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7.3 : Roches sédimentaires - Géosciences

7.3 : Roches sédimentaires - Géosciences


Les roches sédimentaires sont classées en deux catégories principales : clastiques et chimiques. Clastique ou alors détritique les roches sédimentaires sont constituées de morceaux de substratum rocheux, sédiments, provenant principalement de l'altération mécanique. Les roches clastiques peuvent également contenir des sédiments altérés chimiquement. Les roches clastiques sont classées par forme des grains, taille d'un grain, et tri. Chimique les roches sédimentaires sont précipitées à partir d'eau saturée de minéraux dissous. Les roches chimiques sont classées principalement par la composition des minéraux dans la roche.

Lithification et diagenèse

Lithification transforme les grains de sédiments lâches, créés par l'altération et transportés par l'érosion, en roche sédimentaire clastique via trois étapes interconnectées. Déposition se produit lorsque la friction et la gravité surpassent les forces entraînant le transport des sédiments, permettant aux sédiments de s'accumuler. Compactage se produit lorsque le matériau continue de s'accumuler au-dessus de la couche de sédiments, serrant les grains ensemble et chassant l'eau. Le compactage mécanique est facilité par de faibles forces d'attraction entre les plus petits grains de sédiment. Les eaux souterraines transportent généralement des agents de cimentation dans les sédiments. Ces minéraux, tels que la calcite, la silice amorphe ou les oxydes, peuvent avoir une composition différente de celle des grains de sédiments. Cimentation est le processus de cimentation des minéraux enrobant les grains de sédiments et de leur collage en une roche fusionnée.

Diagenèse est un processus d'accompagnement de lithification et est une forme de métamorphisme rocheux à basse température (voir le chapitre 6, Roche métamorphique). Au cours de la diagenèse, les sédiments sont chimiquement altérés par la chaleur et la pression. Un exemple classique est l'aragonite (CaCO3), une forme de carbonate de calcium qui compose la plupart des coquilles organiques. Lorsque l'aragonite lithifiée subit une diagenèse, l'aragonite redevient calcite (CaCO3), qui a la même formule chimique mais une structure cristalline différente. Dans les roches sédimentaires contenant de la calcite et du magnésium (Mg), la diagenèse peut transformer les deux minéraux en dolomie (CaMg(CO3)2). La diagenèse peut également réduire l'espace poreux, ou le volume ouvert, entre les grains de roche sédimentaire. Les processus de cimentation, de compactage et finalement de lithification se produisent dans le domaine de la diagenèse, qui comprend les processus qui transforment la matière organique en fossiles.

Roches sédimentaires détritiques (clastiques)

Détritique ou alors clastique les roches sédimentaires sont constituées de morceaux de sédiments préexistants provenant du substratum rocheux altéré. La plupart de ces sédiments sont altérés mécaniquement, bien que certains clastes puissent être des morceaux de roches chimiques. Cela crée un certain chevauchement entre les deux catégories, car les roches sédimentaires clastiques peuvent inclure des sédiments chimiques. Les roches détritiques ou clastiques sont classées et nommées en fonction de leur granulométrie.

Taille d'un grain

Les roches détritiques sont classées en fonction des sédiments taille d'un grain, qui est classé de grand à petit sur l'échelle de Wentworth (voir figure). La taille des grains est le diamètre moyen des fragments de sédiments dans les sédiments ou la roche. Les tailles de grains sont délimitées à l'aide d'une échelle logbase-2 [9; dix]. Par exemple, les tailles de grains dans la classe des galets sont de 2,52, 1,26, 0,63, 0,32, 0,16 et 0,08 pouces, ce qui correspond respectivement à des granulés très grossiers, grossiers, moyens, fins et très fins. Les gros fragments, ou clastes, comprennent toutes les tailles de grains supérieures à 2 mm (5/64 in). Il s'agit notamment de rochers, de galets, de granulés et de gravier. Le sable a une granulométrie comprise entre 2 mm et 0,0625 mm, environ la limite inférieure de la résolution à l'œil nu. Les grains de sédiments plus petits que le sable sont appelés limon. Le limon est unique; les grains peuvent être sentis avec un doigt ou sous forme de grain entre les dents, mais sont trop petits pour être vus à l'œil nu.

