La diagenèse

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Définition et domaine de la diagenèse

La diagenèse est l'ensemble des transformations physiques et chimiques qui affectent un sédiment après son dépôt et qui le convertissent en roche sédimentaire. Elle commence dès l'enfouissement sous les couches suivantes et se poursuit tant que le matériel reste dans des conditions de pression et de température modérées.

La limite supérieure de son domaine est floue, mais on la situe classiquement vers 200 °C, ce qui correspond à quelques kilomètres d'enfouissement pour un gradient géothermique ordinaire. Au-delà, les transformations minéralogiques deviennent importantes et l'on entre dans le domaine du métamorphisme, étudié en deuxième année. La diagenèse se distingue donc du métamorphisme par des conditions plus douces, et de l'altération par le fait qu'elle opère en profondeur, en milieu confiné, et non à l'air libre.

Le sédiment de départ possède deux caractères essentiels qui vont être détruits : une forte porosité, c'est-à-dire un volume de vides important, et la présence d'eau interstitielle dans ces vides. Toute la diagenèse peut se résumer à la réduction de cette porosité, par deux voies complémentaires, mécanique et chimique.

La compaction, mécanisme physique

La compaction est le tassement du sédiment sous le poids des dépôts sus-jacents. La contrainte verticale augmente avec la profondeur d'enfouissement, et le sédiment y répond par plusieurs processus.

Les particules se réarrangent. Elles glissent et pivotent pour occuper une position plus économe en espace, les grains anguleux se calant les uns contre les autres. Les particules aplaties, argiles et micas, tournent pour se disposer perpendiculairement à la contrainte, donc à plat. Cette réorientation crée le débit en feuillets fins que l'on observe dans certaines argilites et qu'il ne faut pas confondre avec une schistosité tectonique.

L'eau interstitielle est expulsée. Elle migre vers le haut ou latéralement, en emportant des ions dissous. Cette circulation de fluides est le lien entre la compaction et les processus chimiques qui suivent.

Les grains eux-mêmes finissent par se déformer et par se dissoudre à leurs points de contact, là où la contrainte est concentrée. Cette dissolution sous contrainte engendre des contacts plans, puis des contacts dentelés entre grains, et à l'échelle du banc des surfaces irrégulières soulignées par un résidu insoluble sombre, les joints stylolithiques, fréquents dans les calcaires. La matière dissoute ne disparaît pas, elle est disponible pour précipiter ailleurs.

Les effets de la compaction sont spectaculaires en chiffres. Une boue argileuse fraîchement déposée peut contenir 70 à 80 pour cent d'eau en volume. L'argilite qui en résulte en contient moins de dix pour cent, et son épaisseur ne représente plus qu'une fraction de l'épaisseur initiale. Un sable, moins compressible car constitué de grains rigides et à peu près équidimensionnels, passe d'environ 40 pour cent de porosité à 10 ou 20 pour cent. La compaction est donc d'autant plus forte que le sédiment est fin et riche en particules déformables.

La cimentation, mécanisme chimique

La cimentation est la précipitation, dans les vides subsistants, de minéraux qui soudent les particules entre elles. C'est elle qui donne à la roche sa cohésion définitive.

Le processus suppose une solution circulante sursaturée vis-à-vis du minéral qui précipite. Cette sursaturation peut être obtenue par plusieurs voies : l'apport d'ions provenant de la dissolution sous contrainte ou de la dissolution de particules instables ailleurs dans la série, la variation de température ou de pression au cours de l'enfouissement, le dégazage ou la modification chimique de l'eau interstitielle, le mélange de deux eaux de compositions différentes.

Les ciments les plus fréquents sont la calcite, la silice, et accessoirement des oxydes de fer qui donnent leur teinte rouge à certains grès. Dans un grès siliceux, le ciment de quartz se dépose en prolongement optique des grains existants, qu'il enveloppe progressivement.

Outre la cimentation proprement dite, des minéraux instables peuvent se dissoudre puis reprécipiter sous une forme plus stable, ce qui constitue une recristallisation. C'est le cas classique de l'aragonite, forme métastable du carbonate de calcium constituant de nombreuses coquilles, qui se convertit en calcite au cours de l'enfouissement, avec effacement partiel des structures d'origine.

