INITIATION AUX SCIENCES DE LA TERRE Séance 2 : Géologie sédimentaire

Plan de l’exposé Rappels Qu’est-ce qu’une roche Le cycle des roches Les grands principes de la géologie Les principaux constituants minéralogiques des roches sédimentaires Le quartz Les argiles Les carbonates Origine des roches sédimentaires Environnement de dépôt Mécanismes de formation Caractères généraux des r. sédimentaires Les matériaux non cohérents Les matériaux cohérents : Les argiles Les matériaux cimentés Les évaporites Les matériaux d’origine organique

Les roches sédimentaires résultent de l'accumulation et du compactage de débris d'origine minérale (dégradation d'autres roches), organique (restes de végétaux ou d'animaux, fossiles), ou de précipitation chimique Ce sont des roches exogènes c'est-à-dire qui se forment à la surface de la Terre. Formation qui a nécessité un processus d’altération puis de transport Les roches sédimentaires affleurent sur 75 % de la surface des continents, En considérant l'ensemble de la croute terrestre (depuis la surface jusqu'à 35 km de profondeur sous un relief plat), elles ne constituent plus que 5 % de son volume total. Répartition des r. sédimentaires à la surface des continents

I . Rappels 1. Qu’est-ce qu’une roche ? D’après le dictionnaire de géologie (Foucault et Raoult, 1988) : Du latin rocca Matériau constitutif de l’écorce terrestre Formé en général d’un assemblage de minéraux et présentant une certaine homogénéité statistique Le plus souvent dur et cohérent (pierre, caillou) Parfois plastique (argile) ou meuble (sable) Et même liquide (huile)

Le magma à l’origine de la croute 2 . Le cycle des roches Le magma à l’origine de la croute Cristallisation du magma donne les r. ignées ou magmatiques Altération, sédimentation, diagénèse donnent les r. sédimentaires Température et la pression donnent les r. métamorphiques

3. Les grands principes stratigraphiques Principe de superposition : la couche la plus basse est la plus ancienne Principe élémentaire de chronologie relative La couche B s'est déposée après la couche A. La couche I est la dernière déposée

Principe de continuité : une même couche a le même âge sur toute son étendue Corrélation car un même banc s'est déposé ou formé dans le même laps de temps. Comparaisons basées sur la nature lithologique ou sur les assemblages fossiles. Échelles biostratigraphiques avec foraminifères, ammonites, pollens… Découper les temps géologiques en périodes de durée variable : ères, systèmes, étages, zones

II . Les principaux minéraux constituants des roches sédimentaires Les constituants les plus communs sont Le quartz Les minéraux argileux La carbonates Le gypse Les oxydes Etc…

1 . Le quartz Le quartz forme des prismes hexagonaux terminés par des pyramides Formé par des tétraèdres SiO4 disposé en hélice Très répandu dans les roches magmatiques et dans les roches sédimentaires car très résistant à l’érosion Très dur (il raye le verre et l’acier), peu soluble Transparent et limpide, blanc laiteux, ou coloré, éclat gras La calcédoine est un quartz fibreux dans les r. Sédimentaires L’opale est une silice hydratée amorphe (silex, meulières) Très fréquent dans les r. sédimentaires détritiques (sables, grés…)

2 . Les argiles Ce sont des minéraux de type silicates de Al, K et Mg Ils sont constitués par des feuillets empilés les uns sur les autres La constitution de chaque feuillet, la périodicité de l’empilement et la nature des ions interfoliaires caractérisent le minéral Chaque feuillet est composé au moins de deux couches : Une couche tétraèdrique formée par des tétraèdres SiO4 liés entre eux en couches planes Une couche octaèdrique formée par des octaèdres dont le centre est occupé par un Al et les six sommets par des O et des OH

Les principaux groupes

Quelques caractéristiques Groupes Surfaces spécifiques m2.g-1 Capacité d’échange meq/100g Limite de plasticité % Limite de liquidité Kaolinite 10 à 40 3 à 15 26 à 38 29 à 73 Illite 65 à 100 100 à 150 34 à 60 59 à 120 Montmorillonite 50 à 800 50 à 80 51 à 98 108 à 710

Le cas des bentonites C’est le nom commercial de la montmorillonite (ou smectite) C’est la principale composante : Des litières pour chats Fréquemment dans les produits industriels et pharmaceutiques ; (tablettes de chocolat !) Des fonds de décharge Des boues de forage et des parois moulés et membranes étanches.

