Les roches sédimentaires Partie A : Leur naissance Au Grand Canyon du fleuve Colorado l’érosion détruit les roches sédimentaires qu’elle a contribué à créer autrefois.

La météorisation Les roches se dégradent au contact de l’atmosphère (les gaz), de l’hydrosphère (l’eau) et de la biosphère (la vie). On appelle météorisation (on y reconnaît le mot «météo») ce processus de géodynamique externe dont le moteur est le rayonnement du Soleil. Gravier arraché à la montagne par un glacier et déposé par un torrent Les produits de la météorisation sont des débris rocheux, des minéraux et des ions en solution dans l’eau. Ces produits, après un transport plus ou moins long, s’accumulent dans des bassins et servent de matière première à la fabrication de roches sédimentaires.

Météorisation de la péridotite du mont Saint-Bruno On distingue souvent des strates dans ces roches sédimentaires, c.-à-d. des dépôts successifs qui diffèrent les uns des autres par leur couleur, leur granulométrie, leur composition, etc. On dit que la météorisation résulte de deux processus, la désagrégation physique et l’altération chimique. En pratique, les deux processus sont intimement liés. Météorisation de la péridotite du mont Saint-Bruno

La désagrégation physique On appelle désagrégation physique le fait de détacher un grain minéral d’une roche sans l’attaquer chimiquement. L’eau qui gèle dans les pores de la roche, un éboulement, les changements de volume causés par les variations de température ou d’humidité, la corrosion chimique des minéraux voisins, etc. sont des causes de désagrégation. La désagrégation progressive d’un bloc de granite qui «pourrit» donne une boule et du sable.

Désagrégation : par le gel en montagne (a), par la corrosion chimique de certains minéraux (b), par l’abrasion de l’eau chargée de sable et de gravier (c). b a c

Un grand pluton, qui a cristallisé sous le poids de quelques kilomètres de roche, se dilate lors de l’enlèvement de ce recouvrement par météorisation et par transport des produits ailleurs (météorisation + transport = érosion). On le voit alors s’écailler ou développer une structure en pelure d’oignon. Les joints ainsi créés favorisent la circulation de l’eau et accélèrent la désagrégation du massif.

La falaise de grès du canyon Bryce (Utah) subit une intense désagrégation mécanique. Pendant 8 mois de l’année, la température moyenne est inférieure à 0 °C la nuit et supérieure à 0 °C le jour. Quel rôle cela joue-t-il dans la désagrégation ? Question Réponse : Cela signifie que l’eau gèle dans les fissures des roches de 200 à 300 fois par année. Cela fissure la roche encore plus et en détache des éclats.

L’altération chimique Les minéraux qui se trouvent à la surface d’une roche réagissent chimiquement avec l’eau qui entre en contact avec eux. La présence dans l’eau d’oxygène, de CO2 ou de substances acides la rend plus corrosive. Comme les réactions chimiques sont plus rapides à haute température, l’altération est d’autant plus rapide que le climat est chaud et pluvieux. Trous de météorisation

L’altération des silicates Comme les silicates s’altèrent dans cet ordre : Quartz Muscovite Feldspath K Plagioclase Na Biotite Amphiboles Pyroxènes Plagioclases Ca Olivine le granite résiste mieux que le basalte ; le quartz, à peu près inaltérable, est le principal constituant des grains de sable. On peut diviser les produits des réactions chimiques en 3 groupes : Les substances dissoutes, notamment des ions enlevés aux minéraux (K+, Na+, Ca2+, Mg2+…). Les divers nouveaux silicates, notamment les argiles. Les minéraux de la famille des oxydes (O) et des hydroxydes (OH) d’aluminium et de fer. Les silicates foncés (olivine, pyroxène, amphibole et biotite) contiennent du fer et « rouillent ». Vitesse croissante

Altération de la surface du basalte sombre de cette falaise.

Minéral primaire, hérité ou secondaire Considérons un granite, formé des minéraux initiaux ou primaires quartz, biotite et feldspath K, soumis à l’action de l’eau et de l’air. L’altération du feldspath K et de la biotite libère des ions en solution et conduit à la formation de nouveaux minéraux, des argiles, qu’on qualifie donc de secondaires. La biotite peut aussi rouiller et donner des oxydes de fer comme minéraux secondaires. Grain de quartz détaché Le quartz, qui résiste à l’altération, se détache intact du granite à cause du pourrissement de ses voisins. On parle de lui comme d’un minéral hérité de la roche d’origine ou roche mère. Granite en train de s’altérer

Question La formation de l’amiante a lieu à quelques km de profondeur. Ce processus a cependant en commun avec la météorisation le fait qu’il s’agit d’une altération chimique, de la péridotite du manteau, au contact de l’eau. Pourquoi l’amiante se présente-t-elle en veines qui traversent la roche ? Veine d’amiante (le trait fin) Réponse : L’eau ne peut entrer en contact avec la péridotite qu’en suivant les fissures qui traversent la roche. La formation de l’amiante se limite donc aux fissures et cela donne un réseau de veines.

