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cours de sédimentologie

la sédimentologie




- les roches detritiques
- les roches chimiques et biochimiques :
  - les roches carbonatées
  - les roches évaporitiques
  - les roches phosphatés

l'étude des sédiments et des roches sédimentaires révéle une grande importance pour toute étude et analyse géologique des bassins sédimentaires.
la sédimentologie est une discipline relativement jeune parmi les sciences de la terre.
elle est en effet liée au grand développement des études des millieux actuels au cours des dernieres décenies.

la pétrologie sédimentaires permet de l'identification des processus sédimentaires des milieux de dépôt et l'etude de l’évolution des sédiments au cours du temps.

LES ROCHES DETRITIQUES


définition : une roche détritique est une roche sédimentaires dont les élements les plus abondants dérivent d'une érosion (altération) mécanique.
la composition des roches détritiques dépend de la nature des roches formant la zone d'alimentation,du régime tectonique, du climat et dela dynamique du milieu ( processus d'érosion et de transport des sédiments ).
la zone d'alimentation conditionne la granulométrie mais surtout la nature pétrographique des roches.
le régime tectonique contrôle la granulométrie des roches ( la taille et la forme des grains )
le climat influence le mode de l'érosion ( mécanique/chimique ) :
* le climat chaud-aride permet la libération de plus de particules solides par désagrégation mécanique.
* le climat froid-humide facilite la mise en solution de plus d'ions par dissolution.

Les facteurs climatiques sont :

- la température: les variations de la température engendrent une désagrégation mécanique directe ou par action indirecte en agissant sur les variations du volume des roches.
une augmentation de la température entraîne une plus grande libération d'ions.
- l'humidité: le gel est le dégel, en présence de l'eau, entraînent la formation de cristaux et une augmentation de volume et par conséquent un éclatement de la roche.
                                              action de gél/ dégel sur un galet

- la végétation : elle influence le mode de d'érosion est la quantité de matériaux mis en mouvement.

- la dynamique du milieu : se manifeste par deux agents importants : l'eau et le vent.
                                             vallé de ziz
l'eau entraine de la différenciation de plusieurs classes granulométriques, selon le régime de l'écoulement. Ce régime est en fonction de la vitesse du courant et de la nature des zone de sédimentation.
L e vent est identique à l'eau mais dans ce cas le tri gromulométrique est trés poussé.
la diagenese permet la transformation de roches meubles en roches cohérentes ( consolidées).

La classification des roches détritiques se base sur  la taille et la nature pétrographique des grains détritiques et sur la nature et l'abondance du liant ( matrice ).



classification des roches détritiques
      
      rudite ( galets )



                                                                                   
                                                                                    Rudite ( graviers )

                        Arenite ( Sable)

ces trois exemples de roches détritiques meubles.


conglomérat

c'est un exemples de roches détritiques consolidées par un liant.


- Critéres de reconaissance des roches détritiques :

il s'agit de critéres de terrain est de laboratoire.
* la couleur : sur le terrain elle peut caractériser par un horizon ou une formation géologique donnée ce qui est intéressant en cartographie géologique.
Exemples :
- la couleur blanche indique que la roche ne renferme pas de pigments colorants. Elle peut aussi signifier que le milieu de dépot été bien oxygéné.

granoclassement


* la couleur grise ou noir indique un milieu riche en matiére organique. cependant la présence de manganése ( Mn) donne une couleur noir.
* la couleur brune/rouge caractérise les roches riches en oxydes de fer.

- la structure : l'arrangement des élements ( des grains )
l'alignement des grains : le dépôt des grains peut se faire selon des alignements ( lamines ou feuillets ) horizontaux ( on parle de lamination horizontale ) ou oblique ( lamination oblique )

TOF

La dispersion : la dispersion des grains permet de distinguer les grains jointifs ( phase de liaison peu abondante ) et les grains non jointifs ( phase de liaison abondante ).
la structure est macroscopique et peut être observée au niveau des feuillets, des bancs des formations.
la texture exprime la taille, la forme est le degré de cristallinité des éléments figurés de la roche. Ces derniers sont souvent liés par un liant qui peut être soit un ciment (postdépôt) soit une matrice ( syndépôt)
La granulométrie : la mesure de la taille des grains permet de savoir si les grains formant la roche sont bien tirés ( on parle d'un bon tri ) ou bien sont mal triés ( on parle d'un mauvais tri) .
La granoclassement : variation progressive de la taille de la taille des grains du bas vers le haut ou de haut vers le bas d'un banc ( couche ) .

