Cours de Pétrologie Sédimentaire

L1 SVTE 2017

Pierre Pellenard

UFR Sc. Vie, Terre & Environnement

Université de Bourgogne

Introduction : sédiments, roches sédimentaires et bassins

sédimentaires

A - Les sédiments et roches détritiques

B - Les sédiments et roches carbonatés

C - Les évaporites

D - Les sédiments et roches siliceuses

E - Les phosphorites

F - Les roches ferrifères

G - Les sédiments et roches organiques (pétrole, charbon...)

Plan général

Objectifs du cours :

• Aspect de la roche (granulométrie, hétérogénéité, texture, couleur)

• Composition minéralogique (particules, phase liaison)

• Maturité de la roche (transport)

• Structure sédimentaire

• Contenu fraction biogène

Conditions environnementales

de dépôts

(ou paléoenvironnementales

pour les dépôts anciens)

Déduction des conditions post-dépôts

Les processus en jeu? (altération – érosion – transport – dépôt) : Climat, tectonique, relief, courantologie, activité biologique… Rôle de la diagenèse

Facies et nom

de la roche

(classification)

Ouvrages et liens internet :

http://www2.ulg.ac.be/geolsed/sedim/sedimentologie.htm

Rappel cycle des roches et place des sédiments et

roches sédimentaires

Les sédiments

détritiques

(silicoclastiques

terrigènes)

Les sédiments

volcano-

clastiques

Les sédiments

biogéniques,

biochimiques et

organiques

Carbonates,

roches

biosiliceuses,

phosphates,

pétroles,

charbons

Evaporites,

roches

ferrugineuses

Les sédiments

chimiques

Conglomérats,

sables,

grès,

siltites

argilites

Tufs,

cinérites,

bentonites,

hyaloclastites,

coulées :

Altération

Resédimentation

80-85%

10-15%

65%

Diversité des sédiments et roches sédimentaires

Carte de répartition des différents types de sédiments

dans le domaine océanique

Dutkiewicz et al., 2015 Geology

1ère carte mondiale digitalisée des sédiments océaniques

Environnements de dépôts: bassins sédimentaires

(zone subsidente = préservation des sédiments)

Ex : Vallée du grand

rift africain: lac Asal

(Djibouti)

Environnements continentaux

Environnements marins

Ex : marge passive du

bassin Jeanne d’Arc

(au large du Canada)

A - Les sédiments et roches détritiques

(terrigènes ou silicoclastiques)

1 – Genèse et nature des sédiments détritiques

1.1 - Cycle des roches et place des roches détritiques

1.2 – Formation des sédiments détritiques

- l’altération mécanique

- l’altération chimique

- le rôle du climat

1.3 – Les minéraux et leur altération

1.4 – Les textures et la maturité

2 – Les classifications utilisées

2.1 – La granulométrie

2.2 – Les rudites (bloc/conglomérat)

2.3 – Les arénites (sables/grés)

2.4 – Les lutites (silt/siltite, argiles/argilites)

3 – Les environnements associés et l’évolution des dépôts

3.1 – Sur les continents

3.2 – Dans le milieu marin

3.3 – La diagenèse

Roche meuble (sable)

Roche indurée (grés)

1.1 - Cycle des roches et place des roches détritiques

Place des sédiments détritiques dans les océans actuels

St Laurent

Indus Gange

Altération physique 1.2 – Formation des sédiments détritiques

Altération physique

Altération physique 1.2 – Formation des roches détritiques

Altération chimique

Les silicates sont soumis à l'hydrolyse :

silicate + H2O + CO2 => argile + Si4+ + cations + HCO3–

KAlSi3O8 + H2CO3 => Al2Si2O5(OH)4 + H4SiO4 + K+ + HCO3-

(K-feldspath) (kaolinite)

Altération chimique

Les roches sont soumises à l’oxydo-réduction: Fe2+ → Fe3+

Altération chimique

Potentiel ionique Z/r qui détermine le comportement des ions face à l’hydrolyse (H2O)

Agencements des tétraèdres et des octaèdres en feuillets

exemple de la kaolinite (1/1 ou TO)

Produits de l’hydrolyse : les minéraux argileux

Produits de l’hydrolyse : les minéraux argileux

Produits de l’hydrolyse : les minéraux argileux

Exemple de chlorite au MEB Exemple de kaolinite au MEB

Rôle capital du climat

Altération mécanique dominante

Feldspaths Micas

Muscovite Biotite Chlorite

Illite

Vermiculite Smectite

Chlorite secondaire

Kaolinite

Gibbsite

Hydroxides d’Al

Bisialitisation (2/1)

Monosialitisation (1/1)

Allitisation

Minéraux originels

(roches mères)

Altération variable selon le climat (+relief et substrat)

Sol développé (Chine du sud) Chaos granitique 1.8 Ga

(Devil Marble Australie Centrale)

