mesure de l'indice de rebond (IRb) au sclromtre, a contribu bien cerner cette relation. Cette tude confirme que la saturation en eau rduit les Vp et la rsistance au choc. Les taux de variation des Vp est de l'ordre de 2 7 % dans les marbres, 13 % dans les calcarnites et 20 % dans les granites. Le taux de variation des IRb volue de 15 % dans les marbres jusqu' 80 % dans les roches sdimentaires. Le rapport (IRb/Vp) en fonction de la rsistance la compression uniaxiale (Rcu) rvle une corrlation positive pour lensemble des roches, avec un net dcalage entre les roches calcaires et granitiques. Les quations relatives cette corrlation permettent de dterminer la Rcu d'une roche, paramtre fondamental en gotechnique, partir des mesures in situ et instantanes des Vp et IRb, obtenues l'aide respectivement d'un "TICO" et d'un sclromtre. Mots cls : Pierre de construction, ondes P, rsistance au choc, rsistance la compression, Maroc.

Evaluation of physico-mechanical properties of building stones of Morocco from P-wave velocity and shock resistance. Abstract. Integrated petro-physical study carried out 11 varieties of building stones of Morocco, has allowed us to set the relationship between their petrographical and physico-mechanical properties. The application of non-destructive testing methods, based on measuring of the ultrasonic wave velocity (Vp) by the "TICO" and the determination of shock resistance, trough the rebound index (IRb) of the Sclerometre (Schmidt Hammer), contributed to quantify this relationship. Thus, this study confirms that water saturation reduces Vp and the shock resistance of rocks at variable rates, depending on their petrographical type. The variation rate of Vp, very low in marbles (2 to 7 %), can reach 13 % in calcarenites and 20 % in granites, while the variation rate of IRb varies from 15 % in marbles to 80 % in some sedimentary rocks. The ratio (IRb/Vp) vs uniaxial compressive strength (Rcu) reveals a positive correlation for all the rocks, but with a clear gap between limestone and granite. The equations of this correlation could determine the Rcu of rocks, basic geotechnical data, from in-situ and instantaneous measurements of Vp and IRb, using respectively a "TICO" and a Sclerometre. Keywords: Building stones, P-wave velocity, shock resistance, compressive strength, Morocco.

INTRODUCTION

La situation gographique particulire du Maroc, l'extrmit NW du continent africain, lui confre une gologie riche est varie. Plusieurs types de roches y existent et sont en grande partie exploites comme pierres de construction.

Les premires traces de l'exploitation des pierres marocaines pour la construction remontent l'poque romaine et se trouvent au voisinage des cits antiques de Volubilis, Lixus, Chellah D'anciennes extractions massives datent de l'poque des Almohades (XII-XIIIme sicles) et portent, notamment, sur les calcarnites et les calcaires consolids et mtamorphiss qui ont servi pour l'dification de leurs principaux monuments historiques, par exemple la Tour Hassan, la Quasbah des Oudayas (Rabat) ou la Mosque de la Koutoubia (Marrakech).

L'exploitation industrielle de la pierre au Maroc remonte au dbut du XXme sicle avec l'installation de grandes marbreries europennes, ce qui a contribu une expansion rapide de la production des marbres de la rgion du Maroc central. Cette production a atteint 19 000 tonnes en 1959 (Bouhaouli et al. 1979, Lamtahri 1979). Depuis cette date, le secteur marbrier a volu d'une manire lente et discrte avec une activit et une production trs fluctuantes (El Amrani & Hameur 2007, El Amrani et al. 2008).

Malgr l'norme potentialit du Maroc en pierres de construction, sa production annuelle oscille ces dernires annes autour de 250 000 tonnes, ce qui reste infime (< 0,4 %) par rapport la production mondiale qui dpasse les 60 millions de tonnes par an. A titre de comparaison, la production de certains pays, tels que l'Egypte et la Turquie, dpasse les 5 millions de tonnes par an.

Selon le rapport de Burzacchini et al. (2002), l'un des principaux problmes qui entravent le dveloppement de ce secteur rside en la raret des tudes techniques sur les pierres dimensionnelles du Maroc. Le prsent travail vient en rponse aux recommandations de ce rapport et vise le renforcement de la recherche applique sur les pierres de construction du Maroc en vue de les caractriser et de les promouvoir auprs des investisseurs nationaux et trangers, ce qui pourrait contribuer forcment la dynamisation du secteur de l'exploitation des pierres au Maroc, secteur qui peut jouer un rle fondamental dans le dveloppement socio-conomique national.

OBJECTIF ET METHODE

Onze varits de pierres marocaines, parmi les plus communes et les plus demandes sur le march, ont t slectionnes pour cette tude. Ce choix tient compte galement de la diversit des types ptrographiques

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(origine, composition, couleur, texture, structure). La rpartition gographique des chantillons slectionns est indique sur la figure 1. Un chantillon de marbre de Carrare (Italie) sur lequel existent de nombreuses donnes ptrophysiques, a t trait avec nos propres roches, comme pierre de rfrence.

1: Pierre de Sal2: Pierre de Ben Slimane3: Pierre de Taza4: Travertin d'El Ksiba5: Calcaire de Nador6: Calcaire d'Erfoud7: Marbre de O. Ykem8: Marbre de Khnifra9: Marbre de Bou Acila10: Granite d'Oulms11: Granite de Tafraoute

400 km

N

1

23

5

4

6

7

89

11

10

ERFOUD

TAZA

NADOR

KHENIFRA

BENI MELLAL

TAFRAOUTE

Figure 1. Rpartition gographique des pierres de construction

tudies.

La mthodologie adopte dans ce travail de caractrisation ptrophysique des pierres du Maroc est base sur deux principes essentiels : 1) une tude ptrographique et minralogique fine qui permet une bonne reconnaissance des matriaux tudis et ; 2) des tests physico-mcaniques non-destructifs, notamment la mesure des vitesses des ondes ultrasoniques l'aide d'un instrument de type "TICO" et la dtermination de la rsistance au choc l'aide d'un sclromtre digital (Fig. 2).

Les tests ptrophysiques ont t effectus sur des chantillons homognes, de mme forme et dimension (sur des prouvettes de 15x10x5 cm). Le protocole des manipulations est prcis sur le schma de la figure 3.