3 . Les carbonates Essentiellement dans les roches sédimentaires. Trois types représentent 99% des r. carbonatées : La calcite CaCO3 : raye l’acier, soluble dans HCl L’aragonite CaCO3 : test des mollusques et gastéropodes La dolomite Mg,CaCO3 : moins soluble que la calcite

4 . Les minéraux liés aux évaporites Minéraux qui se forment par précipitation à partir de saumure Les sulfates de calcium : l’anhydrite et le gypse Les chlorures : halite et sylvinite

5 . Autres minéraux Les sulfures : pyrite, blende, galène, cinabre Les oxydes : hématite, limonite Les phosphates : apatite

III . Origines des roches sédimentaires

1 . Mécanismes de formation Roches ignées forment le gros du volume de la croûte terrestre, Roches sédimentaires forment le gros de la surface de la croûte. Quatre processus : l'altération superficielle, le transport, la sédimentation, la diagenèse. Trois sources : terrigène, allochimique (coquilles), orthochimique (précipités chimiques durant la diagenèse).

Altération superficielle Trois types: mécaniques, chimiques et biologiques. Les processus mécaniques (ou physiques) : action du gel/dégel, racines, etc... L'altération chimique : des silicates comme les feldspaths, sont facilement attaqués par les eaux de pluies et transformés en minéraux des argiles (phyllosilicates) pour former des boues. Certains organismes ont la possibilité d'attaquer biochimiquement les minéraux. Certains lichens vont chercher dans les minéraux les éléments chimiques dont ils ont besoin. L'action combinée de ces trois mécanismes produit des particules de toutes tailles. processus général de la sédimentation.

Evolution zonale des types d’altération en fonction des conditions pluviométriques et thermiques

Le transport. Le vent, la glace, mais surtout l'eau assure le transport des particules. Selon le mode et l'énergie du transport, le sédiment résultant comportera des structures sédimentaires variées: stratification en lamelles planaires, obliques ou entrecroisées, granoclassement, marques diverses au sommet des couches, etc. Les roches sédimentaires hériteront de ces structures. Le transport des particules peut être très long. En fait, ultimement toutes les particules devront se retrouver dans le bassin océanique.

Comparaison des différents moyens de transport en sédimentologie AGENT TYPE D'ECOULEMENT VITESSE MOYENNE DIMENSION MAXIMUM DES ELEMENTS ENLEVES* SURFACE AFFECTEE CHARGE MAXIMUM SUR LE TERRAIN TYPE DE TRANSPORT Torrents et cours d'eau Turbulent et à la limite, proche de laminaire De quelques mm/s à 5 m/s Galets, Graviers et sables Bassins versants entiers Jusqu'à plusieurs kg.m-3 Roulement, glissement sur le lit alluvial,1 en suspension, en solution Vagues sur rivages Uniquement turbulent Quelques mètres par seconde Graviers et sables. Exceptionnellement, blocs Rivages Plusieurs kg.m-3 Roulement et chocs Vent Turbulent Très variable jusqu'à 120 km/h Sables. Dimension la plus courante : 0,2 mm Zones arides e t semi-arides, plages, terrains à nu Roulement, saltation, suspension Glaciers Laminaire plastique Quelques mètres par an Gros blocs à éléments argileux Zones montagneuses Jusqu'à des centaines de kg.m-3 Base, centre et surface du glacier Eaux souterraines Laminaire Quelques mètres par an Colloïdes et solutions Roches et terrains baignés et traversés Quelques kg.m-3 Solution Gravité Mouvements irréguliers ou lents : glissements De quelques cm. an-1 à plusieurs m.s-1 Blocs à colloïdes Falaises, talus d'éboulis, pentes argileuses ou sableuses Jusqu'à La densité des roches 2700 kg. m-3 Chutes, saltation, plasticité * Cette dimension dépend, dans le cas des cours d'eau, de la turbidité des eaux.

La sédimentation. Tout le matériel transporté s'accumule dans un bassin de sédimentation, ultimement le bassin marin, pour former un dépôt. Les sédiments se déposent en couches successives dont la composition, la taille des particules, la couleur, etc., varient dans le temps selon la nature des sédiments apportés. Les dépôts sédimentaires sont stratifiés et que les roches sédimentaires issues de ces dépôts composent les paysages stratifiés

Graphique de Sundorg (1967) qui reprend les principes du diagramme de Hjuslstrom pour un matériau uniforme de densité 2650 kg.m-3. La vitesse est mesurée à 1 mètre au dessus du fond. Les courbes montrant la concentration relative du matériau en suspensionindiquent le rapport entre la concentration à la moitié de la profondeur et la concentration de référence, immédiatement au dessus du fond