Trier et arrondir

Tri décrit la gamme de tailles de grains dans les sédiments ou les roches sédimentaires. Les géologues utilisent le terme «bien trié» pour décrire une gamme étroite de granulométries, et « mal triés » pour une large gamme de granulométries (voir figure) [11]. Il est important de noter que les ingénieurs du sol utilisent des termes similaires avec des définitions opposées ; les sédiments bien classés se composent d'une variété de tailles de grains, et les sédiments mal classés ont à peu près les mêmes tailles de grains.

À la lecture de l'histoire racontée par les roches, les géologues utilisent le tri pour interpréter les processus d'érosion ou de transport, ainsi que l'énergie de dépôt. Par exemple, les sables soufflés par le vent sont généralement extrêmement bien triés, tandis que les dépôts glaciaires sont généralement mal triés. Ces caractéristiques aident à identifier le type de processus d'érosion qui s'est produit. Les sédiments à gros grains et les roches mal triées se trouvent généralement plus près de la source des sédiments, tandis que les sédiments fins sont emportés plus loin. Dans un ruisseau de montagne qui coule rapidement, vous vous attendriez à voir des rochers et des cailloux. Dans un lac alimenté par le ruisseau, il devrait y avoir des dépôts de sable et de limon. Si vous trouvez également de gros rochers dans le lac, cela peut indiquer l'implication d'un autre processus de transport de sédiments, comme les chutes de pierres causées par la glace ou le coincement des racines.

Arrondi est créé lorsque des coins angulaires de fragments de roche sont retirés d'un morceau de sédiment en raison de l'abrasion pendant le transport. Les grains de sédiments bien arrondis sont définis comme étant exempts de toutes arêtes vives. Les sédiments très anguleux conservent les angles vifs. La plupart des fragments de clastes commencent par des arêtes vives en raison de la structure cristalline du substratum rocheux, et ces points sont usés pendant le transport. Des grains plus arrondis impliquent un temps d'érosion ou une distance de transport plus longs, ou un processus d'érosion plus énergique. La dureté minérale est également un facteur d'arrondi.

Composition et provenance

Composition décrit les composants minéraux trouvés dans les sédiments ou les roches sédimentaires et peut être influencé par la géologie locale, comme la roche mère et l'hydrologie. À part l'argile, la plupart des composants des sédiments sont facilement déterminés par inspection visuelle (voir le chapitre 3, Minéraux). Le minéral sédimentaire le plus couramment trouvé est le quartz en raison de sa faible réactivité chimique et de sa dureté élevée, ce qui le rend résistant aux intempéries, et de sa présence omniprésente dans le substratum rocheux continental. D'autres grains de sédiments couramment trouvés comprennent le feldspath et les fragments lithiques. Les fragments lithiques sont des morceaux de substrat rocheux à grain fin [12], et comprennent des éclats de boue, des clastes volcaniques ou des morceaux d'ardoise.

L'altération de la roche volcanique produit les célèbres plages de sable noir (basalte) et vert (olivine) d'Hawaï, qui sont rares ailleurs sur Terre. En effet, la roche locale est composée presque entièrement de basalte et fournit une source abondante de clastes de couleur sombre chargés de minéraux mafiques. Selon la série de dissolution de Goldich, les clastes riches en minéraux mafiques sont plus facilement détruits que les clastes composés de minéraux felsiques comme le quartz [13].

