La sédimentation des particules et des solutés

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Les bassins sédimentaires et le contexte géodynamique

Un bassin sédimentaire est une dépression de la surface terrestre où les sédiments s'accumulent durablement. Sa géométrie et sa durée de vie dépendent du contexte géodynamique, qui contrôle la subsidence, c'est-à-dire l'enfoncement progressif du fond du bassin.

Plusieurs origines de subsidence coexistent. La subsidence tectonique résulte de l'étirement et de l'amincissement de la lithosphère, dans un rift ou un bassin d'arrière-arc. La subsidence thermique résulte du refroidissement et de la contraction d'une lithosphère auparavant chauffée, elle prend le relais sur les marges passives après l'ouverture. La subsidence par flexure résulte de la charge exercée par un empilement orogénique, qui fait plier la lithosphère voisine et crée un bassin d'avant-pays. À cela s'ajoute la subsidence induite par la charge des sédiments eux-mêmes et par leur compaction.

À chaque contexte correspond donc un type de bassin, une géométrie et un remplissage caractéristiques. Un bassin d'avant-pays est dissymétrique, profond près de la chaîne, et se remplit de dépôts détritiques grossiers issus du relief. Une marge passive porte un prisme sédimentaire qui s'épaissit vers le large. Un bassin intracratonique, installé sur une croûte continentale ancienne et stable, subside lentement et longtemps, avec une géométrie en cuvette.

Accommodation, eustatisme et niveau de base

L'accommodation est l'espace potentiellement disponible pour la sédimentation, c'est-à-dire la hauteur comprise entre le fond du bassin et la surface au-dessus de laquelle les sédiments ne peuvent plus s'accumuler. En domaine marin, cette surface est le niveau de la mer. En domaine continental, on utilise la notion de niveau de base, qui joue le même rôle et correspond au niveau vers lequel tend le profil d'équilibre d'un cours d'eau.

L'accommodation varie sous l'effet de deux termes. La subsidence l'augmente en abaissant le fond. L'eustatisme, c'est-à-dire la variation du niveau marin absolu, l'augmente ou la diminue. Les variations eustatiques ont deux causes principales : le glacio-eustatisme, c'est-à-dire le stockage ou la restitution d'eau par les calottes, qui a fait baisser le niveau marin d'environ 120 m au dernier maximum glaciaire, et le tectono-eustatisme, lié au volume occupé par les dorsales océaniques, qui agit sur des dizaines de millions d'années avec des amplitudes de l'ordre de la centaine de mètres.

Le bilan sédimentaire s'écrit alors comme une comparaison entre l'accommodation créée et le flux sédimentaire apporté. Si l'accommodation créée dépasse le flux, le milieu s'approfondit, la mer avance sur le continent, c'est une transgression, et les faciès de plus en plus distaux se superposent verticalement. Si le flux dépasse l'accommodation créée, le bassin se comble, la mer recule, c'est une régression, et les faciès deviennent de plus en plus proximaux vers le haut. Ce raisonnement est la clé de lecture de toute succession sédimentaire.

Le Bassin parisien

C'est l'exemple imposé de bassin intracratonique, traité en travaux pratiques de cartographie. Il s'est installé sur un socle hercynien érodé et pénéplané et a fonctionné du Trias au Cénozoïque.

Sa géométrie est celle d'une cuvette. Les couches, à pendage très faible, plongent vers le centre, ce qui donne en carte une disposition en auréoles concentriques, les terrains les plus anciens affleurant en périphérie, près des massifs anciens, et les plus récents au centre, vers Paris. L'épaisseur du remplissage atteint quelques milliers de mètres au centre et s'amincit vers les bords. L'alternance de couches dures et de couches tendres y engendre un relief de côtes, chaque cuesta présentant un front abrupt tourné vers l'extérieur et un revers en pente douce.

Le remplissage alterne dépôts marins et dépôts continentaux, ce qui traduit la succession de transgressions et de régressions. Les données de forage et de géophysique permettent de construire des courbes de subsidence, qui montrent un enfoncement lent, de l'ordre de quelques dizaines de mètres par million d'années, prolongé pendant plus de cent millions d'années. C'est la signature d'une subsidence thermique et flexurale de longue durée, sans tectonique active majeure.