Echantillon brut Etude Ptrographique

Lame mince

-Structure et texture-Composition minrale-Mode volumique

Tests physiques

-Masse volumique-Densit-Absorption d'eau -Porosit

Eprouvette (15x10x5cm)

Schage l'tuve (110C / 24h)

Mesure des vitesses Vp(Tico)

Saturation l'eau

Mesure sur ch. sec (IRbsec)

Mesure sur ch. satur (IRbsatur)

Mesure sur ch. sec (Vps)

Mesure sur ch. satur (Vph)

t0

t1

tS

M0

M1

Mstemps masse

Mesure de le rsistanceaux chocs (Sclromtre)

t2 M2

Figure 3. Protocole des manipulations effectues lors de cette tude.

Figure 2. Instruments "TICO" et Sclromtre digital utiliss lors de

cette tude.

I.E. El Amrani & H. El Azhari Ptrophysique des pierres de construction

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Tableau I. Appellations, rfrences et donnes gnrales sur les chantillons de pierres de construction slectionnes pour cette tude (voir localisation sur la carte de la figure 1). Ct : calcite; Q : quartz ; Dol : dolomite ; Arg : aragonite ; Pl : plagioclase ; Or : orthose ; Bi : biotite ; Hm : hmatite ; Acc : minraux accessoires ; Grp : graphite ; Py : pyrite ; Fos : fossiles.

Appellation locale Rfrence Origine Composition Structure Granulomtrie Couleur Polissage

Pierre de Sal P-Sal Sdimentaire, dtritique

Q + Ct + Fos

Stratifie Moyenne Gris-beige

Faible

Pierre de Ben Slimane

P-Bsl Sdimentaire, dtritique

Q + Ct + Fos Homogne Moyenne - fine Beige-jaune

Moyen

Pierre de Taza P-Taz Sdimentaire, chimique

Ct recristallis Homogne Moyenne Gris-clair Moyen

Travertin d'El Ksiba T-Ksb Sdimentaire, chimique

Ct + Arg + Dol + Q

Vacuolaire Trs fine Beige claire

Bon

Calcaire de Nador C-Nad Mtamorphique Ct Homogne Trs fine Gris-blanc

Moyen

Calcaire dErfoud C-Erf Mtamorphique Ct + Fos Htrogne Fine grossire Brun-marron

Faible

Marbre de l'Oued Ykem

M-Ykm Mtamorphique Ct + Dol Marmorise Fine Gris et blanc

Bon

Marbre de Khnifra M-Khn Mtamorphique Ct + Dol Veine Fine Noir et blanc

Trs bon

Marbre de Bou Acila M-Bcl Mtamorphique Ct + Dol + Hm

Veine Fine Blanc-brun

Trs bon

Marbre de Carrare M-Car Mtamorphique Ct Grp Py Uniforme Moyen Blanche Trs bon

Granite d'Oulms G-Olm Magmatique plutonique

Q + Bi + Or + Pl + Acc

Homogne Grossier Grise Trs bon

Granite de Tafraoute G-Taf Magmatique plutonique

Q + Bi + Or + Pl + Acc

Homogne Grossier Rose Trs bon

PETROGRAPHIE ET MINERALOGIE

Aspect macroscopique

Les principales donnes gologiques sur les pierres tudies sont prsentes en annexe I. Le tableau I rcapitule leurs caractres ptrographiques macroscopiques (couleur, structure, granulomtrie, composition).

Observations microscopiques

L'tude des lames minces sous microscope polarisant apporte une bonne connaissance de la texture et de la composition minralogique des diffrents groupes de roches. Les descriptions des observations microscopiques prsentes ci-dessous, sont illustres par les micrographies places en annexe II.

Les roches sdimentaires

Les roches sdimentaires (pierres de Sal, Ben Slimane et Taza) sont composes d'lments dtritiques (fragments de roches et de minraux) et de bioclastes (fragments de coquilles) lis par une matrice essentiellement calcaire. De nombreux pores de taille et de forme gomtrique variables apparaissent entre les lments solides de la roche (annexe II, micrographies A, B et C). La nature des lments dtritiques et leur proportion par rapport aux bioclastes ainsi que l'abondance de la matrice changent considrablement d'un chantillon l'autre. La Pierre de Ben Slimane apparait nettement plus riche en bioclastes et ses pores sont en grande partie colmats par du quartz amorphe, ce qui implique son imprgnation tardive par des

fluides siliceux. La pierre de Taza s'avre moins poreuse que les autres calcarnites et montre une plus grande richesse en matriaux argileux. Par contre, la pierre de Sal est plus riche en grains de quartz et montre une porosit trs leve. Quant au travertin de Ksiba, il est form de calcite, aragonite et dolomite, soit en cristaux polygonaux et jointifs soit en grandes lamelles. L'imbrication de ces cristaux amnage des cavits de taille millimtrique centimtrique avec des formes souvent allonges et dont les parois sont tapisses par des concrtions de carbonates.

Les roches mtamorphiques

Le calcaire de Nador et la pierre d'Erfoud montrent un fond trs finement grenu, de nature micritique traduisant un trs faible degr de recristallisation du carbonate d'origine sdimentaire (annexe II, micrographies D et E). La roche montre soit des petites cavits remplies de cristaux de carbonates (calcite et dolomite) tardivement recristalliss (calcaire de Nador), soit de fossiles de diffrentes tailles, entirement calcitiss (pierre d'Erfoud).

Les marbres de l'Oued Ykem, Khnifra et Bou Acila montrent une plus grande granulomtrie avec des cristaux de calcite de taille micromtrique (sparites) mais dont le contour reste assez diffus (annexe II, micrographies F, G et H). Le degr de mtamorphisme de ces roches serait assez important, mais pas aussi lev pour permettre une parfaite recristallisation des carbonates, comme c'est le cas des marbres de Carrare (annexe II, micrographie I). Ce dernier montre une texture granoblastique compose de cristaux polygonaux et jointifs de calcite dont la taille peut atteindre le millimtre. A noter galement la forte compaction et


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l'absence de pores sur ces roches carbonates plus ou moins recristallises.