Les géologues utilisent provenance pour discerner la source originale de sédiments ou de roches sédimentaires. La provenance est déterminée en analysant la composition minérale et les types de fossiles présents, ainsi que les caractéristiques de texture telles que le tri et l'arrondissement. La provenance est importante pour décrire l'histoire tectonique [14], visualiser les formations paléogéographiques [15], démêler l'histoire géologique d'une région ou reconstruire les supercontinents passés [16].

Dans le grès quartzeux, parfois appelé quartz arénite (SiO2), la provenance peut être déterminée à l'aide d'un minéral clast rare et durable appelé zircon (ZrSiO4). Le zircon, ou silicate de zirconium, contient des traces d'uranium, qui peuvent être utilisées pour dater l'âge de la roche mère qui a contribué aux sédiments de la roche de grès lithifiée (voir le chapitre 7, Temps géologique).

Classification des roches clastiques

Les roches clastiques sont classées en fonction de la granulométrie de leur sédiment [17]. Les roches à gros grains contiennent des clastes avec une granulométrie prédominante plus grande que le sable. En règle générale, les grains de sédiments plus petits, appelés collectivement masse de fond ou matrice, remplissent une grande partie du volume entre les plus gros clastes et maintiennent les clastes ensemble. Conglomérats sont des roches contenant des clastes arrondis grossiers, et brèches contiennent des clastes angulaires (voir figure). Les conglomérats et les brèches sont généralement mal triés.

Les roches à grain moyen composées principalement de sable sont appelées grès, ou parfois arène si bien trié. Les grains de sédiments en grès peuvent avoir une grande variété de compositions minérales, de rondeur et de tri. Certains noms de grès indiquent la composition minérale de la roche. Le grès quartzeux contient principalement des grains de sédiments quartzeux. Arkose est un grès avec des quantités importantes de feldspath, généralement supérieures à 25 %. Le grès qui contient du feldspath, qui s'altère plus rapidement que le quartz, est utile pour analyser l'histoire géologique locale. La grauwacke est un terme aux définitions contradictoires [18]. La grauwacke peut se référer au grès à matrice boueuse, ou au grès avec de nombreux fragments lithiques (petits morceaux de roche).

Les roches à grain fin comprennent le mudstone, le schiste, le siltstone et l'argilite. Pierre de boue est un terme général désignant les roches constituées de grains de sédiments plus petits que le sable (moins de 2 mm). Des roches qui sont fissile, ce qui signifie qu'ils se séparent en feuilles minces, sont appelés schiste. Les roches composées exclusivement de sédiments limoneux ou argileux, sont appelées siltite ou alors argile, respectivement. Ces deux derniers types de roches sont plus rares que le mudstone ou le schiste.

Les types de roches trouvés comme un mélange entre les principales classifications peuvent être nommés en utilisant le composant le moins courant comme descripteur. Par exemple, une roche contenant du limon mais surtout du sable et du gravier arrondis est appelée conglomérat limoneux. La roche riche en sable contenant des quantités mineures d'argile est appelée grès argileux.

Chimique, biochimique et organique

Les roches sédimentaires chimiques sont formées par des processus qui n'impliquent pas directement l'altération mécanique et l'érosion. L'altération chimique peut contribuer aux matières dissoutes dans l'eau qui finissent par former ces roches. Les sédiments biochimiques et organiques sont clastiques dans le sens où ils sont constitués de morceaux de matière organique qui sont déposés, enfouis et lithifiés ; cependant, ils sont généralement classés comme étant produits chimiquement.

Les roches sédimentaires chimiques inorganiques sont constituées de minéraux précipités à partir d'ions dissous en solution et créés sans l'aide d'organismes vivants. Les roches sédimentaires chimiques inorganiques se forment dans des environnements où la concentration en ions, les gaz dissous, les températures ou les pressions changent, ce qui provoque la cristallisation des minéraux.

Les roches sédimentaires biochimiques sont formées à partir de coquilles et de corps d'organismes sous-marins. Les organismes vivants extraient des composants chimiques de l'eau et les utilisent pour construire des coquilles et d'autres parties du corps. Les composants comprennent l'aragonite, un minéral similaire et couramment remplacé par la calcite, et la silice.