LES ROCHES CHIMIQUES ET BIOCHIMIQUES


Les roches carbonatées :

une roche carbonatée est une roche formée par les restes d'organisme animaux et/ou végétaux suite à des processus d'altération chimique. le résultat est la formation de roches chimique ou biochimiques et de roches bioconstruites ou organogénes.
les roches carbonatées ont une grande importance d'un point de vue géologique et économique.
du point de vue géologique : les fossiles contenus dans les roches carbonatées constituent des éléments importants pour les études sédimentologiques, chronostratigraphiques et paléongéographiques.
du point de vue économique : ce sont des roches utilisées dans la construction, le remblai des infrastructures routiéres, la fabrication du ciment et de la chaux. les récifs,les calcaires fissurés, les dolomies peuvent former des réservoirs importants de gaz naturel et de pétrole.

falaise carbonatées.

Les roches carbonatées sont sous forme de calcaires ( CaCo3 ) ou de dolomies ( Ca,Mg (Co3)2)

- Les Calcaires :

les roches calcaires sont connues par leurs propriétés physiques ( compacts et résistantes ) et par leurs propriétés chimiques ( par la calcination donnent la chaux ) et sont trés sensible à la dissolution ( elles donnent des paysages particuliers appelés karsts ).
Les roches calcaires peuvent se former de trois maniéres :
*par des organismes calcaires en place ou en débris
* par précipitation directe de CaCo3
* par remaniement des calcaires préexistant.
Toutefois, un échantillon donné peut être le résultat de ces trois facteurs.
Les minéraux constituant les roches calcaires
* les principaux minéraux sont carbonatés ( l'aragonite et le calcite) l'aragonite ( instable ) présente la même composition ( CaCo3) que la calcite (stable ).
* Les minéraux accessoires sont non carbonatés ( le quartz,les micas,les argiles ....)

Les différentes types de calcaires :

* les calcaires chimiques : par précipitation chimiques
  _ les calcaires oolithiques ( les sables oolithiques consolidés ) : sont formés par des grains carbonatés arrondis ( oolithes ) avec un diamétre d'ordre millimétrique.
ils se forment dans des mers chaudes peu profondes soumises à une forte évaporation ( exemple de la méditerranée au large de suez et de l'île de jerba au sud tunisien )
_ les calcaires lacustres : correspondent à des sédiments déposés dans des lacs oû la précipitation de CaCo3 se fait par les algues surtout du groupe des Charophytes plus autres plantes d'eau douce et autres organismes tels que les gastéropodes et les ostracodes ( des eaux saumâtres )
_ les travertins ( tufs calcaires ) : les eaux naturelles sont riches en bicarbonates. Ce dernier est trés instable, dans les conditions de pression et de température atmosphériques, et donne facilement le dépôt de CaCo3. les travertins se forment aux émergences des sources calcaires,lorsque la pression partielle en CO2 dissous baisse afin de permettre la précipitation des carbonates, Ce sont des roches globalement jaunâtres, vacuolaires (trouées ), contenant énormément d'empreinte de végetaux.
travertin
         
tuf calcaire


* Les calcaires organiques :

 le CaCo3 se fixe par les coquilles ou bien par les squelettes des organismes animaux ou végétaux et se précipite par l'action de ces mêmes organismes
exemples :
végataux: les characées et les dasycladacées.
animaux : les pélécypodes,les serpulidés,les gastéropodes....
Empreinte d'un rameau feuillé
on peut avoir différents types de calcaires organiques :
_ les calcaire bioconstruits ( les récifs )
les principaux organismes constructeurs à travers les temps géologiques sont : 
Les polypiers ( ou les coraux )
Hexacoralliaires ( 1er secondaire )
Tetracoralliaires ( ére primaire )
les bryozoaires
les éponges calcaires
les algues calcaires ( stromatolites )
récif

coraux filiformes solitaires

- Les calcaires lumachelliques: sont formés presque exclusivement par des débris de coquilles de mollusques et peuvent nous renseigner sur l'orientation des bancs ( on dit qu'ils sont classés granulométriquement ).
- Les calcaires à entroques : sont formés en grande partie par des articles de crinoîdes.
- Les calcaires bioclastiques : sont formés par des débris de coquilles ou de coquilles entiéres au sein d'une matrice calcaire.