La diagenèse Transformation d'un sédiment en roche sous l'effet de la diagenèse. Englobe tous les processus chimiques et mécaniques qui affectent un dépôt sédimentaire après sa formation. La diagenèse commence sur le fond marin et se poursuit tout au long de son enfouissement, Les processus de diagenèse sont variés et complexes : compaction du sédiment, cimentation, recristallisation, métasomatose, phases de dissolution, de recristallisation, de remplacement de minéraux. Principaux agents : La pression lithostatique : 2 à 3 bar par 10m de profondeur La température augmente avec l’enfouissement La circulation des eaux Les facteurs biologiques : les bactéries (modification du pH, réduction des sulfates) Durée de la diagénèse

Exemple de la cimentation L'induration (cimentation) d'un sédiment peut se faire : Tôt dans son histoire, (pré-compaction) les fluides circulent et précipitent des produits soudent les particules. Tardivement, lorsque la pression est grande (empilement des sédiments). la pression élevée exerce aux points de contact entre les particules de quartz d'un sable d’où dissolution locale du quartz, une sursaturation des fluides par rapport à la silice et une précipitation de silice sur les parois des particules les cimente

2. Environnement de dépôt Milieu continental : répartition des matériaux

Milieu lacustre et marin : répartition des matériaux

Les caractéristiques du milieu marin Les divisions morphologiques sous-marines et les zones de sédimentation

Une dynamique des milieux différents

Une diversité de roches carbonatée Classification de Dunham basée sur la proportion des grains et de la matrice Pas de grains discernables d’une matrice boundstone (calcaire construit par algues, polypiers)

Variabilité spatiale du bassin occidentale de Paris Importance du paléoenvironnement

Séquence de Transgression Progression marine sur une aire continentale Résultat de : Ascension du niveau de la mer : eustatisme Affaissement du continent : subsidence Couche qui s’avance (onlap) et s’étend (toplap) Séparée par une surface de discordance Superposition de couche de plus en plus loin des côtes ou plus en plus profond donc diminution de l’énergie du milieu

Séquence de régression Phénomène inverse par Retrait de la mer Abaissement du niveau marin Surrection du continent Avancée des terres émergées : progradation Retrait des couches par rapport aux autres Superposition de plus en plus prés des côtes ou moins en moins profondes Augmentation de l’énergie

IV . Caractères généraux des r. sédimentaires D’une manière générale la dénomination des sédiments et roches sédimentaires se fait en deux temps : Taille des particules (la granulométrie) chez les terrigènes et les allochimiques. Deux tailles sont importantes à retenir : 0,062 et 2 mm.. Ensuite, on complète la classification par la composition minéralogique. La composition des particules des terrigènes se résume au quartz, feldspath, fragments de roches (morceaux d'anciennes roches qui ont été dégagés par l'érosion) et minéraux des argiles. Allochimiques sont principalement des calcaires. Les particules des allochimiques sont formées en grande partie par les coquilles ou morceaux de coquilles des organismes (calcite ou aragonite). Les sédiments des zones tropicales sont surtout formés de ces coquilles, Orthochimiques, le nom est essentiellement déterminé selon la composition chimique. Plusieurs types de classification

Classification géologique Les géologues utilisent souvent cette classification basée sur la nature, la granulométrie et la nature du liant Ils utilisent aussi la classification de Dunham pour les r. carbonatées

Classification adoptée dans ce cours Elle est volontairement axée sur les deux grandes subdivisions des la science des fondations (d’après Lévèque, 1981) Mécanique des sols pour les matériaux cohérents ou non cohérents, non cimentés Mécanique des roches pour les matériaux cimentés Le classement en termes meubles puis cohérents a pour critère la granulométrie décroissante. Les r. carbonatées sont traitées suivant ce schéma car elles ont une texture et des caractéristiques mécaniques qui dépendent de leur origine et de leur mode de formation

Classification des sédiments et r Classification des sédiments et r. sédimentaires (d’après Lévèque, 1981) Etude Texture Matériau Composants Caractéristiques Mécanique des sols Non cohérentes Eboulis Eléments anguleux Peu de transport Conglomérats, Blocs, Graviers Blocs arrondis Transport sur de grandes distances Sables Usures diverses Transport hydraulique ou aérienne Silts Grains fins Matrice variable Loess Grains très fins Voie aérienne Cohérentes Argiles 7 à 8 Minéraux Plastiques Mécanique des roches Cimentées Brèches Ciment argilo-calcaire et gréseux Grès Grains de quartz cimentés Détritiques Argilites, shales, siltstones Minéraux argileux et quartz Argiles prépondérantes, surtout Illite et chlorite Marnes Calcite et argiles Cimentation variable Calcaires Calcite et éléments détritiques Aspects et origines variables Dolomies Dolomite Evaporitiques Gypse Sulfate de calcium R. solubles, précautions d’utilisation Anhydrite Origine organique Tourbe, lignite, charbon Carbone dominant Tourbe redoutée

