Les roches sédimentaires, extrêmement diversifiées, sont le résultat d’une grande variété de processus physiques, chimiques et biologiques. Elles constituent, avec les roches résiduelles (bauxites, latérites, …), les roches exogènes, c’est-à-dire formées à la surface de l’écorce terrestre. Elles représentent 5% en volume de la croûte terrestre (continentale et océanique) mais en couvrent 75% de la surface.
On peut les classer selon différents critères : leur composition chimique (on distinguera alors les roches siliceuses, carbonatées, argileuses, salines, phosphatées, ferrifères et carbonées), le milieu de sédimentation dans lequel elles se sont mises en place (domaine continental, marin littoral, marin hauturier, …) ou leur mécanisme de genèse. En adoptant ce dernier critère, on distingue :
Comment décrire et classer les roches au sein de ces différentes catégories ?
Quelles sont les informations apportées par l’étude de ces roches ?
On peut les classer selon différents critères : leur composition chimique (on distinguera alors les roches siliceuses, carbonatées, argileuses, salines, phosphatées, ferrifères et carbonées), le milieu de sédimentation dans lequel elles se sont mises en place (domaine continental, marin littoral, marin hauturier, …) ou leur mécanisme de genèse. En adoptant ce dernier critère, on distingue :
- Les roches détritiques (silicoclastiques ou terrigènes), issues de l’érosion des roches continentales et constituées de grains dont la taille variable constitue un critère de classification (conglomérats, grès, …) ;
- Les roches biochimiques, biogéniques et organiques issues de la bioprécipitation d’ions parmi lesquelles on trouve les roches carbonatées, phosphatées, siliceuses ainsi que les roches carbonées comme les charbons, les schistes bitumineux et les hydrocarbures ;
- Les roches chimiques issues de la précipitation chimique d’ions formant les évaporites, les minerais de fer et les phosphorites marines ;
- Les roches volcanoclastiques : laves et fragments de roches dérivées de l’activité volcanique.
Comment décrire et classer les roches au sein de ces différentes catégories ?
Quelles sont les informations apportées par l’étude de ces roches ?
> Les sédiments clastiques et les roches détritiques
Ce sont les sédiments clastiques (argiles, silts, sables, graviers, galets et blocs) et leurs équivalents consolidés (pélites, grès, conglomérats, …). On remarque assez facilement des hétérogénéités de taille des grains dont on va se servir comme critère.
Granulométrie et échelle de tri
La granulométrie est la distribution de la taille des grains d'un échantillon. Elle est analysée par tamisage d'un sédiment meuble ou d'une roche désagrégée (fig. 1).
Fig. 1 - Analyse granulométrique de deux roches détritiques A (à gauche) et B (à droite)
Les résultats sont présentés sous la forme d'un histogramme et d'une courbe cumulative.
Les résultats sont présentés sous la forme d'un histogramme et d'une courbe cumulative.
Alors que la roche A (à gauche) présente une distribution gaussienne, la roche B (à droite) présente une distribution bimodale. On peut calculer la taille médiane des grains et l'indice de classement (So) pour connaître la qualité du tri granulométrique de l'échantillon. Il est défini comme la racine carrée du rapport entre la taille granulométrique au 1er quartile et celle au 3ème quartile. Plus l'indice sera voisin de 1, plus l'échantillon sera bien trié (ou classé).
On comprend donc facilement que la granulométrie est porteuse de nombreux indices quant à l'histoire sédimentaire d'une roche détritique. Il est donc naturel d'utiliser une échelle granulométrique pour créer différentes catégories de sédiments et roches sédimentaires. Nous retiendrons celles de l'échelle de Wentworth (tableau 1) qui distingue :
- Pour la roche A, la médiane est de 215,5 µm (sables fins) et l'indice de classement (So) vaut 0,9, ce qui indique que le sédiment est bien classé. L'échantillon était un grès relativement bien trié, il a donc connu un transport prolongé.
- Pour la roche B, la médiane n'est pas un bon indicateur ; il vaut mieux considérer la taille des grains aux 2 pics. On observe un pic dans les sables fins et un dans les sables grossiers. L'indice de classement vaut 2,11 indiquant un mauvais classement. L'échantillon était un grès mal trié, il a connu un transport plus modeste que la roche A.