calcaires à brachiopodes (bajocien) + lammelibranches
LES DOLOMIES
elles sont formées essentiellement par la dolimite : Ca Mg ( Co3)2 à chaud.
- les dolomies e forment par précipitation de la dolomite. elles sont à grains fins et finement litées.
- les dolomies secondaires sont plus répandues dans la nature. elles résultent des transformations ultérieurs des calcaires = dolomitisation.

LES ROCHES EVAPORITIQUES ET ROCHES PHOSPHATEES


-- Les roches évaporitiques : 


lorsque l'eau s'évapore, elle dépose les particules détritiques, les ions qu'elle contient précipitent sous forme de sels et constituent une séquence évaporitique. La précipitation de ces roches se fait au dépend de solutions sur-saturées. Les sels dissous se déposent en ordre inverse à leur solubilité. l'ordre de précipitation des sels est le suivant : CaCo3 - CaSo4 - NaCl - Mg So4 - sels de Br et K.



masse de sels précipitée dans une saumure en cours d'évaporation







La formation des évaporites et favorisée par le climat aride et le confinement du milieu.
Néamoins, des régions littorales tempérées mais trés ventées sont également le siége d(une forte évaporation. une intense activité biologique ( larves des insectes,algues, bactéries ) entraîne le confinement des cours d'eau.

_ Les Milieux évaporitiques actuels :

* les domaines intracontinentaux ( les lacs ) : bassins fermés en oeil, deux types peuvent être distingués:
les lacs temporaires : c'est le cas des bassins continentaux fermés ( bassins endoréiques ) sous climat aride à semi-aride. on les appelle selon les lieux Sebkha continentale, Chott.... . Dans ces milieux, les sédiments contiennent beaucoup de matériaux détritiques et relativement peu de carbonates.
* Les lacs permanents sursalés : la mer morte en offre un bel exemple. C'est un lac alimenté par une riviére ( le jourdain), mais soumis à une forte évaporation.
- la densité de l'eau = 1,33 avec une salinité de 325g/l à une profondeur de 350 m.
- les eaux sont stratifiées en fonction de la salinité. les eaux profondes sursalées sont anoxiques.
stratification des eaux dans la mer morte
Les domaines paraliques : les bassins ( en goutte d'eau ) gardent une connexion avec la mer.
* Sebkhas côtières: il s'agit de plaines supratidales envahies épisodiquement par la mer et siége d'une intense évaporation sous un climat aride.
Exemple : Sebkha d'abou Dhabi
sebkha d'abou dhabi
Région située sur la rive sud du golfe persique.
climat est chaud et sec : la température de l'eau varie entre 12 °C et 47°C dans la lagune. 
La profondeur est de 20m à 80m au maximum au milieu du golfe.
Dans ces conditions extrêmes l'evaporation est intense et de l'ordre de 1,50m d'eau/an avec une salinité de 70 ( pour mille ) double de la salinité normale. la sequence évaporitique dans la sebkha est representée sur la figure

* Bras de mer sursalés : il s'agit de fonds de golfes, d'estuaires ou des lacs reliés à la mer libre par un chenal.
Exemples : côtes du pérou - emirates arabes unis - lac assal ( djibouti ).

les évaporites des milieux profonds : 

l'eau se stratifie sur le fond s'accumulent des sédiments anoxiques qui donneront plus tard des black shales; la couche superficielle de l'eau s'évapore et se concentre malgré l'apport latéral d'eau, les cristaux de gypse et de sel se forment et tombent au fond.


