Genèse Roches Sédimentaires

BCGS 126: Géodynamique Externe - Phénomènes Externes

Les processus de surface façonnent les roches, créant ainsi les roches sédimentaires.

Genèse des roches sédimentaires: Roches Exogènes

• Définition: Roches formées à la surface de la Terre à partir de roches préexistantes (Magmatiques, Métamorphiques, Sédimentaires).

• Répartition: Couvrent 75% de la croûte terrestre superficielle, mais ne représentent que 5% de son volume.

• Conditions: Se forment sous des conditions de température et de pression différentes des minéraux parents, les rendant instables.

• Agents d'altération: Vent, eau, glaces, biotope (faune/flore/microorganismes), activité anthropique (humaine).

• Caractéristiques:

  • Résultent de l'accumulation et du compactage de débris d'origine minérale, organique, ou de précipitation chimique.

  • Généralement en couches parallèles (strates), d'épaisseur et de composition variables.

  • Souvent fossilifères.

Deux Catégories de Roches Exogènes

1. Roches Résiduelles:

   • Se forment sur place par altération de roches préexistantes.

   • Exemple: Latérites.

2. RochesSédimentaires:

   • Dérivent de roches mères attaquées par altération et érosion.

   • Matériaux transportés puis déposés dans un milieu de sédimentation.

Types de Roches Sédimentaires

• Roches Détritiques:

  • Terrigènes ou silico-clastiques (ex: grès, argiles).

• Roches Chimiques:

  • Précipitation de minéraux (ex: évaporites).

• Roches Biochimiques:

  • Activité biologique (ex: calcaires coquilliers).

Formation des Roches Sédimentaires: Le Cycle

1. Altération: Processus physiques, chimiques et biologiques dégradant les roches.

2. Érosion: Détachement et élimination des particules.

3. Transport: Déplacement des matériaux par gravité, eau, vent, glaciers.

4. Dépôt (Sédimentation): Accumulation dans les bassins sédimentaires.

5. Diagenèse: Transformations post-dépôt (compaction, cimentation, recristallisation) qui transforment le sédiment en roche consolidée.

Processus de Formation: Altération

L'altération est l'ensemble des processus physiques, chimiques et biologiques qui entraînent la dégradation des roches à la surface de la Terre. Elle produit des "produits d'altération", base des sédiments.

Deux types principaux:

1. Altération Physique (Mécanique): Fragmentation sans modification chimique.

   • Gélifraction (Cryoclastie): Dilatation/rétraction de l'eau dans les pores sous l'effet des cycles gel/dégel.

   • Thermoclastie: Éclatement dû aux variations brutales de température (déserts, montagnes).

   • Abrasion: Frottement par eau, vent, glace et particules transportées.

   • Haloclastie: Pression due à la cristallisation de sels dans les pores.

   • Organismes vivants: Racines qui agrandissent les fissures.

   • Action de l'homme: Activités minières, constructions.

   • Autresfacteurs: Prismation des coulées, décompression, impact de pluie/foudre/météorites.

   Ces processus sont souvent facilités par les discontinuités de la roche (diaclases, failles, joints, porosité).

2. Altération Chimique et Biochimique: Modification de la composition chimique et minéralogique.

   • Agent principal: L'eau (molécules dipolaires, acide faible grâce aux ions ).

   • Réactions en climat humide:

     • Hydrolyse: Dissociation de en et , qui remplacent des ions dans les minéraux ().

     • Dissolution: Capacité de l'eau à dissoudre les minéraux en ions solubles.

       • Exemple: .

       • Phénomène associé: Karstification (façonnement des calcaires).

     • Hydratation: Absorption d'eau par certains minéraux, entraînant gonflement et friabilité.

       • Exemple: .

     • Oxydations/Réductions: Réactions avec l'oxygène.

       • Oxydation: se combine à Oxydes de fer (rubéfaction).

       • Exemple: .

       • Réductions: Passage du fer ferrique au fer ferreux soluble en milieux hydromorphes.

   • Activité biologique: Prélèvements de sels, relargage de (acidification), apport de , matière organique (dopage de l'altération).

Facteurs Influant l'Hydrolyse et l'Altération Chimique

• Présence d'eau et température (accélère réactions).

• Solubilité des ions (dépend du rayon et de la charge - diagramme de Goldschmidt):

  • : Ions peu solubles (Si, , , ).

  • : Ions solubles ().

  • : Ions précipitants (formant hydroxydes peu solubles, ex: ).

  • : Oxyanions solubles ( formant carbonates,silicates, phosphates, sulfates).

• Résistance des minéraux:

  • Dépend de l'énergie des liaisons (ex: Quartz () très résistant, Olivine moins).