1 . Les matériaux non cohérents Sédiments récents, érodés, transportés sur des distances variables Non cimentés, ni liés par des matériaux fins Argileux Evolution différentes des éboulis aux conglomérats, aux galets, aux sables et aux loess Résultats de cycles orogéniques, pour les plus récents résultats de cycles climatiques (glaciation et déglaciation du IV)

Eboulis et brèches non ou peu consolidés

Exemple de Brèche de faille Conglomérats de Valfleury Exemple d’éboulis en Alberta (Canada)

Formations alluviales : blocs, galets, graviers, sables, silts Catégories d’éléments de terrains meubles, provenant d’un transport en général assez long, principalement par voie hydraulique Les blocs : Taille en générale supérieure à 20 à 30 cm En pratique c’est surtout l’action de ces blocs qui est important Les blocs et les galets auront une influence sur l’angle d’un talus s’ils sont moins arrondis Ces blocs peuvent être d’excellents repères lors des reconnaissance par sondage s’ils sont d’une nature pétrographique différentes du bed-rock

Graviers et sables Attention à la stratification, elle peut faire croire à un pendage des couches carottées, il est nécessaire de faire un examen d’ensemble de la formation Les caractéristiques mécanique dépendent de la granulométrie du dépôt, mais aussi de la compaction donc aux conditions de mise en place Plusieurs coefficients caractérisent ce matériau obtenu principalement avec les courbes granulométriques. Par exemple le coefficient d’uniformité U=d60/d10 (voir cours méca sol)

Dépôts d'une plaine alluviale proximale, avec une rivière anastomosée en Allemagne

Sable artificiellement composé Sable des landes mis en place par voie hydraulique Sable de Fontainebleau et de dunes (caractères communs d’origine éolienne) Sable silteux de la vallée du Nil

Les loess ou limons des plateaux Les silts Sédiments détritiques meuble dont leurs tailles sont comprises entre 3,9 µm et 62,5 µm. Leurs propriétés s’apparentes plutôt à celles des argiles Leurs différences de caractéristiques mécaniques apparaissent en présence d’eau : Plasticité faible ou nulle ; imperméables, sensibles au gel, difficilement compactables, volume dépendant de leur teneur en eau Les loess ou limons des plateaux Ce sont des dépôts éoliens hérités des secteurs d’alimentation des terrains périglaciaires Leurs tailles limitent sont situées entre 10 et 100 µm ou 2 et 50 µm (pour les sédimentologues) Ils sont constitués de particules de quartz, de calcaires (10 à 20%), et d’argile La surface des loess est souvent décalcifiée, en loehm rougeâtre De part leur fort indice des vides , ils peuvent constituer des terrains de fondations délicats

Enregisterment de loess et paléosol prés d’Elba au Nébraska

2 . Matériaux cohérents non cimentés : les argiles Il faut d’abord noter que le sens du mot argile peut divers : Matériau plastique ou qui le devient par addiction d’eau Ensemble des minéraux argileux Particules inférieures à 4 µm Pour l’ingénieur peu géologue, les fondations argileuses se ressemblent et ne sont différentiables que par des mesures : teneur en eau, limites d’Atterberg, cohésion. Elles peuvent être décrites en fonction de leur gisement car elles proviennent de l’altération des roche par hydrolyse En milieu continental souvent en forme lenticulaires (cas des vallées alluviales larges) En milieu marin, la sédimentation des matériaux argileux aboutit à des gisements pls vastes et réguliers

Coupe d’argile varvée du Trièves (Sud de Grenoble)

3 . Les matériaux cimentés Ce sont des roches de générations successives Leurs origine est multiple : Résultat d’altération de roches endogènes, métamorphiques ou sédimentaires Résultats d’actions biologiques dans des masses d’eaux salée ou douces Résultats de précipitations chimiques Ces matériaux peuvent subir à leur tour plusieurs remaniements Siliceuses Grès à ciment de silice Quartzite Grès feldspathiques Arkoses Grès calcaires Grès argileux Meulières Carbontées Calcaires Dolomies Classification adoptée dans l’exposé

