Sédimentologie des mudrocks& dépôts volcanoclastiques

LST 3

Pierre PellenardUniversité de Bourgogne

I – Sédimentologie des mudrocks

II – Les dépôts volcanoclastiques

Partie TD (3h)

Partie TP (3h)

- Observation de siltite/argilite (macro/LM)

- Observation de produits volcanoclastiques (macro/LM/frottis)

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%

Matériel sédimentaire apporté à l’océan en fonction de la granulométrie

Valeur exprimées en milliard de tonnes et %

Rudite

Arénite-silt

Argile

Tot.

Arctique Tempéré-humide Aride Equatorial Tot.

0.75(50)

0.68(45)

0.08(3-5)

1.5(100)

0.9(30)

1.5(50)

0.6(20)

3.0(100)

0(0)

0.64(40)

0.96(60)

1.6(100)

0(0)

3.8(20)

15.2(80)

19.0(100)

1.65(7)

6.62(26)

16.84(67)

25.1(100)

Dutkiewicz et al., 2015 Geology

1ère carte mondiale digitale des sédiments océaniques

I - Sédimentologie des mudrocks

A – Caractéristiques et méthodes

B – Formation et transport

C – Néoformation et diagenèse

D – Exemple d’utilisation en sédimentologie

• Les mudrocks (ou mudstone) correspondent aux roches sédimentaires silicoclastiques à grains fins : lutite (pélite à éviter), siltite, argilite, shale (black shale), « schiste »

• La taille des particules est inférieur à 0,0625 mm et sont trop petites pour être étudiées facilement sur le terrain

• À première vue, ces sédiments se ressemblent beaucoup mais il existe des différences importantes dans la composition et le mode de formation

• Il n’existe pas de classification univoque acceptée par les géosciences

• Les mudrocks sont les sédiments et roches sédimentaires les moins bien compris et étudiés à ce jour en dépit de leur importance économique et sociale (roche-mère, exploitation hydrocarbures non conventionnelles, couverture, stockage, céramique et autres produits industriels, impacts environnementaux …)

Qu’est ce que les mudrocks?

Dépôts éoliens (lœss)

Environnement continentaux

périglaciaires et/ou désertique

Des environnements variésQuels environnements?

Dépôts fluviatiles et lacustres : décantation (lac alpin vidangé)

Dépôts lacustres permiens (Autun)

=> « shistes bitumineux »

Baies, estuaires, lagunes

Flaser bedding

Lenticular bedding

Environnement côtiers (tidaux) :

Environnements marins plate-forme externe (Jurassique moyen, France)

Environnements pélagiques – hémi-pélagiques (Crétacé inférieur Allemagne)

Exemple de laminations dans

le domaine marin profond

Textures Caractéristiques texturales

Exemple de laminations dans

le domaine lacustre

Radioscopie RX

Nodules et septaria

« Beef » et « cone in cone structure » : surpression de fluides

Couleur

Rôle de l’oxydo-réduction (Fe2+ vs Fe3+)

Teneur en MO

Importance des circulations tardives

Argilites de la

carrière de

Belmont

(Beaujolais)

Composition minérale

Quartz

Feldspath

Carbonate

Pyrite

MO

Argiles

Nature des composants

Les classifications utilisées?

Diffraction des RX

Méthodes d’étudeLes techniques d’étude

- Poudre

- paramètre b

- Indice de cristallinité

- Modélisation

Diffraction raie (060)

Paramètres b maille

Dioactaèdrique vs trioactaèdrique

Analyse thermique différentielle

ΔT

Augmentation temps et T°C

100°C 500°C 900°C+

-

déshydratation

déshydroxylation

recristallisation

ATD/ATG

spectroscopie IR – Raman - Mössboer

Position bande absorption

dépend :

-Type feuillets (dioctaèdrique –

trioctaèdrique)

- Nature cations octaèdre

- Taux de remplissage

Imagerie MEB

Illites détritiques

Illites authigènes

Kaolinites authigènesSmectites authigènes

Imagerie MET

Détail fautes empilement

par HRMET

Kaolinites néoformées

Al Fe

Mg

0.8

0.6

0.4

0.2

0.2 0.4 0.6 0.8

0.8

0.6

0.4

0.2

OT

CH

TA

Fe-M

Fe-BIWY

BI

Fe=0.3

Bentonite

Analyses chimiques (XRF – ICP-AES-MS)

Diagramme de

Güven pour la

caractérisation

des smectites

Profils de REE normées

Pédogenèse – profil d’altération – types d’altération

Origine des minéraux argileuxMécanismes de formation

Feldspaths Micas

Muscovite Biotite Chlorite

Illite

Vermiculite Smectite

Chlorite secondaire

Kaolinite

Gibbsite

(Hydroxides d’Al)