  • Ordre de résistance lié à la série de Bowen (minéraux de haute sont moins stables en surface).

• Lessivage (Lixiviation): Évacuation continue des particules et éléments solubles, empêche la saturation et favorise la poursuite de l'altération.

• Acidité (pH), Potentiel redox (Eh) de l'eau.

• Teneur en (forme l'acide carbonique, favorisant la dissolutionet l'hydrolyse).

Conséquences de l'Hydrolyse

• Hydrolyse des silicates: Conduit à la formation de minéraux secondaires (argiles) et à la libération de cations basiques et anions complexes.

• Exemple des feldspaths:

  • Altération modérée: Orthose Illite ou Smectite.

  • Altération forte: Orthose/Albite Kaolinite.

  • Altération très forte (hydrolyse totale): Orthose/Albite Gibbsite.

Produits d'Altération

• Produits Solides (Détritus):

  • Résiduels/d'héritage: Minérauxrésistants (quartz, zircon), fragments de roches (lithoclastes).

  • Transformés: Minéraux secondaires (argiles: illite, kaolinite, smectite, chlorite).

  • Néoformés: Minéraux issus de précipitation (hématite, goethite, gibbsite).

• Produits Solubilisés: Ions en solution (, etc.).

Exemples d'Altération

• Granite en climat tempéré ():

  • Altération surtout mécanique (formation diaclases).

  • Altération chimique faible à moyenne (lessivage de , persistance de , quartz).

  • Formation de granite pourri, arène granitique, granite en boules (chaos granitiques).

• Granite en climat tropical ():

  • Altération très intense, tout le massif est affecté.

  • Formation d'altérite (latérite, sols latéritiques/ferralitiques).

  • Les éléments résistants sont aussi attaqués (ex: quartz corrodé), précipitation d'hydroxydes de et .

Altération et Zonation Climatique

• Climat Froid: Très faible altération (gel/dégel).

• Climat Tempéré: Modérée, surtout mécanique.

• Climat Désertique: Très faible (grandes variations de jour/nuit).

• Climat Tropical Équatorial: Maximale (fortes , humidité, favorise les réactions chimiques).

Érosion

Arrachage ou mise en solution des produits d'altération par une force physique (agent de transport).

• Particules solides: Arrachement.

• Éléments ioniques: Mise en solution par eaux de drainage.

Transport

Déplacement des produits d'altération vers le milieu de sédimentation.

• Dépend de la capacité de transportde l'agent et des caractéristiques des particules (taille, densité).

• Agents principaux:

  • Gravité (transport gravitaire): Éboulements, glissements, chutes de pierre, courants de turbidité.

  • Vent (transport éolien): En milieu désertique (suspension, roulement, saltation).

    • Phénomènes associés: Déflation (érosion par mise en solution), Corrasion (érosion par percussion).

  • Glace (transport glaciaire): Glaciers continentaux (inlandsis) transportent d'énormes quantités de matériel.

  • Eau (transport hydrique): Le plus commun et dévastateur.

    • Ruissellement: Dénudation des terrains, ravinement.

    • Transport fluvial: Dans les chenaux (rivières, fleuves).

      • Conséquences: Ségrégation granulométrique (tri des particules par taille), Ségrégation minéralogique, Ségrégation chimique, Usure des particules (arrondissement).

Sédimentation

Mise en place d'un sédiment par dépôt, accumulation de particules, et précipitation d'éléments en solution.

• Composition d'un sédiment: Phase fluide, phase minérale (détritus, débris biologiques), phase organique.

• Stratigraphie: Science étudiant les strates (dépôts sédimentaires).

• Principes fondamentaux en stratigraphie:

  1. Actualisme (Uniformitarisme): Les lois géologiquesdu passé sont les mêmes qu'aujourd'hui.

  2. Horizontalité et Superposition: Les couches se déposent horizontalement et la couche la plus basse est la plus ancienne (si non perturbée).

  3. Continuité: Unecouche de même faciès donnée est de même âge sur toute son étendue.

  4. Identité Paléontologique: Deux couches avec les mêmes fossiles stratigraphiques ont le même âge.

  5. Recoupement: Une figure quien recoupe une autre est plus récente.

  6. Inclusion: Des débris de roche plus ancienne peuvent être inclus dans une roche plus récente.

• Milieu de Sédimentation: Bassin où desfacteurs physiques, chimiques, biologiques, forment un dépôt caractéristique (marin, lacustre, fluvial, terrestre).

• Diagramme d'équilibre: Illustre le comportement des particules en fonction de leur taille et de la vitesse de l'eau.

La Diagenèse

Ensemble des transformations physiques et chimiques qui surviennent dans un sédiment entre son dépôt et son entrée dans les domaines du métamorphisme ou de l'altération météorique. Elle transforme le sédiment meuble en roche consolidée (lithification).