Les roches magmatiques

Les granites montrent une texture grenue moyenne grossire, parfois porphyrique. Ils sont composs essentiellement de quartz, plagioclases (oligoclase-andsine), d'orthose et de biotite (annexe II, micrographies J, K et L). Le granite d'Oulms renferme, en outre, une faible proportion de muscovite. Des minraux accessoires (apatite, zircon, hmatite, ilmnite) y sont galement prsents. Certains facis montrent des plagioclases sricitiss et une chloritisation avance de leurs biotites (micrographie K), ce qui implique un dbut d'altration hydrothermale de la roche granitique.

PARAMETRES PHYSIQUES

Les principaux paramtres physiques des chantillons traits dans cette tude sont groups dans le tableau II. Nous rappelons ci-dessous la signification prcise de chaque paramtre et sa mthode de dtermination.

La duret

La duret est un paramtre physique qui a des implications importantes tout au long de la chane de production des pierres ornementales (extraction, sciage, polissage). Parmi les techniques les plus utilises pour l'valuation de la duret des roches, figurent celles qui expriment la rsistance de la roche au pincement par un outil en acier trs dur, telles que les mthodes de Brinell, de Rockwell, Vickers (Perrier 1997, 2004). Toutefois, la mthode la plus proche de la ralit et la plus facile mettre en uvre est celle qui utilise l'chelle de duret de Mohs pour estimer la duret de la roche travers celle de leurs minraux constitutifs.

Pour une roche monominrale, la duret est gale celle du minral constitutif : la duret d'un calcaire est gale 3 (duret de la calcite sur chelle de Mohs = 3) ; celle d'une quartzite est gale 7 (quartz = 7)

Pour les roches composes de plusieurs minraux, on tiendra compte de la duret et de la proportion volumique de chaque minral (mode volumique). Ainsi, la duret d'un granite compos de 50 % de feldspath (duret Fed = 6), 35 % de quartz (duret Q = 7) et 25 % de micas (duret Mic = 3) est calcule comme suit

[Dgranite = (50 x 6 + 35 x 7 + 25 x 3)/100 = 6,2]. Le tableau II montre que parmi l'ensemble des roches

tudies, les granites d'Oulms et de Tafraoute sont les plus durs (6,1 6,6). Le groupe des calcarnites (pierres de Sal, Ben Slimane et Taza), riches en grains de quartz, est de duret plus faible que celle du granite (d = 3,5 5,0) mais nettement suprieure celle des calcaires et des marbres (d = 3 4).

La masse volumique et la densit

La masse volumique (densit apparente) est dtermine directement en calculant le rapport de la masse de l'chantillon sec, mesure l'aide d'une balance de prcision, sur son volume. Ce dernier est facile dterminer

pour des chantillons de forme et de dimensions bien dfinies. La densit relle est dtermine en mesurant le quotient de la masse de l'chantillon par la masse du mme volume d'eau distille. Le volume d'eau quivalent au volume de l'chantillon est obtenu en plongeant l'chantillon compltement satur dans un rcipient gradu.

Le tableau II montre que la masse volumique et la densit sont dans la majorit des cas comparables, sauf pour certaines roches sdimentaires (ex. pierre de Ben Slimane) o on note une diffrence notable de l'ordre de 0,6. Compars entre elles, les roches calcaires et marbres prsentent des densits assez stables, largement comprises entre 2,67 et 2,78, et qui sont trs proches de celle de la calcite (2,71). La densit des granites est lgrement plus faible (2,57 2,68), en relation directe avec la densit de leurs principaux constituants (quartz : 2,65; feldspaths : 2,55 2,76 ; micas : 2,7 3,3). Le groupe des roches sdimentaires affiche les plus faibles densits (1,7 2,5), vraisemblablement en relation directe avec leurs porosits leves.

La porosit

La porosit contrle tous les autres paramtres physiques de la roche (densit, permabilit, absorption d'eau, conductivit lectrique et thermique). Elle correspond au rapport du volume total des pores sur le volume total de la roche et s'exprime en pourcentage. Dans la pratique, seule la porosit ouverte d'une roche est mesurable. L'espace amnag entre les grains et par les microfissures est souvent comptabilis avec le volume de la porosit ouverte. La porosimtrie mercure est la mthode la plus largement utilise ; elle consiste mesurer le volume de mercure susceptible d'tre absorb par une roche (par injection haute pression sous vide). Dans ce travail, nous avons utilis la porosimtrie l'eau distille au lieu du mercure, mais suivant le mme principe, et qui donne galement des rsultats comparables.

Le tableau II rvle la forte porosit des roches sdimentaires, notamment les pierres de Sal et de Ben Slimane (respectivement 24 et 15 %). La Pierre de Taza et le travertin de Ksiba sont relativement moins poreux (7 et 5 %). Les deux granites prsentent une porosit assez faible qui ne dpasse pas 1,3 %, tandis que les calcaires affichent les porosits les plus faibles, avec toutefois une porosit minimale (0,3 %) dans les marbres (Oued Ykem, Khnifra, Bou Acila) et qui savre mme lgrement infrieure celle du marbre de Carrare (0,41 %).

L'absorption d'eau

L'absorption d'eau traduit la quantit d'eau maximale que peut absorber une roche. La capacit d'absorption d'eau des pierres tudies a t mesure selon le protocole suivant : l'chantillon est sch l'tuve (110C pendant 24 heures) puis on mesure sa masse (M0). Il est ensuite immerg dans l'eau distille pendant plusieurs heures jusqu' saturation complte et on mesure sa masse Ms. Le pourcentage d'absorption d'eau est calcul comme suit

A = [100(MsM0)/M0]


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Tableau II. Paramtres physiques et mcaniques des pierres de construction du Maroc faisant lobjet de cette tude. dRcu = [100 (Rcu sec Rcu saturation) / Rcu sec].