Les roches à silices prédominantes Les principales roches utilisées comme matériau dans le Génie Civil sous forme de fondations ou de massifs à terrasser sont : Les grès sont à l’origine des sables que la diagénèse a fait évoluer en une roche dure (dureté 7). On les distingue par la nature de leur ciment : Les grès siliceux : cimentés avec de la silice secondaire, s’ils sont bien cimentés ce sont bdes roches très résistantes, sinon elle peuvent se décimenter et donner du sable Les grès calcaires : cimentés avec de la calcite, d’origine marine, fréquents dans les série sédimentaires transgressives. La dissolution de la calcite finit par altérer la compacité et la résistance mécanique de la roche Les molasses (grès post-orogénique) sont des roches en générale fragile. Les Quartzites sont le résultat de la précipitation de silice secondaire

Massif de grès De Zion Park Stratification entrecroisée

Les Roches carbonatées Ce sont les actions biogéniques qui sont à l’origine de la plupart des r. carbonatées Les principales variétés sont : Les calcaires à ciment calcique de résistance proche de la calcite Les calcaires à ciment siliceux plus résistant que leurs homologues calciques Les calcaires quartzeux de résistance qui peut évoluer en fonction de la dissolution sélective Les lumachelles constitué d’amas de tests utilisé fréquemment pour la confection de chaux et de ciment La craie formée de test de microfossiles qui couvre de vaste superficie (bassin parisien et Nord) à des grandes variétés mécaniques. Du fait de nombreuses fondations et ouvrages elle a donnée lieu à des méthodes de reconnaissance particulières afin d’obtenir des corrélations avec des paramètres mécaniques. Les dolomies sont classée en fonction de leur concentration en dolomite, elles sont en générales plus dures que les calcaires pures.

Des Calcaires aux Marnes On observe dans cette variété des degrés d’invasion des carbonates par les argiles Depuis les calcaires peu argileux aux marnes constituées d’un mélange de calcite et de minéraux argileux (illite et chlorite) La sensibilité et l’altérabilité de ces matériaux sont principalement fonction de leur teneur en eau On admet le terminologie suivante : Carbonates Argiles Calcaires 90 à 95 % 0 à 5 % Calcaires argileux 65 à 95 % 5 à 35 % Marnes 35 à 65 % Argiles calcaires

Calcaires avec quelques couches fines marneuses (Saint Pierre d’Entremenont, Savoie) Marnes Fine barre calcaire Marnes Marnes à passé calcaire (La Voulte, Ardèche)

Terminologie courante des R. carbonatées Calcaire lithographique : calcaire fin (mudstone) Calcaire graveleux : formé de sables roulés calcaire Calcaire coquilliers, lumachelle : test de fossiles identifiables (bioclastique) Calcaire à entroques ou crinoïdien : échinodermes Craie : foraminifère Calcaire gréseux : grains de quartz Calcaire argileux Marne : roche argileuse de 35 à 65% de carbonate

4 . Les évaporites Cette catégorie de roches, toutes solubles, constitue le cauchemar des constructeurs et des maitres d’œuvre d’ouvrages, surtout dans le cas d’ouvrages hydrauliques Ces r. sont essentiellement des chlorures et des sulfates Le gypse est l’évaporite la plus couramment rencontrées dans les grands travaux Formule : SO4Ca, 2H2O, dureté 2, masse spécifique 2300 kg/m-3 Qu’il soit fibreux, lamellaire ou saccharoïde obligent à utiliser des ciments spéciaux (le ciment Portland s’altérant avec des eaux chargées en sulfates de concentration supérieure à 200mg/l) L’hydratation de l’anhydrite (SO4Ca) en gypse provoque une augmentation de volume de 30 à 58 % (pression pouvant atteindre 690 bars)

5 . Les roches carbonées Les lignites et les tourbes sont des rencontres gênantes dans les travaux de génie civil de surface ou souterrain La lignite en travaux souterrain peut s’enflammer spontanément surtout s’il y a présence de pyrite qui par oxydation peut faire démarrer la combustion de la lignite Au cours des travaux de galerie du RER Porte Maillot l’échauffement créé par une fraiseuse à conduit à un incendie de deux semaines de la lignite et à la fabrication d’acide sulfurique par combustion de la pyrite qui a ronger en deux heures les vannes du circuit hydraulique de l’engin. La tourbe est certainement le matériaux le plus compressible et le plus gênant dans les travaux routiers. Résultat de la dernière déglaciation Pas de traitement même mécaniques, la solution est l’ablation Mais aussi la houille, le pétrole, …