Sédimentation et milieux de sédimentation

Notions fondamentales : sédiments, roche détritique, milieu de sédimentation.

1. Le devenir des alluvions 

TP Le devenir des produits de l’érosion

Regarder la vidéo 14’50 » sur le processus et mesures sur le terrain

On peut établir la granulométrie des alluvions, des blocs de taille métrique jusqu’aux particules les plus fines de quelques micromètres. Des systèmes de tamis permettent de déterminer le pourcentage de chaque classe granulométrique d’un échantillon, caractéristiques de conditions courantologiques données.

exercice 6p128 évolution de la granulométrie le long du Rhône.

2. Transport et dépôt –

Dans des conditions contrôlées (une maquette de rivière à gauche, voir vidéo 1’12 »), on peut établir le diagramme suivant, qui permet de relier vitesse du courant et dimensions des particules :

Vidéo 4’20 »  : Lois physiques sur le charriage

Compléter le diagramme en convertissant les courants forts en m/s et les courants faibles en mm/s, puis en convertissant les tailles de particules en µm ou cm.
1. Que devient une alluvion de 0,1mm dans un courant de

• 1 m/s ?
• 10 cm/s ?
• 1 cm/s ?

2. Dans un courant de 1 m/s, que devient un grain de

• 1 µm ?
• 0,1 mm ?
• 10 cm ?

Si la marée monte sur une plage avec un courant de 10 cm/sec en transportant des particules, et se retire avec un courant de 1 cm/sec, de quelles tailles seront les particules ayant sédimenté sur la plage pendant la marée haute ?

exercice 5p127 le fabuleux destin des particules de la Corrèze

Les variations de vitesse du courant dans une rivière (revoir les photos de la page précédente) conduisent à des dépôts de granulométries variables ; grâce à ce granoclassement des alluvions, on peut connaître la force du courant qui existait lors du dépôt des particules, même des milliers d’années après.

On considère en effet que les causalités du passé sont les mêmes qu’aujourd’hui (la force du courant d’autrefois avait les mêmes effets que les courants actuels) : c’est le principe de l’actualisme très utilisé en géologie pour reconstituer les environnements du passé.

Les produits de l’érosion sont transportés jusqu’en des lieux plus ou moins éloignés où ils se déposent (sédimentation). On les appelle alors sédiments.

exercice 7p128 35 000 ans d’histoire d’un fleuve

3. Différents types de roches sédimentaires

On distingue

1. les sédiments détritiques (ex : poudingue) issus de la fragmentation de roches d’origine terrigène (uniquement roches de la croûte terrestre) ;
2. les sédiments biogènes (ex : récif corallien) issus de la précipitation des ions présents dans l’eau, sous l’action des organismes constructeurs (mollusques, polypes,…) ;
3. les sédiments bioclastiques (ex : calcaire coquiller) issus de la fragmentation de calcaires d’origine biotique (coquilles, coraux, etc…) ;
4. les sédiments évaporitiques (ex : gypse) issus de la précipitation de sels en milieu lagunaire ;

1. Les roches détritiques sont formées de grains plus ou moins grossiers. Les grains des roches détritiques correspondent aux dépôts sédimentaires initiaux, c’est-à-dire les particules issues de l’érosion acheminés au niveau d’un milieu de sédimentation (par exemple un bassin sédimentaire). Lorsque les dépôts s’accumulent, ils sont enfouis en profondeur. Le poids des roches compacte les sédiments et chasse l’eau présente entre les particules : c’est la compaction.

Le départ de l’eau entre les grains entraîne la précipitation d’un ciment naturel, parfois calcaire, parfois siliceux : c’est la cimentation, c’est-à-dire création d’un liant entre les particules. L’ensemble des étapes permettant le passage d’un dépôt sédimentaire meuble à une roche sédimentaire solide s’appelle la diagenèse.