Rcu (MPa) Appellation locale Rf. Duret (Mohs)

Mas. volm (g/cm3)

Densit Porosit (%)

Abs. d'eau (%) sec satur

dRcu (%)

Pierre de Sal P-Sal 4,2 1,93 1,72 23,90 12,37 57 49 14 P. de B. Slimane P-Bsl 5,0 2,09 2,34 14,59 7,00 70 62 11 Pierre de Taza P-Taz 3,5 2,54 2,54 5,20 2,06 68 55 19 Trav. d'El Ksiba T-Ksb 3,0 2,31 2,47 6,90 3,00 62 57 08 Calcaire de Nador C-Nad 3,0 2,66 2,67 0,38 0,14 78 65 17 Calcaire dErfoud C-Erf 3,0 2,73 2,74 0,72 0,26 63 58 08 Marbre dO. Ykem M-Ykm 3,5 2,71 2,72 0,34 0,13 98 88 10 Marbre Khnifra M-Khn 3,4 2,78 2,78 0,25 0,09 100 89 11 Marbre de Bou Acila M-Bcl 4,0 2,76 2,73 0,28 0,10 92 77 16 Marbre de Carrare M-Car 3,0 2,75 2,75 0,41 0,15 97 82 15 Granite d'Oulms G-Olm 6,1 2,43 2,57 1,21 0,50 173 153 12 Granite Tafraoute G-Taf 6,6 2,59 2,68 1,33 0,52 162 135 17

Le tableau II montre que les roches sdimentaires sont les plus absorbantes avec leur tte la pierre de Sal (12 %), puis celle de Ben Slimane (7 %). L'absorption du travertin de Ksiba et de la pierre de Taza est nettement plus faible (respectivement 3 et 2 %). Les deux varits de granites affichent une absorption trs rduite (0,5 %), tandis que l'absorption des calcaires mtamorphiques ne dpasse pas 0,15 %.

La rsistance la compression uniaxiale

La rsistance la compression simple ou uniaxiale (Rcu) est l'un des tests les plus utiliss pour dfinir la performance mcanique des roches. Le principe consiste craser un chantillon de roche entre les plateaux d'une presse puissante. La Rcu est dtermine partir du moment o l'chantillon montre les premiers signes de destruction (fissuration et clatement). Elle correspond une force ou une contrainte par unit de surface et s'exprime gnralement soit en Kgf/cm2 ou en MPa (1MPa = 10 Kgf/cm2). La taille et la forme de l'chantillon influencent considrablement la mesure de la Rcu, do la recommandation d'effectuer la mesure sur des prouvettes de forme cylindrique et d'une hauteur 2,5 fois suprieure au diamtre (Perrier 2002). Les tests sont effectus gnralement sur des chantillons secs. La saturation en eau abaisse, d'une manire parfois substantielle (jusqu' 50 %) la Rcu des roches (Lvque 1984, Flix 1991).

Les mesures de la Rcu sec et saturation (Tab. II) indiquent des variations importantes d'un groupe de roches l'autre. En termes de valeurs relatives, les roches sdimentaires prsentent des Rcu sec assez faibles (57 70 MPa) et s'avrent nettement moins rsistantes que les roches calcaires mtamorphises (92 100 MPa), qui sont leur tour moins rsistantes que les granites (150 170 MPa). Par ailleurs, la saturation l'eau rduit la Rcu d'une manire trs slective. Les coefficients de perte de rsistance aprs saturation (dRcu) varient largement : 8 19 % dans les roches sdimentaires ; 10 15 % dans les

roches mtamorphiques ; et 12 17 % dans les roches granitiques.

VITESSE DES ONDES P

La vitesse de propagation des ondes ultrasoniques (ondes de compression ou primaires = Vp) dpend des constantes lastiques du matriau ( : Module de Young et : coefficient de poisson) et de la densit (). Dans le cas prcis des roches, ces paramtres physiques sont troitement lis la nature ptrographique, la porosit et au degr de saturation (Guguen & Palciauskas 1992). De nombreux travaux ont t raliss ces dernires annes, dans le but de dterminer les proprits physico-mcaniques des roches partir des mesures de leur vitesse des ondes P (Inoue & Ohomi 1981, Babuska & Pros 1984, Gaviglio 1989, Kern 1993, Barruol & Kern 1996, Karpuz & Pasamehmetoglu 1997, Kahraman 2001, 2007, Del Rio et al. 2006, Kahraman & Yeken 2008). L'avantage de cette technique, notamment dans le domaine de lingnierie et de la construction en pierre, tient au fait quelle est non-destructive et permet davoir des informations fiables et en trs peu de temps.

Les mesures des Vp ont t dtermines l'aide d'un instrument lger de type "TICO" (Fig. 2) compos d'un gnrateur central de vibrations (0,1 6 500 s; 1 impulsion/s) et de 2 transducteurs (45 kHz) servant d'metteur et de rcepteur. Elles ont t effectues dans les mmes conditions sur des chantillons de mme dimension (Fig. 3). Deux sries de mesures ont t effectues (Tab. III) : sur des chantillons secs et suivant deux directions perpendiculaires : Vpl (suivant la longueur = 15 cm) et Vpe (suivant l'paisseur = 5 cm) ; sur des chantillons d'abord schs l'tuve (Vps) et saturs l'eau distille (Vph).

La premire srie de mesures indique des valeurs de Vp comprises entre 3 et 6 km/s, qui sont compatibles avec celles gnralement indiques dans la littrature sur la


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majorit des roches cohrentes (Perrier 2002, Kahraman 2007). Des variations de mme grandeur sont enregistres, pour certains chantillons, suivant la direction de mesure. Cette variation, exprime par le paramtre dVpl-e (Tabl. III), serait due une anisotropie de la roche (stratification, schistosit) et/ou la prsence de fissures. Les valeurs des Vp peuvent varier galement selon

l'orientation de la direction de propagation par rapport aux plans de l'anisotropie de la roche. Dans les roches calcaires, l'orientation des microfissures perpendiculairement la direction de propagation des ondes entraine une rduction des valeurs des Vp de l'ordre de 17 20 % (Birch 1960, Gaviglio 1989, Perrier 2002).

Tableau III. Vitesses de propagation des ondes ultrasoniques (Vp en km/s) dans les chantillons de pierres de construction du Maroc.

Vpl : mesure suivant la longueur (15 cm) ; Vpe : mesures suivant l'paisseur (5 cm) ; Vps : mesure sur chantillon sec ; Vph : mesure sur chantillon satur. dVpl-e : [100(Vpmax Vpmin) / Vpmax] ; dVps-h : [100(Vph Vps) / Vph].