On comprend donc facilement que la granulométrie est porteuse de nombreux indices quant à l'histoire sédimentaire d'une roche détritique. Il est donc naturel d'utiliser une échelle granulométrique pour créer différentes catégories de sédiments et roches sédimentaires. Nous retiendrons celles de l'échelle de Wentworth (tableau 1) qui distingue :
- Les lutites (T < 63 µm) comprenant les argiles (T < 4 µm) et les silts (4 < T < 63 µm) et leurs équivalents consolidés (les pélites) ;
- Les arénites (63 µm < T < 2 mm) comprenant les sables et leurs équivalents consolidés (les grès) ;
- Les rudites (T > 2 mm) comprenant les graviers, les cailloux et les blocs et leurs équivalents consolidés (les conglomérats).
Tableau 1 - Echelle et classification granulométrique de Wentworth
(Voir commentaire dans le texte)
(Voir commentaire dans le texte)
Eléments de classification des roches détritiques
Les rudites
Les rudites sont les roches détritiques dont les plus gros grains ont un diamètre supérieur à 2 mm. Il s’agit des conglomérats, qu’on peut distinguer selon la forme des éléments :
Les arénites et les lutites
Leur classification repose sur la nature minéralogique des grains, combinée avec la proportion de matrice (fig. 2). La matrice est définie par le rapport de 1/3 existant entre la taille des éléments figurés et celle des éléments encaissant (ex. sable grossier et matrice silteuse ; sable et matrice argileuse).
La classification des grès est exprimée dans un diagramme triangulaire Quartz-Feldspaths-Fragments de roches (lithoclastes). D’après leur texture, les grès sont ainsi divisés en deux grands groupes :
Au-delà de 75% de matrice, on trouve les lutites (mudrocks) comprenant les argilites, les siltites et les pélites (mélange consolidé non déterminé d’argiles et de silts).
Les rudites sont les roches détritiques dont les plus gros grains ont un diamètre supérieur à 2 mm. Il s’agit des conglomérats, qu’on peut distinguer selon la forme des éléments :
- Les conglomérats à éléments anguleux sont les brèches ;
- Les conglomérats à éléments arrondis sont les poudingues.
- Les conglomérats constitués d’un seul type de grain (même origine) sont dits monogéniques ;
- Les conglomérats constitués de plusieurs types de grains sont dits polygéniques.
Les arénites et les lutites
Leur classification repose sur la nature minéralogique des grains, combinée avec la proportion de matrice (fig. 2). La matrice est définie par le rapport de 1/3 existant entre la taille des éléments figurés et celle des éléments encaissant (ex. sable grossier et matrice silteuse ; sable et matrice argileuse).
La classification des grès est exprimée dans un diagramme triangulaire Quartz-Feldspaths-Fragments de roches (lithoclastes). D’après leur texture, les grès sont ainsi divisés en deux grands groupes :
- Les arénites composés essentiellement de grains (< 15% de matrice) ;
- Les wackes (grès argileux) contenant > 15% de matrice et comprenant les grauwackes.
Au-delà de 75% de matrice, on trouve les lutites (mudrocks) comprenant les argilites, les siltites et les pélites (mélange consolidé non déterminé d’argiles et de silts).
Fig. 2 - La classification de Dott (1964)
Les résultats sont présentés sous la forme d'un histogramme et d'une courbe cumulative.
Les résultats sont présentés sous la forme d'un histogramme et d'une courbe cumulative.
> Les roches biochimiques, biogènes et organiques
Les roches carbonatées
Les roches carbonatées sont composées de minéraux du groupe des carbonates, dont les plus célèbres représentants sont la calcite et l’aragonite (CaCO3), ainsi que la dolomite (Mg,Ca)CO3. On distinguera ainsi les calcaires et les dolomies en fonction de la nature du carbonate dominant. Les marnes correspondent à un mélange d’argiles et de calcaire (40 à 60%).
Le critère granulométrique peut être utilisé (calcilutites, calcarénites et calcirudites) mais n’est pas aussi pertinent que pour les roches détritiques, car la taille des grains ne caractérise plus l'histoire du sédiment. On utilise donc l’aspect en lame mince (microfaciès).
La classification de Folk (1959) : une approche descriptive
La classification de Folk utilise la composition de la roche ; elle distingue 2 types de composants :
La classification de Dunham (1963) et l’hydrodynamisme du milieu
Plus que les constituants (qu’on ne distinguera pas ici), c’est leur agencement, traduisant l’hydrodynamisme du milieu de dépôt (énergie de dépôt) que l’on prendra en compte. La classification est dichotomique, prenant successivement en compte la présence/absence de boue micritique ; la disposition jointive/non-jointive des grains ; la proportion des grains. On discriminera ainsi les grainstones, packstones, wackestones, mudstones. On distingue également les roches construites (boundstones) et les calcaires cristallins.