Micrite et sparite dans les carbonates

C'est le point que le programme demande explicitement de savoir observer, et il repose sur une distinction simple.

La micrite est une boue carbonatée, constituée de cristaux de calcite extrêmement fins, de l'ordre de quelques micromètres. C'est un sédiment, déposé par décantation en même temps que les éléments figurés. En lame mince, en lumière polarisée non analysée, elle apparaît sombre, brune à presque opaque, sans structure discernable, et elle constitue une matrice qui entoure les éléments.

La sparite est un ciment, formé de cristaux de calcite nettement plus gros, de l'ordre de plusieurs dizaines de micromètres ou davantage, qui ont précipité dans les vides après le dépôt. En lame mince, elle apparaît claire, limpide, avec des cristaux automorphes ou en mosaïque dont on distingue les limites et les clivages, et qui montrent des teintes vives en lumière polarisée analysée.

Le critère de reconnaissance tient donc en trois mots : sombre et fin pour la micrite, clair et grossier pour la sparite. Un deuxième critère, plus sûr, est la géométrie. La micrite remplit l'espace de façon homogène, y compris sous les éléments. La sparite tapisse les cavités depuis leurs parois vers leur centre, et la taille des cristaux augmente souvent en s'éloignant de la paroi.

Cette lecture a une portée directe. Une roche carbonatée à matrice micritique s'est déposée dans un milieu calme, où la boue a pu décanter et rester en place. Une roche carbonatée dont les éléments sont jointifs et liés par de la sparite s'est déposée dans un milieu agité, où le courant a lavé et évacué la boue, laissant des vides que le ciment est venu combler ensuite. La combinaison avec la classification de Dunham est immédiate : un mudstone ou un wackestone sont micritiques, un grainstone est à ciment sparitique.

Il faut cependant se garder d'une conclusion trop rapide. De la sparite peut aussi résulter de la recristallisation tardive d'une micrite, ce qui brouille la lecture. Dans ce cas, le ciment ne présente pas la disposition géométrique en tapissage des cavités, et les contours des éléments figurés sont corrodés. L'argumentation doit donc toujours s'appuyer sur la géométrie et pas seulement sur la couleur.

Évolution de la porosité et conséquences

La porosité décroît régulièrement au cours de l'enfouissement, d'abord rapidement sous l'effet de la compaction dans les premières centaines de mètres, puis plus lentement sous l'effet de la cimentation. Une courbe de porosité en fonction de la profondeur est donc décroissante et concave.

Cette évolution n'est pas toujours monotone. Une phase de dissolution peut recréer de la porosité, dite secondaire, par exemple par mise en solution de bioclastes aragonitiques ou d'évaporites, alors qu'une phase de cimentation précoce peut au contraire figer très tôt une forte porosité en rigidifiant l'édifice et en le protégeant de la compaction.

Les conséquences sont importantes. La porosité et la perméabilité résiduelles déterminent la qualité d'un aquifère ou d'un réservoir. La compaction contrôle l'épaisseur finale d'une série, ce dont il faut tenir compte lorsqu'on estime des taux de sédimentation ou de subsidence à partir d'une coupe. La diagenèse conditionne enfin la préservation des fossiles, qui peuvent être écrasés par la compaction, dissous, ou au contraire parfaitement protégés par une cimentation précoce.

Une dernière conséquence relève de la matière organique enfouie, qui se transforme au cours de l'enfouissement sous l'effet de la température. Ce point ne fait pas partie des exigences de ce paragraphe et sera traité avec les ressources géologiques.

Exemples et objets de référence

Un calcaire à entroques ou à oolithes observé en lame mince, avec des éléments jointifs, arrondis, et entre eux un ciment clair de calcite dont les cristaux grossissent vers le centre des vides. La conclusion à en tirer est celle d'un dépôt en milieu agité, de type barrière ou haut-fond, suivi d'une cimentation sparitique.

Un calcaire à matrice micritique contenant quelques bioclastes dispersés, sombre et homogène en lumière naturelle, caractéristique d'un dépôt en milieu calme, lagon ou domaine profond.