Argile kaolinite au microscope électronique Les argiles On appelle argile un minéral du groupe des silicates (à base de Si et O) qui se forme uniquement par l’altération des roches. Ces minéraux sont infimes et, au microscope, ils ont un aspect voisin des micas. Un dépôt d’argile, au sens minéralogique, est formé à 100 % de minéraux argileux. Il se présente sous forme d’une masse terreuse fine et tendre qu’on peut modeler quand elle est humide. Voir la diapositive suivante. Par extension, un dépôt d’argile, au sens granulométrique, est un dépôt de «farine» de roche. La farine de roche résulte de l’altération et de la désagrégation des roches. Elle contient donc des minéraux argileux, mais aussi du quartz, des feldspaths, etc. Elle n’est pas formée à 100 % de minéraux argileux. Argile kaolinite au microscope électronique www.squ.edu.om/sci/Earth/facilities/sem.html

La photo montre un dépôt formé à 100 % de minéraux argileux La photo montre un dépôt formé à 100 % de minéraux argileux. C’est un dépôt d’argile au sens minéralogique. Ces dépôts ont une grande importance économique. Par exemple, la kaolinite (Kao-ling en Chine), généralement blanche, sert à fabriquer la porcelaine et le papier glacé notamment. De même, la montmorillonite (Montmorillon en France), généralement blanche, grise ou rose, absorbe beaucoup d’eau et gonfle. À cause de cela, on l’utilise en agriculture pour travailler le sol, comme boue de forage, comme litière agglomérante pour chat, etc. La montmorillonite gonfle à l’eau et développe une peau d’éléphant en s’asséchant.

Voici une argile au sens granulométrique Voici une argile au sens granulométrique. C’est une terre très fine qu’on peut façonner quand elle est mouillée. Mais sa belle couleur rouge nous indique qu’elle est riche en oxydes de fer, qui ne sont pas des minéraux argileux.

La surface spécifique L’altération des minéraux les affaiblit ou les fait gonfler, ce qui favorise leur désagrégation mécanique. De même, la désagrégation physique favorise l’altération en augmentant la surface de la roche qui peut être mouillée et qui peut réagir avec l’eau. Quand on désagrège de plus en plus finement un bloc de roche, sa masse reste la même, mais sa surface augmente progressivement. On dit que la surface spécifique des débris augmente, la surface spécifique étant la surface de 1 gramme de matière. Surface spécifique augmente

Ex. : 800 m2/g pour la montmorillonite ! Nous verrons que la surface spécifique joue aussi un rôle dans la circulation de l’eau dans un dépôt meuble. En effet, la pellicule d’eau qui mouille la surface de la roche ne circule pas, mais lui reste collée. Les argiles, à cause de leur finesse, piègent ainsi beaucoup d’eau. Question Ex. : 800 m2/g pour la montmorillonite ! Si la désagrégation mécanique découpe un cube de roche en 5 x 5 x 5 = 125 petits cubes, de combien la surface spécifique augmente-t-elle ? Réponse : Puisque la masse ne change pas, il suffit de trouver de combien augmente la surface. Or, le fractionnement multiplie chaque face du cube initial par 5. La surface spécifique est donc 5 fois plus grande.

Les altérites Quand les produits de la météorisation d’une roche s’accumulent plus vite qu’ils ne sont transportés au loin, la roche se couvre de dépôts meubles d’altérites (fragments rocheux, minéraux hérités et minéraux secondaires - les argiles et les oxy-hydroxydes de Fe et d’Al notamment). Nous verrons que, comme tous les dépôts de surface, les altérites servent de support minéral au développement de sols organiques, où peuvent pousser les plantes. Roche mère altérite

Altérite argileuse (Caroline du Nord) et la roche mère Altérite pierreuse

Latérite d’Hawaii avec des blocs de roche saine Sous climat tropical humide, avec une végétation dense qui stabilise les produits de la météorisation, l’altération chimique est poussée jusqu’à son stade ultime. Elle donne une altérite appelée latérite. Il s’agit d’une couche d’argile rouge ou brune riche en hydroxydes de fer ou d’aluminium. La bauxite est une latérite riche en aluminium. C’est le principal minerai d’aluminium. Latérite d’Hawaii avec des blocs de roche saine