Air ambiant Appellation locale Rfrence Vpl Vpe

dVpl-e (%)

Sec Vps

Satur Vph

d'Vps-h (%)

Pierre de Sal P-Sal 3,53 3,00 15,01 3,32 3,78 12,17

P. de B. Slimane P-Bsl 3,17 3,76 15,69 3,25 3,71 12,40

Pierre de Taza P-Taz 4,40 3,53 19,77 4,36 4,90 11,02

Trav. d'El Ksiba T-Ksb 5,03 4,17 17,10 4,73 5,44 13,05

Calcaire de Nador C-Nad 6,17 6,29 1,91 6,17 6,28 1,75

Calcaire dErfoud C-Erf 5,68 6,22 8,68 5,63 5,88 4,25

Marbre dO. Ykem M-Ykm 5,64 4,12 26,95 6,05 6,33 4,42

Marbre Khnifra M-Khn 5,25 3,50 33,33 6,12 6,30 2,86

Marbre de Bou Acila M-Bcl 5,79 5,99 3,34 5,97 6,19 3,55

Marbre de Carrare M-Car 4,89 5,29 7,56 4,68 5,02 6,77 Granite d'Oulms G-Olm 3,98 4,18 4,78 4,09 5,09 19,65

Granite Tafraoute G-Taf 4,11 4,37 5,95 4,00 5,03 20,48

Les roches sdimentaires, avec des dVpl-e de l'ordre de 15 20 % s'avrent assez htrognes, ce qui serait li leur mode de gense et leur composition. Les calcaires, marbres et granites sont relativement plus homognes (dVpl-e infrieurs 8 %) sauf dans le cas des marbres de l'Oued Ykem et Khnifra o leur dVpl-e dpasse 33 %. Du point de vue ptrographique, ces deux varits de marbres prsentent une forte htrognit structurale avec une abondance de micro-joints de calcite anastomoss.

Les mesures des Vp sec (Vps) et aprs saturation (Vph) ont t ralises sur le mme chantillon et suivant la mme direction (L = 15 cm) pour liminer l'effet de l'anisotropie. Les rsultats de ces mesures (Tab. III) montrent, tout d'abord, que les Vph sont systmatiquement plus leves que les Vps, ce qui indique que l'eau retenue par la roche fait augmenter la vitesse de propagation des ondes ultrasoniques. Ce constat corrobore les rsultats des travaux antrieurs (Willy et al. 1956, Thill & Bur 1969, Nur & Simmons 1969, Gregory 1976).

Le taux de variation des Vp entre l'tat sec et satur (dVps-h) varie largement dun groupe de roches lautre ; il apparat trs faible dans le cas des calcaires et des marbres (2 7 %), moyen dans les roches sdimentaires (11 13 %) et assez lev dans les granites (20 %).

RESISTANCE AU CHOC La rsistance au choc (Rch) exprime laptitude dune

pierre de construction, taille en dalle de faible paisseur (2 cm), rsister un choc superficiel brutal. Sa dtermination selon une ancienne norme italienne consiste

placer une dalle de pierre de 20x20x3 cm sur un lit de sable de 10 cm, puis de faire tomber dessus une sphre dacier de 1 kg depuis des hauteurs croissantes. La Rch correspond la hauteur en cm partir de laquelle la dalle se brise. A titre indicatif, les Rch sont de lordre de : 26 34 cm pour une pierre calcaire ; 31 79 cm pour le marbre de Carrare ; 58 72cm pour les granites (Perrier 2002). La rsistance au choc ne correspond ni la duret de la roche ni sa rsistance la compression, toutefois des relations troites existent entre ces trois paramtres (Katz et al. 2000, Kahraman 2001, 2007).

La rsistance au choc peut tre mesure laide d'un sclromtre ou marteau de Schmidt. Il sagit dun instrument portable, conu l'origine pour effectuer des tests non-destructifs sur le bton mais dont le champ d'utilisation s'est rapidement largi aux roches (Katz et al. 2000, Kahraman 2001, 2007, Del Rio et al. 2006, Goudie 2006, Kahraman & Yeken 2008, Trk 2008). Son principe repose sur la mesure de la hauteur de rebond d'une masse aprs son impact sur la surface tester. La valeur de rebond (ou indice de rebond : IRb) est d'autant plus leve que la duret de la surface est grande. Ainsi, on admet que la Rch est directement proportionnelle l'IRb.

Nos tests ont t effectus l'aide d'un sclromtre digital de type N (nergie d'impact = 2,207 Joules) sur les mmes chantillons utiliss pour la mesure des Vp (prouvette de 15x10x5 cm). Ceux-ci tant placs suivant leur plus grande surface (15 x 10 cm) sur une surface plane et rigide, le sclromtre est tenu verticalement avec sa tige dirige vers le bas (angle d'attaque = 90). Vingt


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percussions par chantillon, avec une distance de 2 cm entre chaque point d'impact, ont permis de calculer lindice de rebond (IRb) moyen. Deux sries de mesures ont t ralises (Fig. 3) : sur les chantillons schs 110C pendant 24 heures ; sur les chantillons saturs (tremps dans l'eau distille jusqu saturation).

Le tableau IV rcapitule les valeurs des IRb obtenues. La comparaison des valeurs brutes permet de faire une approche de la performance mcanique relative des roches tudies. Deux remarques peuvent tre formules :

1- Variation de la Rch selon la nature ptrographique. Les tests effectus sur le groupe des roches sdimentaires (calcarnite et travertin) rvlent des IRb assez faibles (< 21), ce qui implique une forte absorption de lnergie du choc par la surface de ces roches. La rptition des essais au mme endroit de la surface de la calcarnite provoque une pulvrisation de la matire minrale et montre une chute rapide des IRb aprs chaque essai. Les roches calcaires compactes (calcaires de Nador et d'Erfoud) enregistrent des

IRb nettement plus levs (30 35). L'impact de la tige du sclromtre enfonce lgrement la surface de la roche mais sans la dtruire. Les essais sur les marbres se distinguent par l'mission d'un son sec avec des IRb allant de 40 43. La surface des roches granitiques (Oulms et Tafraoute) montre une grande insensibilit limpact du sclromtre qui dgage une forte sonorit et indique des indices de rebond galement levs (39 43).