Un joint stylolithique dans un banc de calcaire, surface sombre et dentelée, recoupant les éléments figurés, témoin de la dissolution sous contrainte pendant l'enfouissement.

Une argilite feuilletée contenant des fossiles aplatis, où l'écrasement des coquilles et la disposition parallèle des particules documentent l'intensité de la compaction.

Ordres de grandeur à retenir : porosité initiale d'une boue argileuse 70 à 80 pour cent, d'un sable 35 à 45 pour cent, porosité après diagenèse inférieure à 10 pour cent pour une argilite et de l'ordre de 10 à 20 pour cent pour un grès, taille des cristaux de micrite de l'ordre de quelques micromètres contre plusieurs dizaines de micromètres pour la sparite, limite supérieure du domaine diagénétique vers 200 °C et quelques kilomètres de profondeur.

Méthodes et savoir-faire

Exploiter une photographie de lame mince de roche carbonatée. Procéder toujours dans le même ordre : repérer d'abord les éléments figurés, bioclastes, oolithes, intraclastes, puis examiner ce qui les sépare, en se demandant s'il s'agit d'une matrice sombre et fine ou d'un ciment clair et cristallisé, puis vérifier la géométrie de ce ciment par rapport aux vides, et enfin conclure sur le milieu de dépôt puis sur l'histoire diagénétique.

Distinguer dans une observation ce qui est primaire, hérité du dépôt, et ce qui est secondaire, acquis lors de la diagenèse. Les éléments figurés, la boue et le classement sont primaires. Les ciments, les recristallisations, les contacts dissous et les stylolithes sont secondaires.

Établir une chronologie relative des évènements diagénétiques en appliquant le principe de recoupement à l'échelle de la lame : un ciment qui remplit une fracture est postérieur à cette fracture, un ciment recoupé par un stylolithe lui est antérieur.

Exploiter une courbe de porosité en fonction de la profondeur pour identifier la part respective de la compaction et de la cimentation, et pour discuter la qualité d'un réservoir.

Relier un caractère macroscopique de la roche, cohésion, dureté, aspect du cassure, à son degré de cimentation.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

1. Définir la diagenèse et situer ses limites par rapport à l'altération et au métamorphisme, avec des ordres de grandeur de température et de profondeur.
2. Le schéma en trois étapes montrant un sédiment poreux, puis compacté, puis cimenté, avec l'évolution de la porosité chiffrée.
3. Les mécanismes de la compaction : réarrangement, réorientation des particules aplaties, expulsion de l'eau, dissolution aux points de contact.
4. Les critères de distinction entre micrite et sparite en lame mince, couleur, taille des cristaux, géométrie.
5. L'interprétation d'un grainstone à ciment sparitique en termes d'hydrodynamisme du milieu de dépôt.
6. L'origine des ions qui précipitent, en reliant dissolution sous contrainte et cimentation.
7. Piège fréquent : confondre la sparite, ciment secondaire, et la micrite, matrice primaire, donc attribuer au milieu de dépôt un caractère acquis après coup.
8. Piège fréquent : oublier la compaction quand on estime une épaisseur déposée ou un taux de sédimentation à partir d'une série ancienne.