Les roches sédimentaires organiques proviennent de matières organiques qui ont été déposées et lithifiées, généralement sous l'eau. Les matières premières sont des restes de plantes et d'animaux qui sont transformés par l'enfouissement et la chaleur, et finissent sous forme de charbon, de pétrole et de méthane (gaz naturel).

Chimique inorganique

Les roches sédimentaires chimiques inorganiques se forment lorsque des minéraux précipitent dans une solution aqueuse, généralement en raison de l'évaporation de l'eau. Les minéraux précipités forment divers sels appelés évaporites. Par exemple, les plaines salines de Bonneville dans l'Utah sont inondées de pluies hivernales et s'assèchent chaque été, laissant derrière elles des sels tels que gypse et halite. L'ordre de dépôt des évaporites est opposé à leur ordre de solubilité, c'est-à-dire que lorsque l'eau s'évapore et augmente la concentration minérale en solution, les minéraux moins solubles précipitent plus tôt que les minéraux très solubles. L'ordre de dépôt et les pourcentages de saturation sont représentés dans le tableau, en gardant à l'esprit que le processus dans la nature peut différer des valeurs dérivées du laboratoire [19].

Tableau après [20].
Séquence minéralePourcentage d'eau de mer restant après évaporation
calcite50
Gypse/anhydrite20
Halite10
Divers sels de potassium et de magnésium5

L'eau saturée de carbonate de calcium précipite des masses poreuses de calcite appelées tuf. Le tuf peut se former près des eaux de dégazage et dans les lacs salés. Les chutes d'eau en aval des sources précipitent souvent le tuf car l'eau turbulente améliore le dégazage du dioxyde de carbone, ce qui rend la calcite moins soluble et provoque sa précipitation. Les lacs salés concentrent le carbonate de calcium à partir d'une combinaison d'action des vagues provoquant un dégazage, des sources dans le lit du lac et une évaporation. Dans le lac salé Mono en Californie, des tours de tuf ont été exposées après que l'eau a été détournée et a abaissé le niveau du lac.

Les dépôts de grottes comme les stalactites et les stalagmites sont une autre forme de précipitation chimique de la calcite, sous une forme appelée travertin. La calcite précipite lentement de l'eau pour former le travertin, qui présente souvent des bandes. Ce processus est similaire à la croissance minérale sur les robinets de l'évier ou de la douche de votre maison qui provient d'une eau dure (riche en minéraux). Le travertin se forme également dans les sources chaudes telles que Mammoth Hot Spring dans le parc national de Yellowstone.

Formation de fer rubané dépôts communément formés au début de l'histoire de la Terre, mais ce type de roche sédimentaire chimique n'est plus en cours de création. L'oxygénation de l'atmosphère et des océans a provoqué l'oxydation et la précipitation des ions de fer libres, qui sont solubles dans l'eau. L'oxyde de fer s'est déposé, généralement en bandes alternant avec des couches de chert.

Chert, une autre roche sédimentaire chimique couramment trouvée, est généralement produite à partir de silice (SiO2) précipité des eaux souterraines. La silice est hautement insoluble à la surface de la Terre, c'est pourquoi le quartz est si résistant aux intempéries chimiques. L'eau souterraine est soumise à des pressions et des températures plus élevées, ce qui aide à dissoudre la silice dans une solution aqueuse. Au fur et à mesure que l'eau souterraine monte vers la surface ou émerge à la surface, la silice précipite, souvent comme agent de cimentation ou en nodules. Par exemple, les bases des geysers du parc national de Yellowstone sont entourées de gisements de silice appelés geysérite ou frittage. La silice est dissoute dans de l'eau qui est chauffée thermiquement par une source de magma relativement profonde. Le chert peut également se former biochimiquement et est discuté dans la sous-section Biochimique. Le chert a de nombreux synonymes, dont certains peuvent avoir une valeur précieuse comme le jaspe, le silex, l'onyx et l'agate, en raison de subtiles différences de couleurs, de rayures, etc., mais le chert est le terme plus général utilisé par les géologues pour l'ensemble du groupe.

