Objectifs
- Comprendre les principes de la stratigraphie et des dépôts sédimentaires.
- Analyser les processus générateurs de sédiments.
- Reconstituer des paysages anciens à partir de données sédimentaires.
- Étudier l'impact des cycles climatiques et tectoniques sur les environnements sédimentaires.
Prérequis
- Connaissances de base en géologie générale.
- Compréhension des processus géologiques fondamentaux.
A/ La stratigraphie et ses objectifs.
La stratigraphie : étude des strates car c’est là qu’est inscrite l’histoire de la Terre. Il y a enregistrement des événements. C’est une vieille science datant de l’Egypte ancienne.
Le premier réel stratigraphe a été Stenon, au 17ème siècle.
La stratigraphie a commencé par des études fossilifères mais des éléments géologiques ont laissé des traces dans les couches (érosion de montagne, morènes de glaciation). Ceci a permis la fourniture d’archives pour le géologue.
La stratigraphie se fait par observation et description de l’objet géologique. On va ensuite considérer toutes les caractéristiques de l’objet comme preuves de l’évènement.
Le but de ces recherches est de retrouver quels étaient les paysages qui se sont succédés au cours du temps.
Pour pouvoir pratiquer correctement la stratigraphie, il y a :
- Nécessité de savoir utiliser les ressources et les propriétés du globe ;
- Utilisation du principe d’actualisme : on retrouve les mêmes lois dans le passé qu’à l’actuel. On a besoin de comprendre l’actuel pour pouvoir comprendre le passé.
Toutefois, on a des changements irréversibles de paysages. Il n’y a pas d’homologie entre les paysages anciens et les paysages actuels. Il n’y a pas « uniformitarisme ».
Debyser : « le présent est la clé mais pas la réplique du passé ».
Le monde minéral subit des transformations qui évoluent (formation d’îles par volcanisme ; disparition d’îles ; effondrements ; pluie ; comblement de lacs).
Les transformations sont des retours à l’équilibre, avec de nouvelles conditions.
Il y a besoin de repérage dans le temps. Pour cela, on retrouve une base de chronologie dans les objets étudiés :
- Chronologie absolue : exprimée par des durées chiffrées en millions d’années ;
- Chronologie relative : classement des phénomènes dans l’ordre de leur déroulement (la plus employée).
Les observations et les analyses sur une coupe permettent :
- Une observation directe visible grâce aux affleurements naturels ou artificiels ;
- Une observation directe invisible grâce aux grottes ;
- Une observation invisible (forages).
On va établir des chronologies de dépôts (lacunes de sédimentation, etc.…) grâce aux évènements tectoniques. L’interprétation des dépôts permettra de reconstituer le paysage à diverses échelles.
La reconstitution de paysages anciens, aux différents moments de l’histoire du globe constitue la paléogéographie.
B/ L’épiderme sédimentaire.
Le globe est un énorme édifice ou seuls quelques kilomètres sont directement observables : la croûte. Cette croûte mesure entre 80 et 150 kilomètres de hauteur et représente en réalité la lithosphère.
L’épiderme sédimentaire se situe dans des dépressions ou des cuvettes avec un socle ou substratum il y a tendance à combler les creux. Quand les dépressions sont vastes, on parlera alors de « bassin sédimentaire » (de faible épaisseur).
On pourra trouver des bassins océaniques, intracontinentaux, épicontinentaux ou anciens.
Exemple du bassin parisien.
On va étudier un fragment régional de bassin sédimentaire.
C’est un assemblage complexe de plusieurs formations géologiques ne se disposant pas n’importe comment. L’emboîtement sera plus ou moins horizontal.
Les couches sont obliques les une par rapport aux autres avec des compositions particulières. Il y a passage de roche, de formation par changement d’architecture.
Dans le cas où la roche est du grès (agrégats de nombreux grains) on trouvera chaque grain qui est un assemblage ordonné d’éléments chimiques.
A chaque niveau d’organisation, l’architecture change. Le processus de structuration doit obligatoirement se dérouler en endergonie (apport par énergie chimique, gravitationnelle, ou la chaleur).