Le critère granulométrique peut être utilisé (calcilutites, calcarénites et calcirudites) mais n’est pas aussi pertinent que pour les roches détritiques, car la taille des grains ne caractérise plus l'histoire du sédiment. On utilise donc l’aspect en lame mince (microfaciès).
La classification de Folk (1959) : une approche descriptive
La classification de Folk utilise la composition de la roche ; elle distingue 2 types de composants :
- Les grains ou allochems ;
- Une phase de liaison ou orthochem qui peut être :
- Une matrice de boue de calcite microcristalline ou micrite (< 4 µm) ;
- Un ciment de calcite spathique ou sparite (> 10 µm) d’origine diagénétique.
- Les fossiles, microfossiles ou fragments de microfossiles (bioclastes) ;
- Les ooïdes : grains ovoïdes constitués d’un nucléus de nature variable et d’un cortex de couches concentriques de CaCO3 alternant avec de la matière organique. On y distinguera les oolithes s.s. (diamètre < 2mm), les oolithes superficiels (une seule couche corticale), les bahamites (cortex micritique dépourvu de structure), les sphérulites et les grains composites. La production d’oolithes nécessite une eau chaude, sursaturée et agitée (indicateur paléoenvironnemental : on les trouve aux Bahamas ou dans le golfe Persique). Les ooïdes d'un diamètre > 2 mm sont appelés pisoïdes.
- Les peloïdes : particules microcristallines sans structure interne, de petite taille et de couleur brune. Elles correspondent aux déjections d’organismes marins (pellets ou pelotes fécales).
- Les clastes : ils sont issus d'une remobilisation de sédiments carbonatés. On distingue (1) les intraclastes, avec des fragments de sédiments carbonatés subcontemporains de la matrice et ayant subi un transport faible (anguleux, composition voisine de la matrice) et (2) les extraclastes (ou lithoclastes) ayant subi un transport important (arrondis, âge très différent de la matrice).
La classification de Dunham (1963) et l’hydrodynamisme du milieu
Plus que les constituants (qu’on ne distinguera pas ici), c’est leur agencement, traduisant l’hydrodynamisme du milieu de dépôt (énergie de dépôt) que l’on prendra en compte. La classification est dichotomique, prenant successivement en compte la présence/absence de boue micritique ; la disposition jointive/non-jointive des grains ; la proportion des grains. On discriminera ainsi les grainstones, packstones, wackestones, mudstones. On distingue également les roches construites (boundstones) et les calcaires cristallins.
Fig. 3 - La classification de Dunham (1963)
Présentation dichotomique et illustration des microfaciès associés.
Présentation dichotomique et illustration des microfaciès associés.
Quand on passe des mudstones aux grainstones, on va des milieux de faible énergie (calmes : milieux profonds ou protégés) à ceux de forte énergie (agités, action des vagues) car la conservation in situ de la matrice micritique implique des conditions calmes. On peut donc retracer l’évolution horizontale (paléogéographie) et verticale (analyse séquentielle) des milieux.
La classification d'Embry & Klovan (1971) : le cas des microfaciès récifaux
La classification d'Embry & Klovan (1971) : le cas des microfaciès récifaux
Pour décrire les microfaciès récifaux (bioconstructions), une extension de la classification de Dunham a été proposée par Embry & Klovan (tableau 2).
Tableau 2 - La classification d'Embry & Klovan (1971)
Les roches siliceuses
Bien que la plupart des roches sédimentaires riches en silice soient des roches détritiques issues de l'altération des continents, des dépôts siliceux peuvent aussi provenir d'une précipitation chimique ou biochimique (tests siliceux des radiolaires ou des diatomées). Il s'agit des :
- Diatomites, constituées des frustules siliceux des diatomées (Bacillariophycées). Les diatomites ressemblent à la craie : elles tâchent les doigts d'une farine blanche mais ne font pas effervescence à l'HCl 10% dilué à froid.
- Radiolarites, constituées des spicules siliceux des radiolaires (Actinopodes). Les jaspes, les lydiennes et phtanites sont des variétés de radiollarites.
- Spongolites (gaizes), constituées des spicules d'éponges siliceuses comme les hexactines des Hexactinellides.