2- Rduction de la Rch avec la saturation. La saturation l'eau rduit la valeur des IRb de toutes les varits de roches tudies (Tabl. IV). La Rch semble ainsi voluer dans le mme sens que la rsistance la compression uniaxiale (Rcu), ce qui concorde avec les rsultats des travaux antrieurs (Lvque 1984, Flix 1991). Par ailleurs, le taux de rduction des indices de rebond en fonction de la saturation (dIRb) change d'une manire notable dun groupe de roches un autre. Il apparat lev dans les roches sdimentaires o il atteint 80 % dans le cas de la Pierre de Ben Slimane. Par contre, il est moins lev dans les granites (35 41 %). Ce taux est minimum dans les marbres o il ne dpasse pas 15 %.

Tableau IV. Indices de rebond au sclromtre (IRb) des pierres de construction du Maroc. dIRb = [100 (IRb sec IRb satur) / IRb sec].

Appellation locale Rfrence IRb sec IRb satur dIRb (%)

Pierre de Sal P-Sal 6 3 50

P. de B. Slimane P-Bsl 10 2 80

Pierre de Taza P-Taz 21 16 24

Trav. d'El Ksiba T-Ksb 15 11 27 Calcaire de Nador C-Nad 35 30 14 Calcaire dErfoud C-Erf 32 27 15 Marbre O. Ykem M-Ykm 40 37 08 Marbre Khnifra M-Khn 41 35 15 Marbre de B Acila M-Bcl 43 38 12 Marbre de Carrare M-Car 43 38 12 Granite d'Oulms G-Olm 39 23 41 Granite Tafraoute G-Taf 43 28 35

DISCUSSION

La prsente tude ptrophysique dgage la relation qui existe entre la ptrographie d'une roche et ses proprits physico-mcaniques et corrobore ainsi les rsultats de ces dernires annes sur ce sujet (Barruol & Kern 1996, Karpuz & Pasamehmetoglu 1997, Kahraman 2001, 2007, Del Rio et al. 2006, Kahraman & Yeken 2008, Goudie 2006, Trk 2008, obanoglu & elik 2008). Les courbes de la figure 4 apportent des prcisions sur les tendances des corrlations entre les diffrents paramtres. Les roches sdimentaires (pierres de Sal, Taza et Ben Slimane), porosit leve, montrent des densits relativement faibles et une grande capacit retenir l'eau. Par contre, les calcaires et les marbres, relativement plus compacts, sont moins poreux et faiblement absorbants. Les 2 varits de granite tudies, de densit plus faible que les marbres, sont porosit et absorption d'eau sensiblement plus levs. Cela serait li,

en partie leur nature minralogique et leur structure, mais aussi laltration de leurs feldspaths ; la sricitisation des plagioclases du granite d'Oulms, bien visible l'chelle microscopique, agit sur la structure de la roche et fait augmenter son taux d'absorption (El Amrani 1994).

Du point de vue mcanique, la saturation en eau rduit la rsistance la compression uniaxiale (Rcu) de toutes les varits de roches (Lvque 1984). Cette rsistance augmente en allant des roches sdimentaires vers les marbres puis les granites. La forte Rcu de ces derniers serait lie leur duret (6,1 6,6 ; Tab. II) et leur texture magmatique grenue, ce qui explique leur plus grande performance mcanique par rapport aux marbres, de duret plus faible (3 4) et texture granoblastique. Les 3 varits de marbres marocains (O. Ykem, Khnifra et Bou Acila) prsentent des proprits physico-mcaniques trs comparables celles des marbres italiens de Carrare.


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Calcarnite ; Travertin ; : Calcaire; : Marbre ; : Marbre de Carrare (rfrence) ; : Granite Figure 4. Evolution des paramtres physico-mcaniques en fonction de la nature ptrographique des pierres de construction tudies.

Les courbes de la figure 5 rvlent des relations trs nettes entre les paramtres Vp, IRb, Rcu et la porosit. Les Vp augment sensiblement avec la rduction de la porosit, ce qui permet de distinguer les roches sdimentaires des calcaires et des marbres. Les granites ne semblent pas suivre la mme tendance puisqu'ils affichent des Vp assez faibles (4 km/s) alors que leurs porosits sont voisines de celles des marbres, pour lesquels les Vp varient autour de 6 km/s. Concernant les variations des Vp en fonction de Rcu, une corrlation positive apparait pour toutes les roches sauf les granites (Fig. 5). Les valeurs des IRb montrent les mmes tendances que les Vp avec la porosit et la Rcu. A noter l aussi la position dcale des granites par rapport aux roches sdimentaires et mtamorphiques.

Nous retenons ainsi des diagrammes de la figure 5 que les vitesses de propagation des ondes ultrasoniques ainsi que les rsistances aux chocs sont directement lies la nature ptrographique et structurale des roches. Toutefois, la logique qui lie ces paramtres ne semble pas tre la mme pour toutes les roches ; les rgles rgissant les relations des roches sdimentaires et mtamorphiques, qui sont pour l'essentiel de nature carbonate, seraient bien distinctes de celles des roches granitiques. Des travaux antrieurs indiquent, en effet, que la chute des Vp en fonction de la porosit est plus forte dans les granites que dans les roches carbonates et les grs (Guguen & Palciauskas 1992, Perrier 2002, Yasar & Erdogan 2004).

Les varits de marbres marocains, notamment ceux de lOued Ykem, de Khnifra et de Bou Acila, se distinguent nettement de la varit de marbre de Carrare par des Vp plus leves (6 contre 5 km/s). Etant donn que les deux marbres ont pratiquement les mmes compositions, les mmes porosits et des Rcu comparables, cette diffrence de Vp serait lie la prsence dans le marbre de Carrare de veinules gristres, riches en graphite et pyrite, qui seraient vraisemblablement responsables du ralentissement de la vitesse de propagation des ondes P.

Certains auteurs antrieurs ont essay de quantifier la relation entre les trois paramtres Vp, IRb et Rcu (Gaviglio 1989, Yasar & Erdogan 2004, Kahraman 2007, Kahraman & Yeken 2008). Des quations mathmatiques ont ainsi t proposes pour calculer thoriquement la Rcu des roches partir de la mesure de leurs vitesses de propagation des ondes ultrasoniques et de leurs indices sclromtriques.