• Les processussont variés et complexes:

  • Décomposition de la matière organique: Minéralisation du carbone organique en par biodégradation et formation de .

  • Compaction: Rapprochement des particules souspression, réduction de la porosité, augmentation de la densité.

  • Dissolution.

  • Cimentation: Précipitation minérale dans la porosité du sédiment, liant les particules et indurant le sédiment (pré-compaction ou post-compaction).

  • Recristallisation: Changement de forme et/ou de taille des cristaux sans changer la composition.

  • Remplacement:Transformation partielle ou totale d'une minéralogie initiale par une autre (ex: dolomitisation, silicification).

Minéraux des Roches Sédimentaires

• Carbonates: Calcite (), Aragonite ( - métastable), Dolomite ().

• Siliceux: Quartz terrigène (), Calcédoine (), Opale (- silice amorphe hydratée).

• Silicates: Feldspaths (orthose, sanidine, microcline, plagioclases), Micas (biotite, muscovite).

• Argiles et phyllosilicates: Illite, Smectites, Montmorillonite, Kaolinite, Chlorite, Glauconite.

• Sulfates: Anhydrite (), Gypse ().

• Phosphates: Apatite (cristallin), Collophane (amorphe/semi-cristallisé).

• Oxydes et Hydroxydes (fer et aluminium): Magnétite (), Ilménites (), Hématite (), Rutile(), Goéthite (), Gibbsite ().

• Sulfures (en milieu réducteur): Pyrite (), Marcassite (), Galène ().

Structured'une Roche Sédimentaire

Architecture d'ensemble de la roche (échantillon et affleurement).

• Exemples de structures:

  • Stratification (lits superposés): Litage, Stratification plane, Oblique, Graded bedding (granoclassement).

  • Lenticulaire.

  • Concrétionnée: Accumulation de matière autour d'un noyau (silex, oolithes).

  • Schistosée: Dépôtsde fines particules orientées par compaction.

• Texture: Taille, agencement, forme des constituants (nécessite étude détaillée microscopique).

Concepts Associés

• Faciès Sédimentaire: Ensembledes caractères pétrographiques, sédimentologiques et paléontologiques.

  • Lithofaciès: Caractéristiques lithologiques.

  • Biofaciès: Caractéristiques paléontologiques (macro/microfossiles).

• Formation Sédimentaire: Ensemble de dépôts sédimentaires définis par un faciès, d'extension locale ou régionale, associés à un âge.

• Paléogéographie, Époques géologiques (datation), Paléoclimat.

Classification des Roches Sédimentaires

1. Selon le mode de formation (Genèse):

• Roches détritiques terrigènes (proviennent de l'altération de roches).

  Taille des particules (mm)	Classes granulométriques	Sédiments non consolidés	Sédiments consolidés
  		BLOCS
  	RUDITES	GALETS, CAILLOUTIS	CONGLOMÉRAT
  		GRAVIERS	MICROCONGLOMÉRAT
  	ARÉNITES	SABLE	ARÉNITE "GRES"
  	LUTITES	SILT	SILTITE "PELITE"
  		ARGILE	ARGILITE

  • Exemples: Brèches (éléments anguleux), Poudingues (éléments arrondis), Arkose (grès feldspathiques), Quartzite, Grauwackes, Loess (origine éolienne), Schistes marneux, Schistes bitumeux.

• Roches organogènes / biologiques: Liées à l'activité des organismes (bioclastes, récifs coralliens).

• Roches chimiques / de précipitation chimique: Précipitation directe de minéraux.

2. Selon la Nature (composition):

• Roches siliceuses (): Grès, Silex.

• Roches carbonatées (): Calcaire, Craie.

• Roches argileuses: Minéraux argileux hydratés (structure feuilletée/fibreuse).

• Roches carbonées: Riches en matière organique (Charbon, pétrole, gaz naturel).

• Roches phosphatées (phosphorites): Contiennent du phosphate.

• Roches ferrifères: Contiennent du fer.

• Évaporites (Roches salines):

  • Formées par évaporation intense (Gypse, anhydrite, NaCl).

  • Intérêt: plâtre, sel.

  • Excellents marqueurs paléoclimatiques (climat sec).

  • Séquence évaporitique typique (de bas en haut): Carbonate Sulfates Chlorures.

3. Autres classifications:

• Roches mixtes (Calcaire et terrigènes).

• Roches biochimiques: Calcaires (dolomites fossilifères, lumachelliques, oolitiques, construits), Évaporites, Roches résiduelles, Roches carbonées (Tourbe Lignite Charbon Anthracite