Le dépôt des particules détritiques

Les particules transportées se déposent quand l'énergie du milieu devient insuffisante pour les maintenir en mouvement, conformément au diagramme de Hjulström. La granulométrie d'un dépôt est donc un indicateur direct de l'énergie du milieu. Les environnements de dépôt détritique sont variés : cônes alluviaux, chenaux fluviatiles, plaines d'inondation, milieux deltaïques et estuariens, plages, plateformes marines, milieux profonds alimentés par des courants de turbidité, milieux glaciaires et éoliens.

Les roches détritiques à savoir identifier macroscopiquement se classent d'abord par la taille des grains. Les conglomérats contiennent des éléments de plus de 2 mm, arrondis dans un poudingue, anguleux dans une brèche. Les grès sont formés de grains de la taille des sables, visibles à la loupe et rugueux au toucher. Les argilites sont tendres, à grain invisible, et donnent une odeur de terre mouillée quand on les humecte. Les marnes sont un mélange d'argile et de carbonate, elles font effervescence à l'acide tout en restant tendres.

Structures et figures sédimentaires

Les structures sédimentaires enregistrent le régime hydrodynamique au moment du dépôt. Le programme limite l'identification à deux d'entre elles.

Le litage horizontal correspond à des lits parallèles au plan de stratification. Il traduit soit un dépôt par décantation dans un milieu calme, soit au contraire un écoulement rapide sur un lit plan.

Les rides sont des ondulations du fond de quelques centimètres de hauteur. Les rides de courant sont asymétriques, avec un flanc doux du côté d'où vient le courant et un flanc raide de l'autre, ce qui donne le sens du courant. Les rides de vagues sont symétriques, avec des crêtes pointues, et traduisent un mouvement oscillatoire en milieu peu profond.

Le diagramme d'Allen relie la figure obtenue à la vitesse du courant et à la taille des grains. Il permet, à partir d'une figure observée, de retrouver les conditions hydrodynamiques. Il n'est pas à mémoriser, il est fourni et doit être exploité.

Deltas et estuaires

À l'embouchure d'un fleuve, la répartition des dépôts dépend du rapport entre l'apport fluviatile et la capacité de la mer à redistribuer les particules.

Quand l'apport domine, il se construit un delta. Le courant fluviatile perd brutalement de la vitesse en entrant dans le bassin, les particules les plus grossières se déposent immédiatement près de l'embouchure, les plus fines sont emportées plus au large. Les argiles, maintenues en suspension par la répulsion électrostatique entre particules, floculent au contact de l'eau salée riche en ions et se déposent alors rapidement. Le résultat est une construction qui progresse vers le large, avec un granoclassement décroissant du proximal vers le distal.

Quand la marée et les courants marins dominent, l'embouchure reste ouverte et forme un estuaire, où les sédiments sont repris, triés et en partie renvoyés vers l'amont. La connaissance de la structure interne des deltas n'est pas exigible, seuls les mécanismes le sont.

La sédimentation carbonatée

La sédimentation des solutés suppose une étape préalable de précipitation, chimique ou biologiquement induite. Pour les carbonates, c'est l'activité des êtres vivants qui domine largement : organismes construisant un test ou une coquille, coraux, bivalves, gastéropodes, foraminifères, algues calcaires, et bactéries dont l'activité provoque la précipitation de calcite, comme dans les stromatolithes, constructions litées connues depuis l'Archéen.

La production carbonatée est maximale en domaine marin de plateforme, dans des eaux chaudes, peu profondes, claires et bien éclairées. Sur un transect allant du continent vers le large, on rencontre successivement un lagon, calme et abrité, où se dépose une boue carbonatée fine, un récif, construit par des organismes fixés, qui forme une barrière soumise à une forte énergie, un avant-récif, où s'accumulent les débris arrachés au récif, puis le large, où la sédimentation redevient fine.