Bisialitisation (2/1)

Monosialitisation (1/1)

Allitisation

Minéraux originels

Altération continentale et répartition des argiles en fonction du climat

Kaolinite

Oxydes fer

aluminium

Argile Iaire

Smectite

Vermiculite

Interstratifiés

Argile Iaire

Principaux facteurs de contrôle de formation des types de minéraux argileux

Kaolinite

+

Gibbsite

+

Oxydes fer

Illite

Chlorite

(minéraux Iaire)

Smectite

Argiles fibreuse

(palygorskite,

sépiolite)

TOPOGRAPHIE

NATURE ROCHE MERE

CLIMAT

acide basique

Cycle et processus impactant les minéraux argileux depuis leur formation sur les

continents jusqu'à leurs dépôts dans les sédiments océaniques "clay Toolbox"

Fagel (2007)

Les différents processus liés à la formation des différents types d’argiles

Podzol

Bisiallitisation

Monosiallitisa-

tion

Allitisation

Répartition latitudinale des minéraux argileux

Sur les continents…

Dans les océans…

Les argiles du milieu océanique reflètent majoritairement les

conditions de formation sur les continents

Utilisation en paléoclimatologieUtilisation des argiles pour les reconstitutions paléoclimatiques

Variations climatique à « court » terme, effet du climat et du ruissellement

kaolinite

Illite

chlorite

Smectite et IS

palygorskite

sepiolite

Sédimentation différentielle des argiles

Direction du transport sédimentaire

Transport des argiles

Les transformations argileuses

Smectites « lattées »

= transformation progressive

de smectites détritiques

Smectites détritique Fe-Al « floconeuse »

Exemple de transformation argileuse

Transformations minéralogiques au cours de la diagenèse d’enfouissement

70°C

140°C

Utilisation en diagenèse

La minéralogie des argiles couplée à la MO

renseigne sur les conditions d’enfouissement

et les paléothermicités

Les néoformations argileusesLes environnements propices à la néoformation

Cénozoïque Antarctique

Néoformation de smectites à partir de matériel volcanique

Glauconite ou mica glauconitique (10 Å, illite riche en Fe-K)

Smectite glauconitique (interstratifiés)

Smectite verte (dioactaèdrique entre montmorillonite et nontronite)

Verdine (phyllite V, phyllite C, granules sédiments récents d’environnements

peu profonds, proche des serpentines, 7.2 Å)

Berthierine (Al-Fe proche serpentine trioctaèdrique, 7 Å)

Chamosite (Fe chlorite trioctaèdrique, 14 Å)

Céladonite (Fe-K mica Fe octaédrique)

KMg(Fe,Al)(SiO3)6.3H2O

KFe3+(Mg,Fe2+,Al)Si4O10(OH)2

Néoformation d’argiles ferrifères en granules

A - Typologie des produits

B - Mode de mise en place

C - Altération et néogenèse

II – Les dépôts volcanoclastiques

Dépôts pyroclastiques : au sens strict dépôts composés d’éléments

fragmentés au cours d’une éruption explosive et non remaniées (définition

génétique et non lithologique) = dépôts volcaniques primaires

Terme à éviter si l’on n’est pas sûr de l’origine du dépôt

Dépôts volcanoclastiques (aucune connotation génétique)

Composés majoritairement de particules volcaniques définies par

Leur granulométrie

La nature des éléments

Tephra : terme plus général, incluant tous les produits de l’éjection

Typologie des produits

Granulométrie :

Taille (mm)

64 mm

2 mm

63 µm

Pyroclaste/particule Dépôts volcanoclastiques

consolidéNon consolidé

Bombe, bloc

Lapilli

Cendre grossière

Cendre fine

(poussières)

Horizon/téphra à blocs

Horizon/téphra à lapilli

Cinérite grossière

Cinérite fine

Brèches

pyroclastiques

Tuf/tuffite de lapilli

Tuf cendreux grossier

Tuf cendreux fin

RU

DIT

E

ARENITE

AR

EN

O-L

UT

ITE

Tuf/tuffite volcaniques

Nature des produits

Bombes volcaniques par projection

Blocs de ponces issus d’une

coulée pyroclastique

Typologie des produits

Brèches volcaniques

Plateau de tufs en Cappadoce (Turquie)

Typologie des produits

Dépôts de cinérite et tufs de la Caldeira de Maule (Chili)

Dépôt de cinérite pliocène dans la province de Malargüe (Argentine)

Classification des tufs : d’après la proportion de fragments lithiques, minéraux

pyroclastiques, ponces, verres volcaniques

particule lithique

Particule vitreuse, dense ou vésiculée

(débris de verre, ponces)