C/ Processus générateurs de sédiments.
Les processus chimiques ou mécaniques agissent dans les conditions de température et de pression de la surface. Pour la formation du cristal de calcite, de l’atome au minéral, les éléments Ca et O doivent s’associer selon un schéma précis avec les liaisons voulues. Le phénomène se déroule en fonction de la température, de la pression, de l’agitation, de la concentration en ions Il y a besoin d’un paysage spécial !
Le passage d’un paysage à un autre se fait par actions mécaniques, chimiques, biologiques…
D/ « Paysages sédimentaires » naturels et environnements géotectoniques.
Lois de comportement de la matière lois de la géodynamique.
Dans un environnement donné, on a formation d’objets sédimentaires particuliers. En observant les objets et en connaissant les lois, on peut ainsi reconstituer le paysage.
Même sous des conditions identiques, les objets (et donc les paysages) peuvent être différents (il y a intervention de facteurs tectoniques). La tectonique est régie par les lois de la géodynamique interne.
Les facteurs tectoniques, selon qu’ils donnent une convergence ou une divergence vont provoquer des mouvements vers le haut ou vers le bas.
Les failles vont permettre la création de reliefs (composition par rapport à la taille des éléments). En passant sur le continent, le poids provoque une subsidence et ainsi, une descente du niveau.
Il y aura déclenchement de régression ou de transgression.
Dans les marges actives, on observe des déformations synsédimentaires : qui modifient donc les sédiments (on les retrouve par exemple dans les prismes d’accrétion).
E/ Evolution des environnements sédimentaires : comblements et subsidence. Les dépôts sont conditionnés par l’environnement.
En milieux continentaux, on pourra trouver :
- Un milieu glaciaire,
- Un milieu de piémont,
- Un milieu fluviatile,
- Un milieu lacustre,
- Un milieu éolien.
En milieu transitionnel, on pourra trouver :
- Un milieu littoral,
- Un milieu récifal,
- Un milieu de delta ou de fan delta.
En milieu marin, on pourra trouver :
- Un milieu de pente (ou talus),
- Un milieu avec cône sous-marin,
- Un milieu de plaine abyssale.
Sur cet exemple, on peut voir une lagune de grande étendue mais de faible profondeur. Celle–ci a une relation épisodique avec la mer. Quand la lagune s’isole de la mer, il va y avoir évaporation puis précipitation et formation de cristaux.
Les précipitations se font dans l’ordre inverse de la solubilité on obtient ainsi des couches de natures diverses. Les dépôts se font par la gravité.
On pourra faire une évaluation verticale de l’environnement.
Ce schéma représente le cas de torrents qui viennent se jeter dans des lacs ou bien dans la mer. On trouve trois types de dépôts caractérisant ce transport : un dépôt de galets, puis de sable et finalement un dépôt de boues. Il y a évolution latérale des dépôts qui entraîne une évolution latérale des paysages.
Les caractéristiques de l’environnement du milieu sont de trois principaux types : lithologiques, structurales et biologiques. Les caractéristiques lithologiques et structurales permettent de comprendre le faciès. Ce sont ces caractéristiques qui étaient principalement utilisées par Stenon en 1869 mais c’est Gresty qui au même moment a remis ce terme au goût du jour car pour une même coupe, en différents points, il y a « changement de passage ».
Prévost avait remarqué que les couches d’âges différents pouvaient avoir le même faciès.
Au début, le faciès était uniquement descriptif. Maintenant, il est utilisé de manière informative, interprétative. On a des variations verticales de faciès pour le schéma n°8 et des variations horizontales de faciès pour le schéma n°9.
S’il n’y a pas d’évolution, il y a comblement quelque part. Toutefois, on observe quatre séquences sans comblement. On suppose alors qu’il y a eu passage de la mer au-dessus de la lagune (transgression) et subsidence.
L’avancée des sédiments ne provoque pas de blocage. Il y a discontinuité par montée du niveau marin. On trouvera aussi de la subsidence.
L’empilement de sédiments sur une longue période ne se fait que s’il y a création d’un espace disponible à la sédimentation.
La création de l’espace se fait par la tectonique, par le niveau des mers, selon les apports sédimentaires.