La classification de Dunham, seule exigible, décrit une roche carbonatée d'après la présence de boue et l'agencement des éléments. Le mudstone est une boue presque dépourvue d'éléments figurés, le wackestone contient des éléments dispersés dans la boue, le packstone a des éléments jointifs avec de la boue entre eux, le grainstone a des éléments jointifs sans boue, remplacée par un ciment cristallin, et le boundstone correspond à des éléments liés entre eux dès le dépôt, ce qui est le cas des constructions récifales. La lecture est immédiate : plus l'hydrodynamisme est fort, plus la boue est lavée et évacuée, donc plus on va vers le grainstone. Un mudstone traduit un milieu calme, lagon ou domaine profond, un grainstone un milieu agité, barrière ou haut-fond.

La sédimentation pélagique et la profondeur de compensation

Au large, loin des apports détritiques, la sédimentation est assurée par les tests de micro-organismes planctoniques qui tombent depuis la zone éclairée. Pour les carbonates, ce sont les foraminifères planctoniques et les coccolithophoridés, algues unicellulaires dont les plaquettes calcaires constituent l'essentiel de la craie. Pour la silice, ce sont les diatomées et les radiolaires.

La solubilité de la calcite augmente quand la pression augmente, quand la température diminue et quand la teneur en dioxyde de carbone dissous augmente, toutes conditions réunies en profondeur. On définit donc la lysocline comme la profondeur à partir de laquelle la dissolution des tests carbonatés devient nettement sensible, et la profondeur de compensation des carbonates comme celle où la dissolution compense exactement l'apport. Au-delà, aucun carbonate ne se dépose. Cette profondeur se situe typiquement entre 3 000 et 5 000 m, elle varie d'un océan à l'autre, étant plus profonde dans l'Atlantique que dans le Pacifique, et elle a fluctué au cours des temps géologiques.

La sédimentation siliceuse, elle, n'est pas limitée par la profondeur. Elle est en revanche très inégalement distribuée, car elle dépend de la productivité des eaux de surface et donc de la disponibilité en nutriments, ce qui la concentre sous les zones de remontée d'eaux profondes, à l'équateur et aux hautes latitudes.

Les évaporites

En domaine lagunaire ou littoral, dans un bassin où les échanges avec la mer ouverte sont restreints et où l'évaporation dépasse les apports, la solution se concentre progressivement jusqu'à saturation successive vis-à-vis des différents sels. Les minéraux précipitent alors dans l'ordre inverse de leur solubilité.

L'ordre à retenir est le suivant : d'abord les carbonates, puis le gypse et son équivalent déshydraté l'anhydrite, ensuite la halite, enfin les sels les plus solubles, potassiques et magnésiens comme la sylvite. Une séquence évaporitique complète enregistre donc une concentration croissante, et la nature du sel observé renseigne directement sur le degré d'évaporation atteint.

Les roches à identifier macroscopiquement sont la halite, cristaux cubiques incolores à translucides, très solubles et de saveur salée, et le gypse, tendre au point d'être rayé à l'ongle, souvent en cristaux clairs à éclat nacré.

Exemples et objets de référence

Le Bassin parisien, à décrire sur une carte géologique par ses auréoles concentriques, ses cuestas et son pendage centripète, et sur une coupe par sa géométrie en cuvette.

Une plateforme carbonatée actuelle, avec son lagon, sa barrière récifale et sa pente externe, à mettre en parallèle avec une série calcaire fossile pour reconstituer un transect.

Une carte de formations superficielles montrant des moraines, des alluvions fluviatiles étagées en terrasses, des colluvions de versant, à exploiter pour reconstituer l'histoire récente d'une région.

Ordres de grandeur : taux de sédimentation de quelques millimètres par millénaire en domaine pélagique et de plusieurs centaines de mètres par million d'années dans un delta actif, subsidence d'un bassin intracratonique de quelques dizaines de mètres par million d'années, baisse eustatique de 120 m au dernier maximum glaciaire, profondeur de compensation des carbonates de 3 000 à 5 000 m, salinité moyenne de l'eau de mer de 35 g par litre.

Méthodes et savoir-faire

Relier un type de bassin à un contexte géodynamique en croisant la géométrie du remplissage, la nature des dépôts et les données géophysiques disponibles.