Oolithes sont parmi les rares formes calcaires créées par un processus chimique inorganique, similaire à ce qui se passe dans le dépôt d'évaporites. Lorsque l'eau est sursaturée en calcite, le minéral précipite autour d'un noyau, un grain de sable ou un fragment de coquille, et forme de petites sphères appelées ooïdes (voir figure). Au fur et à mesure que l'évaporation se poursuit, les ooïdes continuent de construire des couches concentriques de calcite en roulant dans des courants doux.

Biochimique

Biochimique les roches sédimentaires ne sont pas si différentes des roches sédimentaires chimiques; ils sont également formés à partir d'ions dissous en solution. Cependant, les roches sédimentaires biochimiques reposent sur des processus biologiques pour extraire les matières dissoutes de l'eau. La plupart des organismes marins macroscopiques utilisent des minéraux dissous, principalement de l'aragonite (carbonate de calcium), pour construire des pièces dures telles que des coquilles. Lorsque les organismes meurent, les parties dures se déposent sous forme de sédiments, qui sont enfouis, compactés et cimentés dans la roche.

Cette extraction et sécrétion biochimiques est le principal processus de formation calcaire, la roche sédimentaire non clastique la plus courante. Le calcaire est principalement composé de calcite (CaCO3) et comprend parfois de la dolomie (CaMgCO3), un proche parent. La calcite solide réagit avec l'acide chlorhydrique en effervescent ou pétillant. La dolomite ne réagit à l'acide chlorhydrique que lorsqu'elle est réduite en poudre, ce qui peut être fait en grattant la surface de la roche (voir chapitre 3, Minéraux).

Le calcaire se présente sous de nombreuses formes, dont la plupart proviennent de processus biologiques. Des récifs coralliens entiers et leurs écosystèmes peuvent être préservés dans les moindres détails dans la roche calcaire (voir figure). Calcaire fossilifère contient de nombreux fossiles visibles. Un type de calcaire appelé coquine provient de sables de plage constitués principalement de coquillages qui ont ensuite été lithifiés. La coquina est composée de coquillages et de fragments de coquillages légèrement cimentés. Vous pouvez trouver des plages comme celle-ci dans des environnements tropicaux modernes, comme les Bahamas. Craie contient de fortes concentrations de coquilles d'un micro-organisme appelé coccolithophore. Microrite, également connu sous le nom de boue de calcite microscopique, est un calcaire à grain très fin contenant des microfossiles qui ne peuvent être vus qu'à l'aide d'un microscope.

Le chert biogénétique se forme au fond des océans, créé à partir de sédiments biochimiques constitués de coquilles organiques microscopiques. Ce sédiment, appelé vase, peut être calcaire (à base de carbonate de calcium) ou siliceux (à base de silice) selon le type de coquilles déposées. Par exemple, les coquilles des radiolaires (zooplancton) et des diatomées (phytoplancton) sont constituées de silice, elles produisent donc un limon siliceux.

Biologique

Dans les bonnes conditions, des morceaux intacts de matière organique ou de matière dérivée de sources organiques sont conservés dans les archives géologiques. Bien qu'elle ne soit pas dérivée des sédiments, cette matière organique lithifiée est associée aux strates sédimentaires et créée par des processus similaires : enfouissement, compactage et diagenèse. Des dépôts de ces combustibles se développent dans des zones où la matière organique s'accumule en grande quantité. Les marécages luxuriants peuvent créer des conditions propices à la formation de charbon. Les sédiments marins en eau peu profonde et riches en matières organiques peuvent devenir des gisements de pétrole et de gaz naturel hautement productifs. Voir le chapitre 16, Énergie et ressources minérales, pour un examen plus approfondi de ces sources d'énergie d'origine fossile.