Profil d'altération d'une grano-diorite

Altération chimique des roches mères

1.3 – Les minéraux et leur altération

Quartz + zircon + tourmaline

chert + silex …

muscovite

microcline

orthose

plagioclase

hornblende + biotite

pyroxène

olivine

Verres volcaniques

Phases minérales stables

et résistantes à l’altération

chimique et mécanique

Phases minérales instables

facilement altérables

chimiquement et

mécaniquement

+

-

RE

SIS

TA

NC

E

Nature minéralogique des grains des roches détritiques

Différents types de sables

Sable siliceux (quartz)

Sable coquillier Sable « noir »

(minéraux sombres)

Sable « vert »

(olivine, glauconite)

Quartz (LPA) Quartz et feldpaths (LPNA)

si

Fragments lithiques

(=débris de roches

Ex: granite, gneiss,

basalte, schiste,

calcaire…)

Micas (muscovite,

biotite)

- souvent déformés

- marque le litage

ém

ou

ssé

Indice d’émoussé

Morphologie des grains : l’usure (émoussé) témoin du transport

1.4 – Les textures et la maturité

Grains non usés (NU) Grain émoussé luisant (EL)

Grains rond mat (RM)

Figures de dissolution

Précipitation de silice

Exoscopie

Morphologie des grains : l’aspect, témoin de l’environnement

La fabrique texturale ou texture

Fabrique sédimentaire : imbrication de galets = analyse des paléocourants

La fabrique texturale ou texture

Fabrique à support par matrice

Fabrique à support par grains

La fabrique texturale ou texture

Grés à litage plan

Stratifications planes sur une plage Actuel,

Santa Cruz, Californie, USA

La fabrique texturale ou texture

Grés à litage oblique

Grés à HCS (figures de tempestites)

La fabrique texturale ou texture

Grés bioturbé (bioturbation = traces d’organismes)

La maturité d’une roche détritique

TEXTURE MINERALOGIE MATURE

IMMATURE

- matrice absente,

présence d’un ciment

- grains émoussés

- bon classement

- matrice abondante

- grains anguleux

- taille des grains

hétérogène

- Quartz domine

(quartzarénite)

- Minéraux lourds

résistants (zircon,

tourmaline)

- Feldpaths abondants

(arkose)

- Fragments lithiques

abondants (litharénite)

- Minéraux

ferromagnésiens

(olivine, pyroxène, …)

1 – Genèse et nature des sédiments détritiques

1.1 - Cycle des roches et place des roches détritiques

1.2 – Formation des roches détritiques

- l’altération mécanique

- l’altération chimique

- le rôle du climat

1.3 – Les minéraux et leur altération

1.4 – Les textures et la maturité

2 – Les classifications utilisées

2.1 – La granulométrie

2.2 – Les rudites (bloc/conglomérat)

2.3 – Les arénites (sables/grés)

2.4 – Les lutites (silt/siltite, argiles/argilites)

3 – Les environnements associés et l’évolution des dépôts

3.1 – Sur les continents

3.2 – Dans le milieu marin

3.3 – La diagenèse

Blocs erratiques

2 – Les classifications utilisées

2.1 – La granulométrie

Courants éoliens turbides

formant les loess

Poussières éoliennes

du désert

grés

La classification granulométrique

2.2 – Les rudites (bloc/conglomérat)

Orthoconglomérat oligogénique

Paraconglomérat à matrice non

laminaire = tillite

Classification des conglomérats et brèches d'après Prothero & Schwab (1996)

A = Orthoconglomérat

B = Paraconglomérat

Conglomérat extraformationnel

Conglomérat intraformationnel

Dropstones Tillite

Dreikanter = galet façonné par le vent

2.2 – Les arénites (sables/grés)

Classification des sables

d’après Pettijohn et al., 1987

Quartz à nbx inclusions

Feldspath

Ciment

calcitique

poecilithique

zircon Ciment siliceux

Qm

Qm

Qm

Qm Qm

- Abondance de Qm propres

- Mx lourds fréquents

- Figures pression-dissolution

- Porosité variable (IR ou IIR)

Les quartziques (quartzarénite) Porosité (air, eau,

pétrole, gaz)

Auréole de croissance

syntaxique

Sable fluviatile, Précambrien, à microcline et orthoses séricitisées (Fds)

mi

Fds

Fds

Fds

Les arkoses

Sable fluviatile, Cambrien, Espagne, effet de la compaction

Les litharénites

LPNA LPA

Présence de Quartz, Feldsapth, fragments lithiques enrobés dans une

matrice de chlorite et de quartz silteux

Turbidite silurienne d’Ecosse

Les Grauwackes

2.4 – Les lutites (silt/siltite, argiles/argilites)