Exploiter une courbe de subsidence. Lire l'enfoncement cumulé en fonction du temps, calculer une vitesse moyenne, repérer les changements de pente et proposer une cause tectonique ou thermique.

Raisonner en termes d'accommodation. Comparer la variation d'espace disponible au flux sédimentaire, en déduire transgression ou régression, et vérifier sur la succession verticale des faciès.

Analyser une figure sédimentaire pour en déduire l'hydrodynamisme et, pour une ride de courant, le sens de l'écoulement, en s'appuyant sur le diagramme d'Allen fourni.

Identifier macroscopiquement et de manière raisonnée un conglomérat, un grès, une argilite, une marne, un calcaire, une bauxite, une halite et un gypse, en énonçant à chaque fois le critère utilisé, granulométrie, effervescence à l'acide, dureté, saveur, aspect.

Analyser une lame mince de calcaire avec la classification de Dunham, en cherchant d'abord s'il y a de la boue, puis si les éléments sont jointifs, puis s'ils sont liés, et en conclure sur la position sur le transect.

Reconnaître les principaux micro-organismes pélagiques, foraminifères planctoniques et coccolithophoridés pour le carbonate, diatomées et radiolaires pour la silice.

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

1. Le schéma d'un transect de plateforme carbonatée avec lagon, récif, avant-récif et large, et le faciès de Dunham associé à chaque domaine.
2. Le raisonnement complet reliant accommodation, subsidence, eustatisme et flux sédimentaire, et son application à une série transgressive.
3. La coupe et la carte du Bassin parisien, avec auréoles, cuestas et pendage vers le centre.
4. Le schéma d'une embouchure deltaïque avec granoclassement et floculation des argiles.
5. La séquence évaporitique complète, dans l'ordre, avec sa justification par les solubilités.
6. L'explication de la profondeur de compensation des carbonates et de ses facteurs de contrôle.
7. Piège fréquent : confondre régression, qui est un recul de la mer, et émersion générale. Une régression peut résulter d'un simple comblement à niveau marin constant.
8. Piège fréquent : croire que la sédimentation carbonatée est purement chimique. Elle est pour l'essentiel d'origine biologique.

Notions et mécanismes clés

• Subsidence totale : enfoncement du fond du bassin. Elle additionne une composante tectonique ou thermique et une composante due à la charge des sédiments, qui amplifie l'enfoncement initial.
• Niveau marin relatif : position de la mer par rapport au fond. Il dépend de l'eustatisme et de la subsidence, alors que l'eustatisme seul est un niveau absolu.
• Accommodation créée par unité de temps : subsidence plus variation eustatique, ce second terme étant positif en cas de montée et négatif en cas de baisse.
• Flux sédimentaire : épaisseur de sédiment apportée par unité de temps, à comparer à l'accommodation créée.
• Transgression et régression : déplacement de la ligne de rivage vers le continent ou vers le large. Ce ne sont pas nécessairement des variations du niveau marin.
• Proximal et distal : proche ou loin de la source des apports. En domaine marin, cela revient en général à peu profond ou profond.
• Tri granulométrique : un dépôt bien trié signale un agent sélectif, l'eau ou le vent. Un dépôt mal trié signale souvent un dépôt en masse, glace ou coulée.
• Granoclassement : variation progressive de la taille des grains, verticale dans un banc ou latérale le long d'un profil.
• Diagramme de Hjulström : rappelé du chapitre précédent. Une particule se dépose quand la vitesse du courant passe sous la courbe de sédimentation correspondant à sa taille.
• Diagramme d'Allen : champs de stabilité des formes de fond selon la vitesse et la taille des grains. Il est fourni en épreuve, jamais à mémoriser.
• Floculation : agrégation des particules argileuses quand les cations de l'eau salée neutralisent leurs charges négatives de surface. Les flocs, plus gros, chutent plus vite.
• Bioprécipitation : précipitation d'un minéral contrôlée ou induite par un être vivant, par opposition à la précipitation chimique déclenchée par la seule sursaturation.
• Micrite et sparite : la micrite est une boue carbonatée à cristaux microscopiques, sombre en lame mince. La sparite est un ciment cristallin limpide, formé après le dépôt dans les vides.
• Lysocline et profondeur de compensation des carbonates (PCC) : la lysocline marque le début d'une dissolution nette, la PCC l'équilibre entre apport et dissolution.
• Boues pélagiques : calcaires au-dessus de la PCC, siliceuses sous les zones productives, argiles rouges des grands fonds là où les deux autres manquent.
• Séquence évaporitique : succession des sels précipités quand la concentration d'une saumure croît. Une séquence inverse traduit une dilution.
• Bauxite : roche résiduelle d'altération sous climat chaud et humide, riche en hydroxydes d'aluminium. Souvent rouge par ses oxydes de fer, fréquemment pisolithique, sans effervescence.