Notions et mécanismes clés

• Diagenèse : transformations physiques et chimiques d'un sédiment après son dépôt, en profondeur et à température modérée (moins de 200 °C environ), qui en font une roche cohérente.
• Porosité : rapport du volume des vides au volume total de la roche, exprimé en pour cent. Elle ne se confond pas avec la perméabilité, qui mesure l'aptitude des vides à laisser circuler un fluide.
• Porosité primaire et porosité secondaire : la première est héritée du dépôt, la seconde est créée après coup par dissolution ou fracturation.
• Compaction : réduction de volume sous le poids des dépôts sus-jacents, sans apport de matière, par réarrangement des grains et expulsion de l'eau.
• Dissolution sous contrainte : mise en solution préférentielle des grains à leurs points de contact, où la contrainte est concentrée. Elle aboutit aux contacts dentelés et aux joints stylolithiques.
• Cimentation : précipitation d'un minéral dans les vides, à partir d'une eau interstitielle sursaturée, qui soude les grains.
• Recristallisation : dissolution puis reprécipitation d'un minéral sous une forme plus stable, par exemple aragonite convertie en calcite, avec effacement partiel des structures.
• Équilibre des carbonates : Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ ⇌ CaCO₃ + CO₂ + H₂O. Une perte de CO₂ ou un réchauffement déplace l'équilibre vers la précipitation de calcite.
• Micrite : boue carbonatée primaire, cristaux de quelques micromètres, sombre en lumière polarisée non analysée, qui remplit l'espace de façon homogène.
• Sparite : ciment secondaire de calcite, cristaux de plusieurs dizaines de micromètres, limpide, qui tapisse les cavités de la paroi vers le centre.
• Classification de Dunham : mudstone et wackestone (supportés par la boue), packstone (grains jointifs avec boue), grainstone (grains jointifs sans boue, liés par un ciment), boundstone (roche construite). Seule classification exigible.
• Caractère primaire et caractère secondaire : le premier renseigne sur le milieu de dépôt, le second sur l'histoire d'enfouissement.
• Hors programme : la dolomitisation.

Chaînes de raisonnement

Du poids des couches à la cohésion de la roche. L'enfouissement augmente la contrainte verticale, qui réorganise les grains et chasse l'eau. Aux contacts entre grains, la contrainte concentrée favorise la dissolution, et les ions libérés migrent avec l'eau expulsée. Ils précipitent là où la contrainte est faible, dans les pores, ce qui cimente la roche. Compaction et cimentation ne sont donc pas deux processus indépendants : la première alimente souvent la seconde.

De la sparite à l'hydrodynamisme du milieu. Une sparite qui tapisse des vides entre des grains jointifs indique que ces vides existaient au moment du dépôt. Des vides entre grains supposent qu'aucune boue ne s'est déposée, ou qu'elle a été lavée. Le milieu de dépôt était donc agité, et la sparite n'en est qu'un témoin indirect, puisqu'elle a précipité plus tard.

Pourquoi un sédiment fin se compacte davantage qu'un sable. Les particules argileuses sont aplaties et déformables, et elles forment au dépôt un édifice lâche très riche en eau. Sous charge, elles pivotent et s'empilent à plat, ce qui fait s'effondrer la porosité. Les grains de quartz d'un sable sont rigides et à peu près équidimensionnels, et ils se touchent dès le dépôt, donc ils résistent mieux à la charge.

Pourquoi une cimentation précoce préserve la porosité. Un ciment formé avant un enfouissement important rigidifie l'édifice granulaire. Les grains ne peuvent plus se réarranger, et la compaction ultérieure est freinée. La roche garde alors une porosité supérieure à celle qu'aurait une roche comparable cimentée tardivement, ce qui explique que certains calcaires anciens restent de bons réservoirs.

Pourquoi l'aragonite disparaît des roches anciennes. L'aragonite est une forme métastable du carbonate de calcium dans les conditions de surface et d'enfouissement modéré. Au contact d'une eau interstitielle, elle se dissout, et la calcite, plus stable, précipite. Une coquille aragonitique ancienne est donc soit recristallisée, soit dissoute et remplacée par un moule que la sparite a pu combler.

De la couleur à la géométrie. La couleur distingue la micrite de la sparite dans le cas simple. Mais une micrite peut recristalliser en cristaux plus gros et plus clairs, sans rien avoir d'un ciment de cavité. Seule la géométrie, tapissage des parois et cristaux qui grossissent vers le centre, prouve qu'il s'agit d'un ciment ayant rempli un vide.