Le facteur dominant semble être le niveau relatif des mers.
F/ Cycles climatiques, tectoniques, eustatiques.
Les processus s’enchaînent dans un ordre déterminé : les séquences se répètent : on obtient un rythme ou cycle sédimentaire.
Les cycles ont divers niveaux d’organisation. Comme exemple de facteurs, on va trouver : le climat, la tectonique, l’eustatisme. Ces trois éléments ont influence sur le niveau relatif des mers et donc de l’espace disponible.
1/ Les cycles climatiques.
Il va y avoir alternance de périodes froides et chaudes qui est enregistrée dans les dépôts : on obtient des dépôts cycliques. Ces cycles sont observables à différentes échelles (exemple : cycle saisonnier, annuel, régional).
A l’échelle globale, on citera le cycle planétaire (du aux variations orbitales, comme le cycle de Milankovitch).
Lors des glaciations, l’eau est prise par les calottes glacières ce qui fait chuter le niveau marin : on a un faible espace de sédimentation.
Un retour normal se ferait par la fonte de cette glace en surplus aux calottes. Ceci entraînerait une remontée du niveau marin et donc une augmentation de l’espace de sédimentation.
2/ Les cycles tectoniques.
La tectonique contrôle la quantité et les types de sédiments qui se déposent.
Cette tectonique va provoquer des compressions ou bien des distentions de la croûte continentale et pouvoir provoquer des cycles régionaux ou bien globaux.
Comme exemple de cycle orogénique, on peut citer la formation de montagnes (de reliefs) qui vont entraîner le changement de volume des bassins océaniques et donc changer le niveau relatif de la mer.
3/ Les cycles eustatiques.
Les cycles eustatiques correspondent au changement du niveau absolu de l’ensemble des mers. Pour que ces cycles se produisent, il y a plusieurs possibilités :
- La tectonique des plaques,
- La fluctuation de volume des calottes glacières,
- Variation du taux d’expansion des dorsales océaniques qui contrôlent le volume des bassins océaniques.
Dans la partie haute du schéma, on observe une phase de transgression alors que dans la partie basse, c’est une régression.
Localement, la profondeur d’eau dépend des apports sédimentaires et de la tectonique locale. L’élévation ou l’affaissement du fond du bassin peut amplifier, annuler ou inverser les effets de l’eustatisme. La vitesse de ces mouvements est extrêmement lente.
La sédimentation par accumulation des sédiments sur le fond des bassins entraîne une réduction de la profondeur d’eau (sédimentation lente).
L’eustatisme est le facteur le plus important.
Le changement du niveau marin dépend localement des trois facteurs.
Selon Vail, la variation du facteur eustatisme est déterminante dans les changements du niveau marin.
En comparant la valeur relative des marges continentales, Vail a été frappé des similitudes on a une courbe globale du changement du niveau marin du paléocène à nos jours.
En pointillés, on représente les cycles majeurs. Deux transgressions sont séparées par une régression. Ces deux cycles sont expliqués par la tectonique des plaques (dislocation des continents ; apparition des océans avec dorsale). Au Permien Trias, il y a réunion des continents.
Selon Sloss, les cycles de deuxième ordre sont de grandes transgression ou régressions dues à des changements globaux du niveau marin ; par exemple, à cause de subsidence fortes exercées sur un craton.
4/ Les cycles de troisième ordre.
Ces cycles durent de 1 à 10 millions d’années et provoquent des controverses entre géologues car il y a des manques de précisions. Ces cycles sont dus à la flexure crustale ou au changement de forme du géoïde.
Ces cycles montrent leur importance par des manifestations sédimentologiques (utilisation de sédiments comme unité de base pour la stratigraphie séquentielle).
5/ Les cycle de 4ème ou 5ème ordre : cycles courts.
Ces cycles sont compatibles avec les perturbations climatiques de type Milankovitch. Ils fonctionnent bien avec les terrains du quaternaire.
Les cycles sont décelables à différents niveaux : ils sont séparés par des discordances que l’on essaye de dater.
Les cycles servent à la datation et à la corrélation.
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