- Silexites et cherts, des roches massives généralement rubanées à grain fin (origine indéterminée).
- Silex, accidents nodulaires de silice et chailles.
- Meulières
Les roches phosphatées
Les roches contenant plus de 20% de P2O5 sont les phosphorites, riches en apatite (un minéral de la famille des phosphates). Elles représentent 96% des ressources mondiales en phosphates, et sont utilisées pour l’agriculture (engrais) et l’industrie chimique. Le phosphore est très peu concentré dans l'eau de mer, c'est un élément biolimitant des écosystèmes marins. Sa précipitation est donc exceptionnelle, la plupart des roches sédimentaires contenant moins de 1% de P2O5. On la rencontre sous deux formes :
Nodules phosphatés
On trouve des nodules phosphatés au bord des côtes de la plupart des continents, dans les domaines à faible taux de sédimentation. Ils sont interprétés de la manière suivante :
Des fragments d’os, des écailles de poissons sont concentrés et remaniés par leur transport pour former des grains phosphatiques lentement déposés en strates. Ce phénomène est caractéristique des zones intertidales et des plateaux continentaux.
Nodules phosphatés
On trouve des nodules phosphatés au bord des côtes de la plupart des continents, dans les domaines à faible taux de sédimentation. Ils sont interprétés de la manière suivante :
- Apport de nutriments par les eaux froides et profondes ascendantes des upwellings ;
- Fort taux de productivité organique local (croissance du phytoplancton en surface) donc bioconcentration du phosphore dans les tissus organiques (jusqu’à 1%, soit 100 000x plus que l’eau de mer) ;
- Dépôt de sédiments enrichis en MO, donc en phosphate, au niveau de la zone à oxygène minimum.
- Libération des phosphates par l’action réductrice des bactéries (zone de phosphatogenèse) et vannage des sédiments (l’apatite, minéral dense, est concentrée sur place) au cours de périodes à taux de sédimentation faibles (discontinuités sédimentaires).
Des fragments d’os, des écailles de poissons sont concentrés et remaniés par leur transport pour former des grains phosphatiques lentement déposés en strates. Ce phénomène est caractéristique des zones intertidales et des plateaux continentaux.
Les roches carbonées
Leur richesse en carbone (à ne pas confondre avec l'ion carbonate) provient de la décomposition et de la diagenèse de la matière vivante, on parle aussi de roches organiques. On y distingue :
Les charbons, formés de débris de végétaux ligneux transformés par carbonisation (perte d'oxygène puis d'hydrogène par effet thermique) en produit combustible (enrichissement en carbone, appauvrissement en produits volatiles). Ils comprennent, par degré de carbonisation croissante :
Le pétrole (du latin petro- et -oleum, huile de pierre) regroupe des hydrocarbures liquides.
Les schistes bitumineux ne sont pas des schistes au sens métamorphique, mais des laminites organiques contenant une certaine quantité de kérogène.
L'ambre est une résine fossile de couleur jaune, généralement translucide. L'ambre est susceptible de s'électriser par frottement (son nom grec, elektron, est à l'origine du mot "électricité"). Elle renferme parfois des insectes et des restes d'organismes vivants en bon état de conservation.
Les charbons, formés de débris de végétaux ligneux transformés par carbonisation (perte d'oxygène puis d'hydrogène par effet thermique) en produit combustible (enrichissement en carbone, appauvrissement en produits volatiles). Ils comprennent, par degré de carbonisation croissante :
- La tourbe (55% de C), légère, brunâtre et peu transformée : on y distingue encore des débris de sphaignes (Bryophytes). Elles sont formées par l'accumulation de ces mousses dans les tourbières (milieu acide) ;
- Le lignite (70 à 75% de C) où les débris végétaux ligneux sont reconnaissables. Le jayet (jais) en est une variété à éclat brillant.
- Le charbon proprement dit ou houille s.l. (85% de C), noir et salissant, dont le contenu en matières volatiles peut varier : charbon flamboyant gras (> 33%), gras (20 à 33%), demi-gras (12 à 20%), maigre (8 à 12%). La houille s.s. en contient 5%.
- L'anthracite (90 à 95% de C) représente une forme encore plus concentrée
- Le graphite, minéral formé de carbone pur (polymorphe du diamant) et rencontré dans le domaine du métamorphisme.
Le pétrole (du latin petro- et -oleum, huile de pierre) regroupe des hydrocarbures liquides.