Transport et dépôt (action de déposer) La naissance d’une roche sédimentaire résulte du transport et du dépôt des produits de la météorisation. Pour étudier ces choses, sur lesquelles nous reviendrons plus tard, on sépare ces produits en deux groupes : les substances solubles, comme les ions libérés, et les détritus (= résidus) solides, comme les minéraux hérités ou secondaires et les fragments de roche. La fraction chimique = les ions Roche mère Organismes qui utilisent les ions Eau de surface Ions Na, K, Ca, Mg… Eau souterraine Calcite, gypse, dolomite… qui précipite dans un marais maritime saturé Enveloppes de calcite ou de silice = tests

La fraction détritique = les détritus Roche - mère . . Écroulement . . Vent Eau de surface Glace . Dépôts de particules grossières (sable, gravier) sur le bord de mer . . . . . . . Dépôts de particules fines (argiles) en haute mer

Maturité d’un sédiment On appelle sédiment un dépôt qui est encore meuble, qui n’a pas encore été transformé en roche solide. La maturité d’un sédiment fait référence à un sédiment hypothétique obtenu en cassant un massif rocheux à la masse pour obtenir un tas de fragments anguleux, allant de la poussière au bloc, formés des mêmes minéraux que la roche et dans les mêmes proportions. Plus le sédiment réel s’éloigne de ce sédiment hypothétique, plus il est mature : Immature Mature Fragments anguleux Particules de diverses tailles Composition minéralogique originale Fragments sphériques Particules de même taille Proportions des minéraux primaires modifiées, minéraux secondaires texture minéralogie

Photo au microscope de Richard Granger Quel est le degré de maturité de texture de ce sable prélevé sur la plage d’Oka ? Réponse : Le fait d’être un sable (sans farine de roche et sans gravier) montre déjà un certain tri et une certaine maturité. Comme sable, cependant, il est peu mature. Les cristaux sont usés, mais encore assez anguleux. Les plus gros cristaux ont 4-5 fois la taille des plus petits. Photo au microscope de Richard Granger Question

La diagenèse La diagenèse est le passage du sédiment, du dépôt meuble détritique ou chimique, à la roche cohérente qui se tient. Deux transformations vont avoir lieu simultanément : La compaction : les particules minérales (grain de quartz, test, caillou, cristal…) qui se trouvent à la base du dépôt vont se placer, se rapprocher progressivement, se dissoudre parfois et les espaces vides vont diminuer. La cimentation : l’eau chargée d’ions ou d’argile qui circule dans le dépôt va permettre à des minéraux de se former entre les particules pour les coller les unes aux autres. Les ciments les plus courants sont l’argile, le quartz (ou silice) et la calcite.

Au microscope (fausses couleurs) Ciment * Un exemple de cimentation : la roche est un grès formé d’un sable de quartz cimenté par de plus petits cristaux de quartz. Le sable était mature (bien trié et formé de grains arrondis). Tiré de Rocks of NW Scotland de Simon Lamb, Dave Waters et Richard McAvoy : http://www.earth.ox.ac.uk/~oesis/nws/nws-home.html Affleurement Échantillon * * * Au microscope (fausses couleurs) Ciment * Grains de sable *

Autre exemple : Cristaux microscopiques d’argile servant de ciment (en brun) entre les grains de sable (en blanc) d’un grès. Notez que le sable ayant donné ce grès avait une texture immature : les grains sont anguleux et de diverses tailles (mal triés). Source : http://edafologia.ugr.es/iluv/argillw.htm

Structures des dépôts sédimentaires Les sédiments déposés durant un certain intervalle de temps forment souvent une strate. Ces strates sont importantes en hydrogéologie parce qu’elles guident la fracturation d’un massif rocheux et ont donc une influence sur la circulation de l’eau souterraine. Les strates sont généralement parallèles. Mais on trouve aussi des stratifications entrecroisées, les strates étant inclinées à des angles différents, dans des sédiments déposés par le vent ou par de l’eau en mouvement. Stratification entrecroisée figée dans une roche. Elle résulte du déplacement par le vent des dunes de sable qui ont donné ces grès. Voir aussi le grès des îles de la Madeleine.

Stratification entrecroisée dans un dépôt de sable actuel (lac des Cyprès, parc du mont Tremblant).

Rides actuelles (gauche) et dans la pierre (droite). La surface d’une strate porte parfois des rides. Elles se forment dans le sable, celui d’une plage que les vagues déplacent, celui du lit d’une rivière que le courant façonne, celui d’une dune modelé par le vent… On les retrouve ultérieurement dans les grès issus de ces sables. Rides actuelles (gauche) et dans la pierre (droite).

Les fentes de dessiccation, elles, sont des fissures qui se forment à la surface d’une strate d’argile qui se dessèche. Comme les rides, elles survivent quand une autre strate se dépose sur elles. On les retrouve donc quand on sépare de la roche le long des plans de stratification. Fentes actuelles (gauche) et dans la pierre (droite)