Chaînes de raisonnement

De la subsidence à la succession verticale. La subsidence et l'eustatisme créent de l'espace, les apports le remplissent. Si l'espace créé l'emporte, la profondeur augmente en un point donné et les faciès distaux recouvrent les faciès proximaux. Lue de bas en haut, une succession qui s'approfondit est transgressive, une succession qui devient moins profonde est régressive.

Une régression sans baisse du niveau marin. Prenons un niveau marin stable et une subsidence modérée. Un delta très alimenté apporte plus de sédiment que l'espace créé. Le bassin se comble et le rivage avance vers le large, c'est une régression par comblement, sans émersion générale.

De la vitesse du courant à la figure sédimentaire. Quand un courant ralentit, sa compétence baisse et seules les particules plus fines restent en mouvement. Pour un sable fin à moyen, le fond forme des rides à vitesse modérée, des dunes à vitesse plus forte, puis un lit plan à vitesse élevée. Une même taille de grain peut donc donner un litage horizontal ou des rides, et seul le diagramme d'Allen tranche.

De l'embouchure au dépôt argileux. À l'entrée dans la mer, le fleuve s'étale et perd sa vitesse, donc les sables se déposent aussitôt. Les argiles, dispersées en eau douce par répulsion électrostatique, floculent dès que la salinité augmente. Elles se déposent alors plus près de l'embouchure que ne le prévoirait leur taille, d'où les vasières estuariennes et les vases qui se déposent au large de l'embouchure d'un delta.

De l'hydrodynamisme au faciès carbonaté. Les organismes fournissent à la fois de la boue et des grains, coquilles et débris. Une agitation forte exporte la boue et laisse des grains jointifs, cimentés ensuite par de la sparite. Le degré de lavage de la boue, lu avec Dunham, mesure donc l'énergie du milieu.

De la profondeur à la disparition des carbonates. En profondeur, la pression augmente, la température baisse et le dioxyde de carbone s'accumule par respiration et vieillissement des masses d'eau. Chacun de ces facteurs augmente la solubilité de la calcite. Sous une certaine profondeur, la dissolution consomme tout l'apport.

Du plancher qui vieillit à la superposition des boues. Une dorsale est haute, au-dessus de la PCC, et reçoit des boues calcaires sur ses basaltes. En s'éloignant de l'axe, la lithosphère refroidit, s'enfonce par subsidence thermique et passe sous la PCC. Les boues calcaires sont alors recouvertes d'argiles rouges ou de boues siliceuses, sans aucune variation de la PCC.

De l'évaporation à l'ordre des sels. L'évaporation retire de l'eau et conserve les ions, donc la concentration augmente. Chaque sel précipite quand la saumure atteint sa saturation, le moins soluble en premier. On obtient carbonates, gypse, halite, puis sels potassiques et magnésiens, et un sel donné indique un degré d'évaporation minimal.