Classification des « mudrocks » selon

Lundegard & Samuels (1980)

siltite

siltite argileuse

shale

argilite

Caractérisation & classification

Minéralogie : DRX, MEB, MET, IR

Géochimie : majeur et traces

Propriétés pétrophysiques,

géomécaniques : CEC,

Podzol

Bisiallitisation

Monosiallitisation

Allitisation

Influence climatique

sur la formation des

argiles et leur

distribution

1 – Genèse et nature des sédiments détritiques

1.1 - Cycle des roches et place des roches détritiques

1.2 – Formation des roches détritiques

- l’altération mécanique

- l’altération chimique

- le rôle du climat

1.3 – Les minéraux et leur altération

1.4 – Les textures et la maturité

2 – Les classifications utilisées

2.1 – La granulométrie

2.2 – Les rudites (bloc/conglomérat)

2.3 – Les arénites (sables/grés)

2.4 – Les lutites (silt/siltite, argiles/argilites)

3 – Les environnements associés et l’évolution des dépôts

3.1 – Sur les continents

3.2 – Dans le milieu marin

3.3 – La diagenèse

3 – Les environnements associés et l’évolution des dépôts

Domaine continental

Littoral Domaine marin

3 – Les environnements associés et l’évolution des dépôts

3.1 – Sur les continents

Cônes alluviaux

Tillite, moraines

Montagnes – plateaux – plaines - vallées - domaine littoral

Dépôts

sédimentaires

Agents

transport

dominants

Environnements

glaciers lacs

estuaires

deltas

plages

lagunes

fleuves

rivières

déserts

glace/eau/gravité vent vent/eau eau/gravité

Dunes éoliennes

Erg, reg

Dépôts lacustres

Dépôts fluviatiles

Sebkha

Gilbert delta

Dépôts tidaux

Cordons sableux

3.1 – Sur les continents : environnements glaciaires

Dépôts morainiques

3.1 – Sur les continents : environnements glaciaires

tillite

3.1 – Sur les continents : système montagneux (influence du gravitaire)

Exemple d’éboulement récent en Italie du Nord

3.1 – Sur les continents : les cônes d’éboulis et cônes alluviaux

3.1 – Sur les continents : environnements désertiques

Accumulation de sable : erg

Dunes en barkhane

Accumulation de blocs : reg

VENT

3.1 – Sur les continents : environnements désertiques

Dunes éoliennes fossiles à stratifications obliques métriques dans les

grès éoliens de la Formation de Navajo, Jurassique, Page, Arizona,

USA

Grains rond mat (RM)

MEB Loupe binoculaire

3.1 – Sur les continents : domaine fluviatile

Réseau fluviatile en tresse, Inde

Réseau fluviatile à méandres, Brésil

Erosion et remplissage d’un chenal fluviatile (Estérel, Permien)

3.1 – Sur les continents : domaine fluviatile

3.1 – Sur les continents : domaine fluviatile

3.1 – Sur les continents : domaine fluviatile

Grain émoussé luisant (EL)

grés fluviatile (arkose), Précambrien, à

microcline et orthoses séricitisées (Fds)

Grés fluviatile, Cambrien, Espagne, effet

de la compaction

3.1 – Sur les continents : domaine lacustre

Les dépôts varvaires (lacs)

3.1 – Sur les continents : domaine lacustre

3.2 – Dans le milieu marin

Shoreface Foreshore

3.2 – Dans le milieu marin: domaine estuarien et littoral

Delta Estuaire Estuaire&flèche littorale

Apports fluviatiles dominants Marée dominante

(courants tidaux) Houle dominante

Levées sableuses

Crevasse splay

Barre embouchure

Barres sableuses

Dépôts tidaux (tidalites)

Tidal flat (sand et mudflat)

Cordon (flèche) sableuse

Lagune vaseuse

3.2 – Dans le milieu marin: domaine estuarien et littoral

Mont St Michel

Rythmites tidales (tidalites) enregistrant les cycles semi-diurnes

(marées) et semi-mensuels (lunaires) de vives-eaux

3.2 – Dans le milieu marin: domaine estuarien et littoral

3.2 – Dans le milieu marin: domaine estuarien et littoral

3.2 – Dans le milieu marin: domaine estuarien et littoral

3.2 – Dans le milieu marin: le plateau continental (canyon sous-marin)

3.2 – Dans le milieu marin: domaine estuarien et littoral

Debris flow

3.2 – Dans le milieu marin: domaine estuarien et littoral

Turbidite silurienne d’Ecosse

(grauwacke)

Répartition des minéraux argileux dans le domaine océanique

3.2 – Dans les océans: milieu marin profond (domaine bathyal-abyssal)

d

d

d

3.3 – La diagenèse

quartzite grès sable

galets

schiste, ardoise

silt

argile

siltite

argilite

conglomérat conglomérat quartzitique

diagenèse métamorphisme

diagenèse métamorphisme

diagenèse métamorphisme

Les différents stades de la diagenèse

Pour les arénites:

Compaction : évolution de la porosité

Pour les arénites: lithification par cimentation (compaction + fluides)

gD cS

cS cS

cS

gD

Pour les arénites: compaction : pression-dissolution = libération SiO2

Pour les lutites: compaction : expulsion d’eau - transformation minéralogique

Pour les lutites: compaction : expulsion d’eau - transformation minéralogique