Cours de Géologie :)

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Environnements et processus sédimentaires


1. L'OCEAN

1.1. Physiographie

L'océan occupe 72% de la surface de la Terre, soit à peu près 360 106 km2 pour un volume de l'ordre de 1320 106 km3. L'altitude moyenne des continents est de +840 m, tandis que la profondeur moyenne des océans est de -3800 m. La topographie des océans montre l'existence de grands ensembles morpho-structuraux: la plate-forme continentale et son talus, constituant la marge continentale, le bassin océanique, les dorsales et les monts sous-marins (Fig. VII.1).

Fig. VII.1: physiographie des océans le long d'un transect schématique E-W.

  

L'évolution post-dépôt


Dans l'évolution post-sédimentaire, il est possible de distinguer un certain nombre de grandes étapes, qui vont se succéder au cours du temps et amener des modifications de plus en plus importantes du sédiment originel. On distinguera donc ci-dessous la pédogenèse (développement d'un sol) qui peut intervenir lorsqu'un sédiment est émergé; la compaction, qui consiste d'abord en une expulsion d'eau suite à la surcharge provoquée par l'accumulation des sédiments et la diagenèse qui concerne surtout des phénomènes (bio)chimiques de dégradation de la matière organique et de dissolution et cristallisation. On abordera aussi, de manière brève, le problème de la fossilisation et de la perte d'information qu'il représente.

1. PEDOGENESE

1.1. Généralités

Une attention particulière doit être accordée aux transformations susceptibles d'affecter un sédiment lors de son évolution en milieu continental. De tels témoignages d'émersion doivent absolument être mis en évidence, notamment pour leur intérêt paléogéographique.

La pédogenèse correspond au développement d'un sol sur un substrat minéral. Ce processus est en général long (plusieurs milliers d'années) et peut aboutir à différents types de sols en fonction du substrat, du climat (voir chapitre II) et de la durée de la pédogenèse. Nous allons prendre un profil idéalisé comme exemple (Fig. VI.1) et passer en revue les différents horizons pédologiques et les processus dominants qui y sont observés.

Figure VI.1: profil idéalisé dans un sol, montrant les différents horizons et les processus qui y sont observés. D'après Konhauser (2007), modifié.

  

Le dépôt


Le dépôt des sédiments a lieu lorsque la vitesse de l'agent de transport diminue ou lorsque cet agent de transport disparaît (fonte de la glace). La granulométrie des particules, la texture des sédiments, la géométrie des dépôts sont d'importants indices sur l'agent de transport, sa vitesse au moment du dépôt, sa direction, etc.

Les grains se déposent avec leur face plane parallèle au lit sédimentaire. Ils montrent souvent un phénomène d'imbrication. Les grains allongés sont stables quand leur grand axe est parallèle à la direction du courant.

Envisageons d'abord le cas des dépôts glaciaires.

1. LES MORAINES

Les moraines sont des formes d'accumulation laissées par les glaciers, lors de leur retrait ou de leur fonte totale. Contrairement aux formes d'érosion (voir ci-dessus), elles s'observent surtout dans la partie aval du système glaciaire. La caractéristique essentielle des dépôts morainiques est leur mauvais classement granulométrique, d'où le nom d'argile à blocaux qui leur est associé. Ce phénomène est la conséquence du mauvais pouvoir de classement de la glace (remarque: c'est aussi le cas des debris flows, voir ci-dessus). Les moraines ayant subi compaction et diagenèse sont appelées tillites.

A: argile à blocaux d'une moraine actuelle, Jostedalsbreen, Norvège. B: détail.

  

L'érosion


L'érosion correspond à la mobilisation des produits de l'altération. Une fois libérés, ces produits sont transportés par l'air, l'eau, la glace (...), laissant certaines "formes d'érosion" caractéristiques sur le massif rocheux soumis à l'altération. Nous envisagerons ci-dessous les plus courantes.

1. EROSION EOLIENNE

1.1. Déflation éolienne

Le vent soufflant sur une surface désertique balaie les particules les plus fines et peut faire apparaître la surface rocheuse (hamadas sahariennes). Lorsque le sol comporte des matériaux de taille variée (sols alluviaux, par exemple), la déflation élimine la fraction la plus fine, laissant sur place un désert pavé de cailloux (reg). Lorsque le sol est argileux, on observe la formation de longues rigoles métriques (yardangs). La déflation est responsable de la formation de grandes dépressions désertiques comme les chotts du Sahara ou les playas des déserts américains. La déflation s'exerce jusqu'à ce que le niveau hydrostatique soit atteint. A ce moment, elle s'arrête et il s'ensuit des surfaces planes s'étalant sur des centaines de kilomètres, souvent indurées par une croûte de sel.