Exemples et références à connaître

1. Bassin d'avant-pays : dissymétrique, plus profond contre la chaîne, rempli de molasses détritiques. Le bassin molassique au nord des Alpes s'oppose bien au Bassin parisien.
2. Bassin parisien en chiffres ronds : environ 3 km de sédiments au centre, du Trias au Cénozoïque, soit une vitesse moyenne d'accumulation de l'ordre de 10 à 20 m par million d'années, bien plus lente qu'un rift actif.
3. Dernier maximum glaciaire : niveau marin environ 120 m plus bas, la Manche était une plaine fluviatile. Exemple de glacio-eustatisme relié au chapitre sur le climat.
4. Taux de sédimentation : quelques millimètres par millénaire pour une boue pélagique, soit quelques mètres par million d'années, contre plusieurs centaines de mètres par million d'années dans un delta.
5. Craie : boue à coccolithes du Crétacé supérieur, déposée sur une plateforme largement ennoyée, donc pélagique par sa nature mais épicontinentale par sa position. On la classe en mudstone.
6. Stromatolithes : constructions bactériennes litées connues depuis l'Archéen, encore vivantes dans des baies hypersalées d'Australie occidentale. Ce sont les bioconstructeurs soulignés par le programme.
7. PCC actuelle : plus profonde dans l'Atlantique que dans le Pacifique, dont les eaux profondes sont plus anciennes et plus chargées en dioxyde de carbone. Sous la bande équatoriale productive, l'apport abondant l'abaisse localement.
8. Crise de salinité messinienne : des centaines de mètres d'évaporites, localement plus d'un kilomètre, déposés en Méditerranée à la fin du Miocène. Une telle épaisseur exige des réalimentations répétées en eau de mer.
9. Eau de mer : 35 g de sels par litre, dont environ 27 g de chlorure de sodium. C'est la donnée de base de tout calcul sur les évaporites.

Techniques

Exploiter une courbe de subsidence

Lire les axes, car la profondeur est souvent comptée vers le bas. Découper la courbe en segments de pente constante. Calculer chaque vitesse en mètres par million d'années. Interpréter les changements de pente : forte et courte pour une phase tectonique, décroissante dans le temps pour une subsidence thermique.

Mini-exemple. Un forage montre 1 200 m de sédiments entre 250 et 200 Ma, puis 900 m entre 200 et 100 Ma. Les vitesses sont de 24 puis de 9 m par million d'années. Cette décroissance évoque une subsidence thermique qui s'amortit après un étirement initial.

Lire un log sédimentaire

On lit de bas en haut, la base étant le plus ancien. On attribue à chaque banc une profondeur relative, on trace une flèche d'évolution et on conclut à l'approfondissement ou au comblement, jamais directement à une variation eustatique.

Mini-exemple. Grès à rides de vagues, puis marnes, puis calcaire micritique à ammonites. La série s'approfondit, elle est transgressive. On ne sait pas si la cause est une montée eustatique ou une accélération de la subsidence.

Identification raisonnée d'une roche

Suivre une clé et énoncer chaque test. D'abord l'acide chlorhydrique dilué à froid. Effervescence vive dans une roche cohérente : calcaire. Effervescence dans une roche tendre qui laisse un résidu boueux : marne. Sans effervescence, on examine le grain. Éléments de plus de 2 mm : conglomérat, poudingue ou brèche selon leur forme. Grains de sable qui rayent le verre : grès. Grain invisible, roche tendre à odeur de terre mouillée, qui happe à la langue : argilite. Roche rayée à l'ongle en cristaux clairs : gypse. Cristaux cubiques de saveur salée : halite. Roche souvent rouge et pisolithique : bauxite.

Mini-exemple. Un grès fait effervescence. Ce n'est pas un calcaire mais un grès à ciment calcaire, car la granulométrie prime pour nommer une roche détritique.

Classer une lame mince avec Dunham

Trois questions dans l'ordre. Y a-t-il de la micrite ? Sans micrite, grains jointifs cimentés par de la sparite : grainstone. Avec micrite, les grains se soutiennent-ils mutuellement ? Si oui, packstone. Si non, wackestone au-delà d'environ 10 % d'éléments, mudstone en dessous. Enfin, une structure liée dès le dépôt, polypiers en position de vie ou lamines bactériennes, donne un boundstone.

Mini-exemple. Des oolithes jointives dans un ciment limpide sans micrite : grainstone, déposé sur une barre agitée en bordure de plateforme.

Plan de synthèse sur la sédimentation

Aller de la cause à l'effet et du grand au petit. D'abord le contenant, bassin et accommodation, puis le contenu, particules et hydrodynamisme, puis solutés et contrôles biologiques et chimiques. Éviter le catalogue de roches.

Sujets classiques traités

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

Erreurs fréquentes