Cristaux ou

Fragment de cristaux

TV

TC TFL

Typologie des produits

Tuf vitreux à verres non

vésiculés

Tuf vitreux

rhyolithique à ponces

et phénocristaux de

quartz et feldspaths

Typologie des produits

Magma basique: bubble shard et Pele’s tears

Magma acide : verres vésiculés,

anguleux, opaques LPA

Verres volcaniques Ponces

Typologie des produits

Morphologie des verres volcaniques au MEB

Débris de verre lié à la vésiculation

des magmas acides (bubble wall shards, cupsate shards)

Débris plat (platy shards)Débris vésiculé (pumice shards)

Typologie des produits

Morphologie des lapilli accrétionés

Tuf vitreux (matrice vitreuse) à lapilli accrétionés

formés d’un nucléus à débris de verres grossiers

et débris plats de verres formant la périphérie

Lapilli constitué d’un nucléus de fragment lithique

de lave basaltique (clinopyroxène et olivine)

entouré par une bordure de fines cendres

Typologie des produits

Niveau de cendres volcaniques récents

Cinérites du Kilauea

Cinérites de Lipari

Typologie des produits

La granulométrie des dépôts : blocs (bombes), lapilli, cendres, poussières…

fonction de l’éloignement (dispersion) des sources et du type d’éruption

(degré d’explosivité : indice de fragmentation)

Diagramme de Walker

Typologie des produits

La granulométrie des dépôts volcanoclastiques dépend du type d’éruption et

donc du contenu en éléments volatils (H2O, CO2)

éruptions explosives : phréatomagmatique, plinienne, ignimbrite

= matériel fin (cendres), minéraux automorphes, petits et cassés

La nature des dépôts est fonction du degré de différenciation de la chambre

magmatique

produits différenciés : ponces, verres riche en SiO2, fraction minérale riche

en quartz et feldspaths potassiques, biotites (ferromagnésiens)

produits peu différenciés : scories, verres pauvres en SiO2, fraction

minérale plus riche en ferromagnésiens (amphiboles, pyroxènes)

Typologie des produits

Les sédiments volcanoclastiques se regroupent en 5 catégories :

• Dépôts autoclastiques

• Hyaloclastites

• Dépôts de coulées volcanoclastiques

• Dépôts de retombées pyroclastiques

• Dépôts épiclastiques - alloclastiques

Modes de mise en place

Différents mécanismes de dépôts volcano-sédimentaires

Les dépôts autoclastiques

Brèche >

Brèche <

Bréchification (+ cryoclastie) d’une coulée de lave de l’Etna

Hyaloclastites:

Interaction eau-magma

Exemple de coulées pyroclastiques de la Montagne

Pelée en Martinique

Déferlantes pyroclastiques

Exemple de surge du Mount St Helens

Déferlantes pyroclastiques

Exemple de coulées pyroclastiques de l’éruption du Mayon en 1994 (Philippines).

Colonne éruptive de 15 km de hauteur, dépôts de cendres à 50km

Coulées pyroclastiques (écoulements denses, concentrés)

Colonne éruptive et coulées pyroclastiques

du Redoubt (Alaska, 04 1990)

Panache de cendres lors de l’éruption des Tavurvur/Vulcan

(caldeira Rabaul, Nouvelle-guinée, 09 1994)

Les retombées pyroclastiques

St Helens (1980, 1 km3 DRE)Toba (74 000 BP, 2800 km3 DRE, 800 km3 DRE cendres)

Dépôts Kinnekulle-Millbrig

Ordovicien 2500 km3 DRE cendres

Ignimbrite et co-ignimbrite

Écoulements pyroclastiques

Éruption plinienne

Rapport ponce/cristaux élevé

Cas le plus probable pour les dépôts

ultradistaux des plus grosses

éruptions historiques et fossiles :

Tambora (1815), Krakatoa (1883), Katmaï

(1912), Crater lake, Bishop tuff ash layer,

Aira (21 000 BP), Toba (74 000 BP)

Caldeira de Maule (Chili)

15 km

Dépôt d’ignimbrite du Pléistocène supérieur (Province de Mendoza, Argentine)

Dépôt d’ignimbrite du viséen sup.