Exemples et références à connaître

1. La craie : mudstone formé de coccolithes, donc micrite d'origine planctonique. Peu cimentée, elle conserve une porosité souvent comprise entre 30 et 40 pour cent, mais sa perméabilité reste faible car ses pores sont minuscules. C'est le contre-exemple de l'idée selon laquelle toute boue fine devient une roche compacte.
2. Le calcaire oolithique à ciment sparitique : grainstone de haut-fond agité, exemple type de l'interprétation hydrodynamique, fréquent dans les séries jurassiques du Bassin parisien et de Bourgogne.
3. Le beachrock : grès ou calcaire de plage cimenté par des carbonates en quelques années à quelques décennies, dans la zone de balancement des marées. Il prouve qu'une cimentation peut être très précoce, avant tout enfouissement.
4. Les grès de Fontainebleau : sables quartzeux très purs, localement cimentés par de la silice en bancs et lentilles de grès dur, au sein d'un sable resté meuble. Ils illustrent que la cimentation dépend de la circulation des fluides et peut être très hétérogène.
5. Les stylolithes des pierres polies : bien visibles sur les dallages et comptoirs de calcaire, surfaces dentelées soulignées par un liseré sombre d'argiles et d'oxydes. L'amplitude des « dents » donne une épaisseur minimale de roche dissoute.
6. Les coquilles de bivalves aragonitiques dissoutes puis remplies de sparite, face aux huîtres et aux brachiopodes calcitiques qui gardent leur microstructure fibreuse. Comparaison qui montre l'effet de la minéralogie initiale sur la préservation.
7. Les nodules carbonatés dans les argilites : les feuillets d'argile contournent le nodule, qui a donc été cimenté avant la compaction de l'encaissant. Référence de chronologie relative.
8. Ordres de grandeur complémentaires : gradient géothermique moyen de l'ordre de 30 °C par kilomètre, donc 200 °C vers 6 km de profondeur. Contrainte lithostatique de l'ordre de 25 MPa par kilomètre d'enfouissement.

Techniques

Analyse d'une photographie de lame mince carbonatée

Suivre quatre temps, toujours dans cet ordre. Nommer les éléments figurés et dire s'ils sont jointifs ou dispersés. Caractériser ce qui les sépare, par la couleur, la taille des cristaux et la géométrie. Classer la roche selon Dunham. Conclure séparément sur le milieu de dépôt (caractères primaires) puis sur l'histoire diagénétique (caractères secondaires).

Mini-exemple. Des oolithes jointives, entre elles des cristaux limpides qui grossissent vers le centre des vides, aucune boue sombre. Grainstone oolithique. Milieu agité de haut-fond, boue évacuée. Puis cimentation sparitique des vides intergranulaires.

Chronologie relative à l'échelle de la lame

Appliquer les principes de la géologie de terrain à quelques millimètres. Ce qui remplit est postérieur au contenant. Ce qui recoupe est postérieur à ce qui est recoupé. Ce qui tapisse une paroi est antérieur à ce qui remplit le centre.

Mini-exemple. Une frange de cristaux fins entoure chaque grain, puis une mosaïque de gros cristaux occupe le reste du vide, et une fissure remplie de calcite traverse les deux. Ordre : frange, mosaïque, fracturation, remplissage de la fissure.

Calcul d'une épaisseur décompactée

Raisonner sur l'épaisseur de solides, supposée conservée. Pour une colonne de section constante, h × (1 − φ) reste égal au cours de la compaction. On en tire h initiale = h actuelle × (1 − φ actuelle) / (1 − φ initiale).

Mini-exemple. Un banc d'argilite de 10 m, porosité actuelle 10 pour cent, porosité initiale 75 pour cent. Épaisseur de solides 9 m. Épaisseur initiale 9 / 0,25 = 36 m.

Lecture d'une courbe porosité et profondeur

Repérer la pente initiale, forte quand la compaction domine. Repérer ensuite un éventuel ralentissement, qui signale une résistance mécanique ou un ciment. Toute remontée locale de la porosité signale une dissolution, donc une porosité secondaire. Comparer toujours deux lithologies entre elles plutôt que de décrire une seule courbe.

Schéma bilan en trois vignettes

Première vignette, grains lâches et eau interstitielle, porosité chiffrée. Deuxième vignette, grains serrés, contacts plans ou dentelés, flèche d'eau expulsée portant « ions dissous ». Troisième vignette, ciment en couleur dans les vides résiduels, porosité finale chiffrée. Une flèche verticale « enfouissement, contrainte et température croissantes » relie l'ensemble. Le correcteur vérifie que les ions du ciment ont une origine sur le schéma.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes