Formation des roches sédimentaires

Formation des roches sédimentaires– cours

La formation des roches sédimentaires 

 

I. Introduction

1- Définition

Les roches sédimentaires sont des roches exogènes (c’est-à-dire formées à la surface de la Terre) qui représentent 5 % en volume de la croûte terrestre. Elles sont très répandues à la surface (elles couvrent 75 % de la surface).

Les roches sédimentaires ont une grande importance du point de vue économique : le pétrole, le gaz, le charbon, l’uranium, les matériaux de construction sont d’origine sédimentaire. Les roches sédimentaires se forment à partir de sédiments.

2- Étapes de la formation des roches sédimentaires

Quatre processus interviennent dans la formation des roches sédimentaires :

  1. Érosion
  2. Transport
  3. Dépôt ou sédimentation
  4. Diagenèse

Questions :

  • Quelle est l’influence de l’érosion sur les paysages géologiques ?
  • Comment se fait le transport et le dépôt des produits de l’érosion ?
  • Comment se transforment les éléments déposés en roches consolidées ?

II. Influence de l’érosion sur les paysages géologiques

1- Introduction

Les paysages géologiques sont constitués de roches de nature variable. Les paysages sont souvent modifiés par les facteurs de l’érosion.

Questions :

  • Quels sont les facteurs de l’érosion ?
  • Comment agissent-ils sur les paysages géologiques ?

2- Définition

L’érosion est un phénomène naturel qui se manifeste par la dégradation progressive des roches.

Les principaux agents d’érosion sont :

  • Les eaux courantes
  • Les vagues marines
  • Les vents
  • Le soleil (variation de la température)
  • Les glaciers
  • Influence de la végétation

3- L’érosion mécanique

Action des vagues : La mer, par le choc répété des vagues, réussit à fragmenter les roches du littoral.

L’eau qui gèle et qui est emprisonnée dans les fissures de la roche la fait éclater. L’argile est constituée de fines particules qui se mettent facilement en suspension dans l’eau de pluie qui les entraîne.

              

Action de l’alternance gel-dégel

Dans les endroits où les variations de température sont importantes (ex: déserts, hautes montagnes), l’eau s’infiltre dans les fissures des roches et prend plus de volume lorsqu’elle passe de l’état liquide à l’état solide (gel). Quand la température augmente (dégel), l’eau passe à l’état liquide.

Ces variations de température provoquent la destruction des roches.

             

Action du vent

En bord de mer, les vents modifient régulièrement la forme des dunes.
Une dune est constituée de sable fin déposé sur la côte par la mer.
Ce sable est déplacé par les vents dominants qui soufflent de l’océan vers la terre.
Dès qu’il rencontre un obstacle, le sable s’accumule. Ainsi, chaque jour, la dune
se déplace.

4- L’érosion chimique

Expérience

De fines particules de calcaire (par exemple, de la poudre de craie) sont mises en suspension dans de l’eau distillée (eau pauvre en dioxyde de carbone) dans un premier tube à essais et dans de l’eau gazeuse riche en dioxyde de carbone dans un second tube à essais.

Au début de l’expérience, l’eau des deux tubes est blanchâtre, puis on remue avec un agitateur.

La dissolution du calcaire se fait selon la réaction:


Conclusion
Dans la nature, l’eau, riche en dioxyde de carbone, est donc capable de dissoudre le calcaire.

5- Conclusion

L’érosion permet de transformer les roches en éléments détritiques de différentes tailles qui s’accumulent sur place ou sont déplacés principalement par l’eau.

Les roches altérées produisent de nombreux blocs et particules qui vont être déplacés et participer à la formation des sédiments.

III. Transport des produits de l’érosion

1- Introduction

Les sédiments issus de l’érosion peuvent être transportés sur de grande distance par le vent, ou par les eaux dans les fleuves, rivières ou courants océaniques.
Parmi les agents de transport, il y a par exemple :
• La pente et la masse des débris
• Le courant dans une rivière ou un torrent
• L’écoulement lent de la glace dans un glacier en montagne
• Le vent pour les grains de sable

2- Rôle de l’eau et du vent dans le transport des produits de l’érosion

Les roches altérées produisent de nombreux blocs et particules qui vont être déplacés et participer à la formation des sédiments.

L’eau

L’eau intervient pour une grande part dans le déplacement des particules mais ce n’est pas le seul moyen.

Pour entraîner les particules dissoutes, la force du courant doit être plus grande que les forces de rétention exercées par la roche.

Les eaux de pluie transportent les éléments détritiques et solubles issus de l’érosion jusqu’aux rivières qui poursuivent le transport de ces éléments vers le milieu de leur dépôt.

Pour les torrents on peut définir 3 zones :

  • Le bassin de réception : il reçoit les eaux d’écoulements. L’érosion est prédominante par ravinements et éboulements, elle ronge ainsi la montagne vers le haut.
  • Le chenal d’écoulement : c’est le torrent proprement dit, il transporte les éléments érodés.
  • Le cône de déjection : c’est là où se déposent les éléments grossiers transportés par le torrent.

Le vent

Le vent va transporter essentiellement des sables mais également de très grandes quantités de poussières (jusqu’à 200 millions de tonnes par an uniquement pour le Sahara).

Le vent peut également déplacer des particules fines (sables, argiles) sur de grandes distances.

Le transport des différents éléments dépend de la taille des particules et de la force du courant : plus la vitesse d’écoulement de l’eau (ou la pente) est importante, plus les éléments seront transportés loin.

Les éléments les plus petits sont transportés plus loin que les éléments de grandes tailles.

En fonction de leur taille, les éléments détritiques peuvent être transportés par charriage (pour les éléments de grosse taille) ou en suspension (pour les éléments fins).

En ce qui concerne le transport, on distingue selon la taille des particules :

  • Le transport en solution
  • Le transport en suspension
  • Le transport des grosses particules par charriage sur le fond

3- Les éléments transportés témoignent des conditions de leur transport

Le Quartz est un minéral parmi les constituants du sable. Pour observer les grains de quartz du sable, on suit les étapes suivantes :

  1. On lave le sable avec de l’eau courante pour éliminer les éléments argileux.
  2. On ajoute l’eau oxygénée pour se débarrasser de la matière organique.
  3. On observe le sable par la loupe binoculaire.

L’observation de la forme et de l’aspect de surface des grains de Quartz permet de distinguer 3 types de grains, chaque type est le résultat d’un mode de transport :

  • Sable fluviatile : transport en milieu aquatique sur une courte distance.
  • Sable de plage : transport en milieu aquatique pendant longtemps.
  • Sable éolien : transport en milieu aérien sur une longue distance.

IV. La sédimentation (Dépôt des produits de l’érosion)

1- Introduction

Suite à leur transport par des agents divers (eau, vent, glaciers, etc.), les particules issues de l’érosion se déposent. Ce phénomène est appelé la sédimentation. Les particules qui se déposent sont appelées sédiments et sont à l’origine des roches sédimentaires.

Elles forment des couches (ou strates) qui se déposent les unes sur les autres. Lorsque la vitesse de l’agent de transport devient trop faible pour continuer à transporter les sédiments, ces derniers se déposent. Le dépôt se fait dans des bassins de sédimentation, le plus souvent au fond des mers.

2- Dépôt des sédiments détritiques

Les particules sont le plus souvent transportées par l’eau. Cependant, le vent aussi les déplace. Elles s’accumulent dans les creux du relief ou au fond de l’eau.

Quel que soit le milieu, marin, lacustre (lacs), fluviatile (fleuves et rivières) ou terrestre (désert), l’ensemble des particules finit par se déposer en couches superposées formant des dépôts sédimentaires.

Les dépôts sédimentaires se présentent donc sous forme de couches successives, les plus basses couches correspondant aux dépôts les plus anciens.

Nom des particules en fonction de leur taille (granulométrie)
Taille en mmNom des particules
> 100Blocs
10 – 100Galets
2 – 10Graviers
0,1 – 2Sables
< 0,1Particules fines (argile)
Diagramme de Hjulström

Le diagramme de Hjulström permet de connaître le comportement d’un grain en fonction de la vitesse du courant d’eau, et en fonction de la taille de ces grains. À partir de ce diagramme, on peut donc définir le comportement des particules, à savoir s’il y a érosion, transport ou dépôt, en fonction de leur taille et de la vitesse du courant.

Il existe une relation entre le diamètre des grains transportés et la vitesse de déplacement de l’eau. Cette relation est définie par le diagramme de Hjulström. Les particules ne sont arrachées et transportées que si la vitesse est suffisante.