(Gorges de la Loire)

Structure en fiamme

• minéraux volcaniques

euhédraux cassés

• Quartz avec dissolution

• Verre abondant (+ponces)

Coulées pyroclastiques (écoulements denses, concentrés)

Déferlantes pyroclastiques (=surges, écoulements moins denses)

Ecoulement cendro-ponceux de grand volume (ignimbrite)

- contrôle topographique: canalisation dans les vallées, dépressions comblées

- classement granulométrique mauvais ou moyen

- variation irrégulière de l’épaisseur avec l’éloignement

- température élevée (éléments soudés, oxydés)

- contrôle topographique: intermédiaire entre coulées et retombées

- variation d’épaisseur irrégulière et rapides

- érosion basale possible (chenaux)

- effondrement de caldeira

- volumes dégagés de plusieurs ordres de grandeur > que les autres écoulements (10-500 Km3)

- longue durée d’éruption en régime (jamais observée, mais plusieurs heures ou jours)

- capacité à couvrir de grande distance (150 km) et de franchir des barrières topographiques

- Dépôts ennoient les paysages, massif, mal trié, effet important de la compaction post-dépôt

- Formation de colonne éruptives coémises: co-ignimbrite

Retombées distales pliniennes-ultrapliniennes

- caractéristiques proches des ignimbrites

- couverture de très grande surface (>1000 km)

- niveaux isopaques centimétriques dans sédiments lacustres ou marins

Cinérites permiennes

du Bassin de Lodève

Dépôts épiclastiques

Volcanic glass + H2O Smectites + H2O + Hydrated silicaHydrated silicate gel

(Ca2+, Mg2+)

Réaction générale:

Tuf, cinérite Tuf, cinérite altérés Bentonites, tonsteins

Particules

Dépôt

Spectre DRX verres volcaniques

Spectre DRX du même

échantillon altéré en argiles

Altération & néogenèses

Processus d’altération:

1 Diffusion H2O et d’ions de la solution

2 Dissolution congruente

3 Précipitation de phase intermédiaire: allophane (hydrosilicate alumineux hydraté mal cristallisé) comme

précurseurs (site de nucléation)

4 Précipitation de nouvelles phase minérales: zéolites, argiles néoformés, silice hydratée sous ≠ forme

Verre dérivant de magma basique et ultrabasique (sidéromélane):

Altération en palagonite

-verre jaunâtre à brun hydraté

- basse température<50°C

ou conditions hydrothermales

- gain H2O (10-30%) TiO2, FeO→Fe2O3

- perte Na, Ca, Mn

Altération des verres acides :

- Plus résistants mais facilement dissous à pH>9

- Pertes des alcalins et oxydation du Fe

- Formation de montmorillonite/beideillites-Al

et de zéolites (heulandites/clinoptilolites) et SiO2, H2O

Verres altérés en cristoballite Verres altérés en clinoptilolite

Verres frais

- Formation d’illite, halloysite (proche kaolinite) dans rares cas

- Formation de kaolinite et de feldspaths potassiques si lessivage important (taux de solubilité

important de la SiO2), pH acide des solutions, faible salinité : conditions réunies en domaine

continental (acides liés à la dégradation de la MO) importance majeur des fluides de

porosité

- En milieu lacustre, les conditions d’évaporation>précipitation engendrent saumures (forte

salinité et alcalinité) susceptibles de transformer tuf/cinérite en dépôt quasi pure de zéolites

(phillipsite, eriorite, clinoptilolite) → intérêt économique

Altération d’un tuf : précipitation de

zéolites « en bulles »

Niveau de tonstein dans le Permien de Muse (Morvan)

Niveau de bentonite (niveau van Gogh) dans l’Aptien du bassin subalpin

K-bentonites intercalées dans la formation de la Vaca Muerta (Jurassique sup, Argentine)

Caractérisation minéralogique des bentonites - fraction néoformée argileuse

Counts/s

0

300

200

100

Essai naturel

Essai glycolé

Essai chauffé

37 25 19 15 12 10 9 8 7 6 5

15,6

17,3

5,75,1 4,9

9,9

Dominé par des smectites (95-98%)

dioctahèdriques (raie 060)

Essai naturel

Essai glycolé

Essai chauffé

17,3 15,8

10,0

7,4

5,15,6

3,7

0

1000

2500

2000

1500

500

20 15 3410 8 6 5 d-spacing (Å)

Mélange de smectite et kaolinite

bien cristallisées

Caractérisation minéralogique – minéraux pyroclastiques (30-250 µm)

→ Préservation, transformation, pseudomorphose, dissolution, précipitation…

<1% du volume des bentonites

Minéraux lourdsFerromagnésiensSilicates légers

Quartz →

Feld-K (sanidine)

→ kaolinite

Biotite → kaolinite

et levérriérite

Px, Amph → carbonates Zircon

Apatite Rutile (TiO2)

Observations TP

1. Siltite & argilite : macro

2. Siltite : LM

3. Roches volcano-sédimentaire macro (cinérite, tuffite,

coulées altérées, bentonite, ignimbrite)

4. Tuf Cappadoce : frottis sédimentaire (observation verres)

5. Roches volcano-sédimentaire LM