Les schistes bitumineux ne sont pas des schistes au sens métamorphique, mais des laminites organiques contenant une certaine quantité de kérogène.
L'ambre est une résine fossile de couleur jaune, généralement translucide. L'ambre est susceptible de s'électriser par frottement (son nom grec, elektron, est à l'origine du mot "électricité"). Elle renferme parfois des insectes et des restes d'organismes vivants en bon état de conservation.
> Les roches chimiques
Les évaporites
Les évaporites sont des alternances de sels de chlorures ou de sulfates et de niveaux argileux, calcaires ou dolomitiques (qui pourront ensuite donner des cargneules). Elles se forment dans des environnements lagunaires peu ou pas reliés à la mer (en période régressive) ou dans les lacs salés. La précipitation chimique des sels est alors causée par une évaporation intense et est auto-entretenue par la rétention d’eau dans les minéraux hydratés (gypse, carnallite).
On y trouve successivement (ex. modèle du bull’s eye pattern) : le gypse (CaSO4, n H2O) à la base du plâtre, l’anhydrite (CaSO4), le sel gemme (halite) (NaCl) utilisé dans l’économie domestique, dans l’industrie alimentaire et chimique ainsi que pour le salage des routes en hiver, la carnallite et la sylvite (KCl), utilisés comme engrais. On trouve de l’halite et du gypse dans le Keuper jurassien et de la sylvite dans la potasse d’Alsace.
Les évaporites sont également une source importante de métaux comme le lithium (batteries) (ex. le salar chilien d’Atacama). Par leur plasticité rendue effective en profondeur par le gradient géothermique et le poids des sédiments, les roches salines sont facteurs d’instabilité. Elles ont tendance à fluer vers la surface en donnant naissance à de curieux phénomènes (dômes de sel, plis diapirs, décollements, « couche savon ») ; c’est la tectonique salifère ou halocinèse.
On y trouve successivement (ex. modèle du bull’s eye pattern) : le gypse (CaSO4, n H2O) à la base du plâtre, l’anhydrite (CaSO4), le sel gemme (halite) (NaCl) utilisé dans l’économie domestique, dans l’industrie alimentaire et chimique ainsi que pour le salage des routes en hiver, la carnallite et la sylvite (KCl), utilisés comme engrais. On trouve de l’halite et du gypse dans le Keuper jurassien et de la sylvite dans la potasse d’Alsace.
Les évaporites sont également une source importante de métaux comme le lithium (batteries) (ex. le salar chilien d’Atacama). Par leur plasticité rendue effective en profondeur par le gradient géothermique et le poids des sédiments, les roches salines sont facteurs d’instabilité. Elles ont tendance à fluer vers la surface en donnant naissance à de curieux phénomènes (dômes de sel, plis diapirs, décollements, « couche savon ») ; c’est la tectonique salifère ou halocinèse.
Les roches ferrugineuses
Deux grands types de formations, d’âges et d’origine différents, sont connus pour leur richesse en minéraux ferrifères :
- Les minerais de fer rubané (BIF) du Précambrien, indicateurs de l'oxygénation des océans ;
- Les faciès d’oolithes ferrugineuses (Ordovicien et Jurassique) : époques de haut niveau marin et de pénéplanation continentales, sous climat généralement humide (sols latéritiques).
Fig. 4 - Minerais de fer rubané.
On distingue bien les alternances de niveaux gris plus riches en fer (hématite), et de niveaux rouges plus siliceux.
L'échantillon présente également de nombreuses micro-failles et micro-filons de silice recoupant les rubans.
(Échantillon et photographie : Musée des Confluences, Lyon).
On distingue bien les alternances de niveaux gris plus riches en fer (hématite), et de niveaux rouges plus siliceux.
L'échantillon présente également de nombreuses micro-failles et micro-filons de silice recoupant les rubans.
(Échantillon et photographie : Musée des Confluences, Lyon).
> Les roches volcano-sédimentaires
Elles sont principalement constituées de pyroclastes, des produits volcaniques contemporains de leur dépôt. Avant de classer les roches volcano-clastiques, il faut déjà connaître la classification des pyroclastes. On distingue ainsi :
- Les cendres (t < 2 mm) ;
- Les lapillis (2 < t < 64 mm) ;
- Les blocs (éléments anguleux issus de matériel volcanique déjà induré) et les bombes (éléments formés à partir d'un magma plus ou moins en fusion).
Fig. 5 - La classification des pyroclastites