Notre investigation sur les pierres marocaines, dans ce sens, confirme l'troite relation qui lie ces trois paramtres. Le diagramme Vp vs IRb montre une bonne corrlation linaire et positive (y = 10,75x 25; R2 = 0,72). Le choix de projeter l'ensemble des roches tudies sur l'espace Rcu vs (IRb/Vp) nous semble intressant ; il permet de dgager deux droites dquations linaires selon les types de roches prises en considration (Fig. 6) :

[1] (IRb/Vp) = 0,111Rcu 3,335 (R2 = 0,704), en considrant uniquement les roches carbonates

Densit Porosit (%)

Absorption d'eau (%) Rcu sec (MPa)

Rcu saturation (MPa)


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sdimentaires et mtamorphiques dont le rapport IRb/Vp est gnralement inferieur 9 ;

[2] (IRb/Vp) = 0,062.Rcu + 0,395 (R2 = 0,733), en considrant lensemble des roches, aussi bien les carbonates que les granitiques dont le rapport IRb / Vp est

suprieur 9. Ces deux quations sont d'un grand intrt pratique

puisqu'elles permettent de dterminer la Rcu d'une roche partir de la connaissance de sa vitesse ultrasonique (Vp) et son indice de rebond au sclromtre (IRb).

Figure 5. Variation des Vp et des IRb en fonction de la porosit et de la Rcu (mme lgende que Fig. 4).

Figure 6. Relation Vp IRb et volution de la Rcu en fonction du rapport (IRb/VP) (mme lgende que Fig. 4)

CONCLUSION

Les 11 chantillons slectionns pour cette tude reprsentent les principales varits de pierres de construction exploites au Maroc. Ils sont de nature ptrographique diffrente (calcarnite, travertin, calcaire consolid, marbre, granite) et se distinguent les unes des autres par leur coloration, structures, composition

Cette tude intgre a permis de bien dgager la relation qui existe entre leur nature ptrographique et leurs

proprits physico-mcaniques. Les calcarnites, porosit leve, montrent des densits relativement faibles et une grande capacit d'absorption d'eau. Les calcaires et les marbres, relativement plus compacts sont plus faiblement poreux et moins absorbants. Les deux granites marocains affichent une densit lgrement plus faible que les marbres et une absorption d'eau sensiblement plus leve, ce qui serait li en partie l'altration de leurs feldspaths. Du point de vue mcanique, la Rcu, troitement lie la duret et la compaction, augmente en allant des roches sdimentaires

y = 0,111x - 3,355 ; R2 = 0,704

y = 10,75x 25

R2 = 0,719

(1)

(1)

(2)

(2) y = 0,062x + 0,395

R2 = 0,733


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(< 70 MPa) vers les marbres (90 100 MPa) puis les granites (> 150 MPa). Cette rsistance baisse avec la saturation en eau de 8 17 % selon les roches.

Lutilisation des mthodes non-destructives, bases sur la mesure des vitesses des ondes ultrasoniques (Vp) et de la rsistance au choc travers lindice de rebond du sclromtre (IRb) ont permis dtablir des corrlations trs nettes entre les principaux paramtres (ptrographie, porosit, Rcu, Vp et IRb).

Parmi lensemble des corrlations, celle reliant le rapport (IRb/Vp) la Rcu nous semble trs intressante. Elle permet de dgager deux droites dquations linaires :

[1] (IRb/Vp) = 0,111Rcu 3,335 (R2 = 0,704), valable pour toutes les roches carbonates sdimentaires et mtamorphiques dont le rapport IRb/Vp est inferieur 9 ;

[2] (IRb/Vp) = 0,062Rcu + 0,395 (R2 = 0,733), valable pour lensemble des roches, aussi bien les carbonates que les granitiques dont le rapport IRb/Vp est suprieur 9.

Ces quations prsentent lintrt de pouvoir dterminer la Rcu d'une roche donne, paramtre fondamental en gotechnique, partir des mesures in-situ et dune manire instantane de leur Vp et IRb.

Une recherche plus pousse, base sur un plus grand nombre de varits de roches, notamment dorigine magmatique, est envisageable pour conforter les rsultats de cette tude. Remerciements

Nous tenons remercier vivement l'Etablissement BEN THAMI du Marbre et de Pierres Sculptes (Sal) de nous avoir fourni les chantillons de roches ncessaires pour cette tude. Nous exprimons galement notre gratitude aux professeurs Raymond PERRIER et Lahcen BAHI sur leurs remarques et suggestions constructives.

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Manuscrit reu le 9 novembre 2009

Version accepte le 31 dcembre 2009


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ANNEXE I Donnes gologiques et situations gographiques des pierres de construction du Maroc faisant l'objet de cette tude.

1- Les roches sdimentaires

Pierre de Sal (P-Sal)

Il s'agit d'une biocalcarnite appartenant aux cordons dunaires, d'ge plio-quaternaire, qui s'tendent paralllement la cte atlantique, entre El Jadida et Larache. Roche compacte, de teinte gris-beige, grains de quartz millimtriques et fragments de coquilles lis par un ciment calcaire. Elle montre des niveaux de stratification (S0) avec variations locales de la taille des grains, de la compacit et de l'abondance des fragments de coquilles.

Provenance de l'chantillon : Sidi Bou-Knadel, quelques km au Nord de Sal.

Pierre de Ben Slimane (P-Bsl)

C'est un grs calcaire faisant partie des cordons dunaires atlantiques d'ge pliocne. En surface, la roche montre une crote noirtre avec de nombreuses cavits de dissolution. La roche frache est de teinte beige clair, grain fin, assez compacte et d'une tnacit suprieure celle des calcarnites ordinaires. Cette tnacit serait due une silicification tardive de la roche, se traduisant par un remplissage des pores par du quartz amorphe. Provenance de l'chantillon : Carrire de Tlat de Ben Slimane.

Pierre de Taza (P-Taz)

Cest un grs calcaire du Miocne terminal, appartenant la srie transgressive qui repose sur les schistes palozoques de Tazekka. D'aspect conglomratique la base, il passe vers des grs-calcaires homognes, puis des marnes. La srie montre de nombreuses variations verticales et latrales. La roche exploitable est grain moyen et de teinte grise beige-verdtre avec, localement, des niveaux htrognes avec des nuances grises, d'aspect ondul.