LES ROCHES PHOSPHATEES :



beaucoup de roches sédimentaires contiennent des quantités mineures de phosphates. Les phosphates correspondent aux dépôts sédimentaires de phosphates dont la teneur en P2O5 est de l'ordre de 20% ou plus et sont par contre relativement rares.
Le phosphate des roches sédimentaires se présente essentiellement sous la forme de fluorapatite ( Ca5(Po4)3F ), dont une part du phosphate peut être remplacée par du carbonate ou du sulfate, dont le fluor peut être remplacé partiellement par OH- ou Cl- et dont le calcium peut être substitué par Na,Mg,Sr,U et des terres rares.

Comment se forme le phosphate ?


le phosphate se forme site à la décomposition d'organismes peuplant les mers,notamment les organismes animaux suivants:
poissons ( poissons osseux,raies , requins, chiméres )
Reptiles marins et parfois d'origine continentale, dont les animaux suivants : crocodiles et lézards.
les chairs en se décomposant dans certaines conditions forment un mionéral appelé phosphate,ce qui forme,désormais la roche,qui contient les fossiles.
Les phosphates du maroc, les plus importants du monde, ont été déposés, sur une trés longue période allant de la fin du crétacé ( maestrichtien,environ 80millions d'années), jusqu'au début de l'Eocéne ( lutétien inférieur 40millions d'années), Cependant entre des période. les dépôts n'étaient pas constants, il manque par conséquent des sédiments, pour avoir une chaîne d'information continue. Pendant les différentes périodes de dépôts sédimentaires, nous ne rencontrons par les mêmes faunes, mais des ensembles de faunes principalement marines, propres à chaque période spécifique.
calcarénite
dentsde requins
Dans la plupart des sédiments, le phosphate est disséminé sous la forme de quelques fragments d'apatite (minérale dense), de coprolithes ou d'ossements.
sable phosphatés avec des dents de requins
Par quel mécanisme de concentration arrive-t-on aux énormes gisements de phosphorites que l'on connaît actuellement?
Classification :
En générale, on classe les phosphorites en trois grandes catégories:
- les phosphorites nodulaires ou litées forment généralement des dépôts de grandes dimensions. Ces phosphorites semblent être les équivalents actuels des accumulations de phosphate qui se forment le long de la bordure océanique de certaines plates-formes.

Le mécanisme responsable de telles accumulations est la présence de courants d'upwelling. riches en nutriments, favorisent des proliférations de phytoplancton. On peut supposer que périodiquement, ces proliférations provoquent une mortalité massive des poissons, avec apport d'os et de matiére organique riche en phosphore dans le sédiment. d'un point de vue plus général. il semble que ce type de dépôt phosphaté soit lié à des périodes de haut niveau marin. voire de transgressions, durant les périodes transgressives. un certain déséquilibre de la sédimentation peut produire, déséquilibre qui se manifeste par des baisses de l'apport en térrigénes et la formation de fonds durcis. Dans ce cas, il est facile d'expliquer la concentration des débris phosphatés par un arrêt de la dilution par les sédimentation détritique.
cyanobactéries vue au microscope
exemple de phytoplancton : cyanobactéries.

les bons beds : ce sont des niveau plus ou moins enrichis en os et écailles de poissons.
Ces graviers se forment lorsque les courants de vague ou da marée concentrent les élements les plus lourds sous la forme de ( lag deposits ). En lame mince, le phosphate des éléments squelettiques se distingue par sa coloration jaune à brunâtre, la présence de structures d'origine bologique ( lignes de croissance,canaux) et son caractére isotrope ou faiblement anisotrope. Associés à ces bone-beds, on observe souvent des coprolithes riches en colophane. Au cours de la diagenése, une phosphatisation plus poussée des sédiments ( croissance de nodules autour des fragments osseux,cimentation par de la colophane...) peut avoir lieu.
Le guano: les déjections d'oiseaux et,dans une mesure moindre, de chauves-souris,peuvent dans certaines circonstances,former des gisements de phosphate d'intérêt économique. la percolation dans le soubassement carbonaté des solutions dérivées du guano peut être responsable d'une phosphatisation secondaire.
cycle de phosphate