Classification des roches sédimentaires chimiques

Contrairement aux sédiments détritiques, les roches sédimentaires chimiques, biochimiques et organiques sont classées en fonction de leur composition minérale. La plupart d'entre elles sont monominérales, composées d'un seul minéral, de sorte que le nom de la roche est généralement associé au minéral d'identification. Les roches sédimentaires chimiques constituées d'halite sont appelées sel gemme. Les roches faites de calcaire (calcite) sont une exception, ayant des sous-classifications élaborées et même deux méthodes de classification concurrentes : la classification populaire et la classification de Dunham [11; 21]. La classification populaire traite des grains de roche et nécessite généralement un microscope pétrographique spécialisé. La classification de Dunham est basée sur la texture de la roche, qui est visible à l'œil nu ou à l'aide d'une loupe et est plus facile pour les applications sur le terrain. La plupart des géologues des carbonates utilisent le système Dunham.

Les références

9. Udden, J. A. Composition mécanique des sédiments clastiques. Géol. Soc. Un m. Taureau. 25, 655–744 (1914).

10. Wentworth, C. K. Une échelle de termes de qualité et de classe pour les sédiments clastiques. J. Géol. 30, 377–392 (1922).

11. Folk, R. L. Pétrographie des roches sédimentaires. Univ. Texas, Hemphill, Austin, Texas 182, (1974).

12. Dickinson, W. R. Interprétation des modes détritiques de la grauwacke et de l'arkose. Sédiment. Rés. 40, (1970).

13. Affolter, M. D. Sur la nature des fragments lithiques volcaniques : Définition source et évolution. (2004).

14. & Suczek, C. Tectonique des plaques et compositions de grès. Taureau de l'AAPG. 63, 2164–2182 (1979).

15. Johnson, C. et al. Réponse sédimentaire à la collision arc-continent, Permien, sud de la Mongolie. Documents spéciaux de la Geological Society of America 436, 363–390 (2008).

16. Cawood, P. A., Nemchin, A. A., Strachan, R., Prave, T. & Krabbendam, M. Enregistrement du bassin sédimentaire et du zircon détritique le long de East Laurentia et Baltica pendant l'assemblage et la débâcle de Rodinia. Géol. Londres 164, 257–275 (2007).

17. Grabau, A.W. Sur la classification des roches sédimentaires. (1904).

18. H. Dott, J. Wacke, Graywacke et Matrix–Quelle approche de la classification des grès immatures ? Journal de recherche sédimentaire 34, (1964).

19. Borchert, H. & Muir, R.O. Gisements salins : origine, métamorphisme et déformation des évaporites. (Van Nostrand, 1964).

20. Boggs, S.J. Principes de sédimentologie et stratigraphie. (Pearson, 2011).

21. Dunham, R. Classification des roches carbonatées selon les textures de dépôt. (1962).


7 Minéraux sédimentaires et roches sédimentaires

CONCEPTS CLÉS

  • L'altération implique la décomposition et la rupture des roches à la surface de la Terre.
  • L'altération produit des matériaux clastiques solides et des matériaux chimiques dissous.
  • Les produits de l'altération peuvent être transportés et déposés pour produire des sédiments clastiques ou chimiques.
  • Des sédiments de toutes sortes peuvent être lithifiés pour devenir des roches.
  • Le matériau clastique comprend généralement du quartz et des argiles, moins couramment d'autres minéraux.
  • Les minéraux produits par précipitation chimique comprennent les argiles, les carbonates, les sulfates, les halogénures, les zéolites et le chert.
  • Nous nommons les roches sédimentaires clastiques en fonction principalement de la taille des clastes.
  • Nous nommons les roches sédimentaires chimiques en fonction principalement de leur composition.

Voir la vidéo: Géodynamique externe: Cycle des roches sédimentaires بالدارجة