• On parle de conglomérats lorsque les éléments sont d’une taille allant de 2 mm à plus de 10 cm. Dans les conglomérats, si les éléments sont arrondis (=galets), on parle de poudingues, si les éléments sont grossiers et anguleux, on parle de brèches. Par actualisme, on déduit qu’un poudingue se forme dans le lit mineur d’une rivière ou sur une plage de galets, et qu’une brèche se forme près de la source d’érosion (en montagne), avant que les roches n’aient eu le temps d’être arrondies par le transport.
• Lorsque les grains sont des grains très solides (quartz ou autre) et fins avec ciment siliceux, la roche s’appelle un grès (=sandstone =Sandstein). Elle signale une plage fossile.
• Lorsque les grains sont très fins et le ciment est calcaire, la roche s’appelle une marne (à peu près équivalent à mudstone). Elle signale un milieu vaseux (fond de lac, fond de baie).
• Lorsque les blocs sont énormes et associés à des vallées en forme de U, on parle de moraine glaciaire.

2. Les calcaires sont des carbonates de calcium qui se forment par précipitation des ions carbonate HCO₃^– et calcium Ca⁺⁺, selon l’équation

2HCO₃ ^– + Ca²⁺ –> CaCO₃ + H₂O + CO₂.

Soit le dépôt de carbonate de calcium se fait de manière purement physico-chimique comme le tartre, alors on parle de tuf ; soit le calcaire est formé en bloc par l’action d’organismes constructeurs comme les coraux, on parle de roche biogène ; soit la roche est une accumulation de débris (généralement calcaires tels que des coquilles ou des fragments de corail), on parle de roche bioclastique. C’est la plupart des calcaires connus, comme la craie.

Selon les êtres vivants à l’origine du calcaire, on peut déduire (par actualisme) les conditions écologiques qui régnaient lorsqu’il s’est formé : plateau continental, plage, récif corallien. Le tuf se dépose dans les embouchures ou dans les cours d’eau à fort courant.

3. D’autres substances dissoutes peuvent précipiter par évaporation : les roches formées s’appellent des évaporites. Les principales évaporites sont le gypse (CaSO₄ (2H₂O)) et la halite (NaCl = sel gemme). Les évaporites sont des indicateurs paléoenvironnementaux de lagunes ou de lacs salés (sebkhas سبخة).

exercice 8p144 roches ou dépôts

exercice 9p144 à la recherche du grès noir

4. La reconstitution de paléoenvironnements – livre p136-137

La formation des roches sédimentaires témoigne des conditions qui régnaient à l’époque du dépôt et lors de la diagenèse. C’est grâce au principe d’actualisme que l’on peut reconstituer les paléoenvironnements. Le principe d’actualisme veut que les processus physico-chimiques observables aujourd’hui aient été les mêmes par le passé.

TP Reconstitution d’un paléoenvironnement

Ainsi, on retrouve des fentes de dessiccation (mud cracks = motifs de sécheresse), des traces de littoraux (cordons de galets ou de coquilles), de marée et de courant marin (ripple marks = rides de courant = rides de plage) au sein même des roches sédimentaires ou bien des empreintes fossiles permettant de reconstituer le peuplement végétal et animal d’une époque.

La forêt pétrifiée de Curio Bay poussait il y a 180 millions d’années (au Jurassique). Aujourd’hui, on y observe les troncs et souches fossilisés, sur une dalle rocheuse grignotée par la mer.

Pour en savoir plus : website de présentation de ce site exceptionnel (où l’on peut aussi voir des Manchots, des Dauphins, des Otaries, etc…)

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Connaissances

Il existe une diversité de roches sédimentaires détritiques (conglomérats, grès, pélites) en fonction de la nature des dépôts. Les roches formées dépendent des apports et du milieu de sédimentation. Ces roches sont formées par compaction et cimentation des dépôts sédimentaires suite à l’enfouissement en profondeur.

Notions fondamentales : sédiments, roche détritique, milieu de sédimentation.

Objectifs : on décrit dans ce thème le passage du sédiment à la roche sédimentaire en prenant l’exemple des roches détritiques.

Capacités

– Étudier, notamment en microscopie, quelques roches sédimentaires détritiques pour en déduire la nature des particules sédimentaires, leur morphologie et la nature du liant.

– Reconstituer un paléo-environnement de sédimentation à partir de l’étude d’une roche sédimentaire, en appliquant le principe d’actualisme.

Précisions : on ne développera pas les processus de diagénèse, on se limitera à indiquer l’importance de la compaction (avec perte d’eau liée à l’enfouissement) et la nécessité de la cimentation. Les professeurs choisiront des exemples de roches sédimentaires détritiques.