A: surface désertique ayant subi la déflation éolienne, responsable de la concentration des éléments les plus grossiers (reg); B: détail montrant la coloration noirâtre et l'aspect brillant des cailloux: cette patine est le "vernis du désert". Hmar Laghdad, Anti-Atlas, Maroc.

  

Types d'altération


Si l'on examine un sable fluviatile dans la partie amont du bassin versant d'une zone où affleurent des granites (30 à 50% plagioclases, 5 à 35% FK, 5 à 10% quartz), on constatera paradoxalement que le quartz en est un minéral essentiel. Dans la partie aval du système fluviatile, il peut même être pratiquement seul. C'est l'altération qui est responsable de l'augmentation de la proportion de quartz (minéral résistant) dans les sédiments. En effet, les silicates de haute température (péridots, pyroxènes, plagioclases calciques...) sont vulnérables à l'altération car l'arrangement des tétraèdres de silice est peu organisé (néso- , soro- inosilicates).. Les minéraux de moyenne et basse température (inosilicates à deux chaînes, phyllo- et tectosilicates) sont plus résistants. Les verres, amorphes car figés à très haute température, sont les plus vulnérables. Donc, la vulnérabilité à l'altération des minéraux issus de la cristallisation d'un magma décroît proportionnellement à l'ordre de cristallisation précisé, entre autres, dans les séries réactionnelles de Bowen (autre manière d'exprimer les choses...). Dans le cas du quartz, il faut ajouter le fait que ce minéral possède aussi une bonne résistance aux chocs car il ne se clive pas.

L'altération a pour effet de décomposer une roche en (1) des ions solubles et des grains qui vont être mobilisés par l'érosion d'une part et (2) un dépôt résiduel d'autre part, demeurant sur place.

Les mécanismes responsables de l'altération, phénomène prenant place aux températures et pressions "faibles" régnant à la surface de la terre, sont l'altération physique, l'altération organique et l'altération chimique.

  

Processus sédimentaire dans le cycle géologique


Rappelons d'abord ce qu'est le "cycle géologique". Les roches peuvent être classées en trois grands groupes qui sont les roches ignées ou magmatiques, les roches sédimentaires et les roches métamorphiques. Les roches ignées résultent du refroidissement et de la cristallisation de magmas, issus soit du manteau, soit de la fusion de roches métamorphiques. Les roches métamorphiques résultent de la modification, par l'action de la chaleur et de la pression, de roches ignées ou sédimentaires, lesquelles proviennent de la lithification par diagenèse de sédiments. Comme ces sédiments proviennent de la désagrégation de roches sédimentaires, métamorphiques ou magmatiques, l'ensemble de ces phénomènes forme un cycle appelé "cycle géologique" (Fig. I.I). Dans le cours qui va suivre, on étudiera les étapes de ce cycle géologique impliquant les processus sédimentaires.

Figure I.I: le cycle géologique. 

  

Roches phosphatées


Outre l'apatite cristalline (minéral détritique), on trouve dans les roches sédimentaires l'apatite sous la forme de coprolithes et de fragments d'os et de dents. Ces fragments possèdent une couleur jaune d'or, sont isotropes et montrent souvent des structures de croissance.

Grains phosphatés (jaune orange), en lumière naturelle (à gauche) et en nicols croisés (à droite) (petit côté des microphotos~2,5 mm).

  

Roches Siliceuses


Quelques formes de la silice (roches sédimentaires)...

Quartz a

Rhomboédrique; n= 1,54-1,55; opt (+); extinction // allongement; incolore en lame; biréfringence faible; microquartz et mégaquartz.

Calcédoines

  • Quartzine: allongement (+), sphérolites ou "éventails";
  • Lutécite: allongement (+), faisceaux se croisant à angle droit, chevrons;
  • Calcédonite: allongement (-), sphérolites, éventails; calcédonite à enroulement (=>variations de la biréfringence le long d'une même fibre);
  • Lussatite: n=1,45, biréfringence très faible, allongement (+) (cf. opale CT).

LES FORMES A ALLONGEMENT (+) => CRISTALLISATION EN PRESENCE DE SULFATES!!

Opale

Forme amorphe et hydratée.

A: quartz automorphe dans un calcaire; remarquer la zonation de croissance. B: lutécite montrant la structure fibreuse en chevrons. Nicols croisés (petit côté des microphotos~1 mm).