Provenance de l'chantillon: Carrires de l'Oued Amlil.

Travertin d'El Ksiba (T-Ksb)

Facis calcaire continental, affleurant dans diffrentes rgions du Maroc central (M'Rirt, El Ksiba) en masses contour irrgulier et de taille dcamtrique kilomtrique. Son ge est PliocneQuaternaire. Couleur blanche gristre, et aspect concrtionn caverneux, avec de nombreuses vacuoles. Ces dernires sont souvent tires paralllement au plan du dpt de la masse de travertin qui montre souvent une structure lite.

Provenance de l'chantillon : Rgion d'El Ksiba, au NNE de Beni Mellal.

2- Les roches mtamorphiques

Calcaire de Nador (C-Nad)

Roche calcaire associe aux schistes, grs et quartzites des formations mtamorphiques d'ge palozoque du Rif nord-oriental. Elle est de teinte beige clair, grain fin et d'aspect marmoris. Localement, elle prsente des traces de microorganismes, des vacuoles et des microfissures qui lui donnent une certaine htrognit et fragilit. La roche est difficilement polissable en raison de son faible degr de mtamorphisme.

Provenance de l'chantillon : NW de Nador, vers la mer Mditerrane.

Calcaire (Pierre) d'Erfoud (C-Erf)

Il s'agit d'un calcaire plagique du Dvonien infrieur (Emsien) de l'Anti-Atlas oriental. La roche est brun marron violace, grain fin et montre une forte richesse en fossiles (Goniatites et Orthocres) de grande taille. Des joints de calcite parcourent localement la roche. La faible recristallisation du calcaire rend les dalles assez fragiles et facilement rayables, do le recours des traitements de surface par des rsines protectrices.

Provenance de l'chantillon : Carrires situes au SE d'Erfoud.


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Marbre de l'Oued Ykem (M-Ykm)

Calcaire massif du Dvonien moyen qui constitue, avec les schistes, les conglomrats et les quartzites du Dvonien suprieur et du Carbonifre infrieur, le socle palozoque affleurant au niveau de l'Oued Ykem. La couche de calcaire exploitable se prsente en bancs mtriques. La roche est massive, gris clair fonc avec une trame dense de veinules blanches. Sa grande duret traduit une importante recristallisation et dolomitisation.

Provenance de l'chantillon : Carrire prs de l'autoroute Rabat-Casablanca.

Marbre de Khnifra (M-Khn)

Calcaire massif, d'ge dvonien suprieur, qui se prsente en bancs peu pais et fortement inclins vers l'Ouest. La roche, faiblement mtamorphique, est de couleur grise noire et parfois d'aspect griottes ou noduleux. Localement, elle renferme des concentrations de fossiles (Cphalopodes, Conodontes). La varit noire, trs recherche, montre un aspect compact et une trame de microfissures dont certaines sont remplies de calcite blanche.

Provenance de l'chantillon : Carrire quelques km l'Ouest de Khnifra

Marbre de Bou Acila (M-Bcl)

Calcaire massif, du Cambrien infrieur affleurant au sein d'un puissant complexe volcano-sdimentaire d'ge prcambrien III de l'anticlinal de Bou Acila-Ourhdad. Il s'agit d'un banc de calcaire pimtamorphique d'une centaine de mtres d'paisseur, montrant un fond blanc laiteux, grain fin et sur lequel se dtache une trame assez dense de veines rouge-brique. La roche tient un trs bon poli et montre, malgr sa trame veineuse, une trs grande duret.

Provenance de l'chantillon : Carrire situe quelques km de Bou-Acila.

Pierre de rfrence

Marbre de Carrare (M-Car)

Les clbres marbres de Carrare, affleurent dans les Alpes Apuanes d'Italie sous forme d'une "boutonnire" au sein de la nappe plisse de la Toscane. Ils sont attribus au Lias et prsentent une puissance allant jusqu' 500 m. Ils montrent localement une dformation intense et un mtamorphisme rgional de degr lev. Diffrents facis sont distingus: tachet, vein, nuageux L'chantillon choisi appartient la varit veine (Venato).

Provenance de l'chantillon : (Marbrerie) marbre import de l'Italie.

3- Les roches magmatiques

Granite d'Oulms (G-Olm)

Le granite d'Oulms affleure dans le massif central marocain. C'est un granite gris deux micas, dat 2624Ma (Permien infrieur) et serait li la fin de l'activit de l'orogense hercynienne. La roche est homogne et prsente une texture grenue isogranulaire. Le cur du pluton est affect par une importante arnisation, tandis que les facis de bordure, grain fin, montrent des dformations associes des altrations hydrothermales. Provenance de l'chantillon : Carrire situe au Centre-Est du pluton d'Oulms..

Granite de Tafraoute (G-Taf)

Le pluton de Tafraoute affleure en masse subcirculaire dans la boutonnire prcambrienne de Kerdous, situe 100 km au SE d'Agadir. C'est un granite rose biotite, dat 54910 Ma (Cambrien infrieur). Il apparait sous forme de grand piton trs fractur et dsagrg en boules gantes. La roche prsente une teinte rose et une texture grenue grossire, avec toutefois des tendances vers des teintes gris clair et un grain plus fin. Provenance de l'chantillon : Grande carrire situe prs du centre de Tafraoute.


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ANNEXE II

Micrographies des pierres de construction du Maroc tudies

Observations ralises en lumire polarise et analyse

Pierres d'origine sdimentaire : (A) pierre de Ben Slimane ; (B) pierre de Taza ; (C) travertin de Ksiba.

Pierres d'origine carbonate faiblement mtamorphiques : (D) calcaire de Nador ; (E) pierre d'Erfoud ; (F) marbre de l'Oued Ykem.

Pierres d'origine carbonate bien recristallises: (G) marbre de Khnifra ; (H) marbre de Bou Acila ; (I) marbre de Carrare.

Pierres d'origine magmatique : (J) granite d'Oulms frais ; (K) granite d'Oulms altr ; (L) granite de Tafraoute frais.

0,3mm A 0,3mm B 0,3mm C

0,3mm D 0,3mm E 0,3mm F

1mm G 1mm H 1mm I

2mm J 2mm K 2mm L

Etude pétrophysique au Maroc

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