Relation entre la vitesse du courant et la taille des particules
  • Pour les particules de 0,1 mm, la vitesse du courant qui permet le dépôt est de 1,10 cm/s.
  • Pour les particules de 10 mm, la vitesse du courant qui permet le dépôt est de 80 cm/s.
  • Pour les particules de 100 mm, la vitesse du courant qui permet le dépôt est de 900 cm/s.

Le transport et la sédimentation des particules dépendent de :

  • La taille des particules
  • La vitesse d’écoulement du fluide

Plus la taille des particules détritiques est élevée, plus la vitesse du courant qui permet leur dépôt est élevée également.

3- Dépôt des sédiments chimiques

Dans une lagune par exemple, les sels se concentrent de plus en plus pour donner des évaporites (ex: gypse, sel gemme ou NaCl).

Évaporites : Ce sont des sédiments résultant de la précipitation des sels après évaporation de l’eau.

Lagune : C’est une étendue d’eau généralement peu profonde séparée de la mer par une barrière.

4- Dépôt des sédiments biochimiques

Le dépôt des sédiments biochimiques est lié à l’activité du plancton et d’autres organismes marins.

Ces organismes accumulent certains éléments chimiques dans leur squelette, qui se dépose au fond du bassin après la mort de l’organisme.

V. La diagenèse

1- Comparaison entre sédiment et roche sédimentaire

Les affleurements géologiques présentent des roches sédimentaires comme le sable (sédiment meuble formé de quartz) et des roches sédimentaires consolidées comme le grès (roche sédimentaire compacte et cohérente formée de grains de quartz comparables à ceux du sable).

Roche cohérente : Une roche cohérente est une roche formée de grains liés entre eux.

 

Roche meuble : Une roche meuble est une roche dont les grains sont séparés.

2- La transformation des sédiments accumulés

On appelle diagenèse le processus physico-chimique qui transforme un sédiment meuble en roche consolidée.

La diagenèse passe par deux étapes :

  1. La compaction : les sédiments se rapprochent entre eux avec diminution des vides ou des pores entre les particules, et élimination de l’eau qui se trouve entre les pores.
  2. La cimentation ou lithification : les sédiments se lient entre eux par un ciment d’origine chimique. Les sédiments se transforment alors en une roche solide.

VI. Classification des roches sédimentaires

1- Introduction

Les roches sédimentaires proviennent de l’accumulation de sédiments (argile, sable, gravier) qui se déposent en couches dans un bassin, à la surface de l’écorce terrestre.

Une roche est un matériau solide en général formé d’un assemblage de minéraux. Les roches sont constituées de minéraux, et les minéraux sont constitués d’éléments chimiques. Une roche peut être constituée d’une ou de plusieurs espèces minérales.

2- Exemples des roches sédimentaires

3- Classification des roches sédimentaires

La classification des roches sédimentaires s’effectue selon plusieurs critères :

  • En fonction de la taille de leurs constituants.
  • Selon l’origine de leurs constituants.
  • Selon leur composition physico-chimique.
Classification des roches selon l’origine des éléments qui les constituent
Les rochesOrigine des éléments de la roche
DétritiquesElles résultent de l’accumulation de débris de minéraux et de roches arrachées par érosion.
ChimiquesElles proviennent de la précipitation d’éléments chimiques présents dans les eaux de mers ou transportés en solution suite au phénomène d’altération.
BiochimiquesCe groupe comporte des roches dont l’origine est liée directement ou indirectement à l’intervention d’organismes vivants présents dans la mer.
Classification simplifiée des roches détritiques
Nom de la particuleTaille de la particuleNom du sédimentClasseNom de la roche solide
Blocs> 256 mmGraviersRuditesConglomérats (poudingues si les particules sont arrondies, sinon ce sont des brèches)
Gros cailloux64-256 mmGraviers Conglomérats
Petits cailloux2-64 mmGraviers Conglomérats
Sable1/16-2 mmSablesArénitesGrès
Silts1/256-1/16 mmSiltsLutitesSiltites
Argile< 1/256 mmArgiles Argilites

Classification des roches selon leur composition chimique

Composition chimiqueClasse de rocheExemple de roche
SiliceSiliceuseRoche de silice
Silicate d’alumineArgileuseRoche d’argile
Carbonate de calciumCarbonatéeCalcaire
Phosphate de calciumPhosphatéeRoche de phosphate
Matière organiqueCarbonéeAnthracite
Chlorure, potassium, sodiumÉvaporitiqueSel

Formation des roches sédimentaires– cours