Les Roches Sédimentaires

Présentation au sujet: "Les Roches Sédimentaires"— Transcription de la présentation:

1 Les Roches Sédimentaires
Les roches sédimentaires, comme leur nom l'indique, sont le résultat d'une sédimentation, c'est-à-dire d'un dépôt de matériaux (quelqu’en soit l'origine et la nature), en milieu aqueux dans la très grande majorité des cas. Ce sont donc des roches exogènes, par opposition aux roches magmatiques qu'on peut qualifier d'endogènes.

2 Les roches sédimentaires sont localisées à la surface de la lithosphère, dont elles ne représentent qu'une très faible épaisseur ; elles ne constituent, à l'échelle du globe, qu'une pellicule tout à fait superficielle au dessus des ensembles magmatiques et métamorphiques. Leur apparente abondance à la surface du globe est dû au fait qu'elles couvrent de grandes surfaces.

3 Les milieux aqueux de sédimentation peuvent se subdiviser, en se basant sur la salinité de l'eau, de manière simple : milieu marin ouvert ou fermé ; milieu saumâtre = lagunes, estuaires, deltas ; milieu d'eau douce = lacs, étangs et cours d'eau. Cette subdivision, à partir de la salinité des eaux, rend compte de la grande variété des processus générateurs des roches sédimentaires. Cependant, certaines roches, qu'on a coutume de classer parmi les roches sédimentaires car elles sont exogènes, ne se forment pas par sédimentation en milieu aqueux ; ce sont par exemple les roches résiduelles issues, en milieu continental, des processus d'altération. Elles ne représentent en fait que des dépôts très localisés, aussi bien en épaisseur qu'en extension horizontale.

4 Pétrographie des Roches Sédimentaires
On peut schématiser comme suivant le cycle d'évolution d'une roche sédimentaire : Les roches, portées à l'affleurement ou à très faible profondeur, subissent dans les conditions de surface (au contact de l'atmosphère et de l'hydrosphère) une altération chimique et une érosion ; les particules ainsi libérées ou dissociées subissent un transport et enfin une sédimentation.

5 Le phénomène sédimentaire comporte quatre stades :
- Stade de l'élaboration de la matière [altération] - stade du transport - stade du dépôt - stade de la diagenèse = transformation du sédiment en roche

6 Altération : l'altération constitue l'ensemble des mécanismes qui libèrent les particules des roches et soustraient les éléments dissous à la surface du globe avant qu'interviennent les processus d'érosion puis de transport et de sédimentation. On distingue donc une altération physique d'une altération chimique Altération physique la désagrégation mécanique des roches prédomine dans les régions marquées par des variations importantes de température et d'humidité

7 La désagrégation physique
Les roches présentent des discontinuités qui permettent la formation d'accidents sous l'effet de différents facteurs. Les différents accidents Rares sont les roches formant un bloc parfaitement uni. De nombreuses discontinuités parsèment généralement les roches. Ce sont : des diaclases, cassures dues à des déformations profondes, des failles, cassures accompagnées d'un déplacement, des joints, discontinuités entre deux strates dues à des variations lors la formation d'une roche sédimentaire, porosité, les minéraux ou particules ne forment pas un bloc homogène mais laissent des pores entre eux.

8 L'altération va agir principalement au niveau de ces surfaces de discontinuité. On peut distinguer :
Les variations de températures : elles entraînent des phénomènes de dilatation-contraction importants des minéraux (Thermoclastie). Le rôle du gel à travers les fissures ou les pores (Cryoclastie) n'est pas à négliger non plus. l'évaporation déstabilise la structure des roches poreuses en diminuant la pression à l'intérieur de la roche. après évaporation, la recristallisation de minéraux dissous, transportés par l'eau, fait pression sur les parois des fissures. La circulation d'eau dans les fissures et les pores :

9 Ces phénomènes vont aboutir à la fragmentation du bloc rocheux
Ces phénomènes vont aboutir à la fragmentation du bloc rocheux. La gravité va entraîner de nouveaux accidents : les éboulis : les blocs tombent un à un ou en petits nombres, et se classent selon la taille et le poids des blocs, les éboulements : écroulements de pans de falaise. Il n'y a pas de vrai classement des roches, les glissements : une roche profonde change de comportement et devient instable, elle entraîne les couches sus-jacentes. C'est le cas avec l'argile, qui sèche, est solide, mais mouillée est plastique. C'est le cas aussi avec le gypse qui est dissous par l'eau.

10 corrosion et abrasion par l'action des particules transportées.
Les facteurs intervenants Le vent qui intervient particulièrement dans les régions dénudées provoque : déflation par action de balayage (qui peut aboutir à des dépressions du sol telles que les chotts et sebkhas qui constituent des lacs en milieu désertiques), corrosion et abrasion par l'action des particules transportées. Les ruissellements d'eau aboutissent à des ravinements, des lapiez en régions calcaires (sillons issus de l'usure et des actions de dissolution de l'eau), des cheminées de fées dans les dépôts morainiques, des chaos granitiques par entraînement de l'arène sableuse.

11 Les glaciers ont 2 types possibles d'actions
Les glaciers ont 2 types possibles d'actions. Sur un terrain résistant (granitique) c'est le poids du glacier sur le fond de la vallée qui prédomine. En terrain plus friable l'action va se faire plutôt sur les parois et donner des vallées en V. Les vagues qui agissent sur la côte Le flux et le reflux des marées créent des courants, qui érodent le fond et les berges par un intense balayage. Le recul des falaises correspond à un éboulement de la paroi (surtout dû à des actions continentales et non marines) puis un déblaiement du matériel érodé par la mer.

12 Altération chimique Elle est beaucoup plus répandue à la surface du globe que l'altération physique qu'elle précède, accompagne ou prolonge souvent. Elle est déterminée par la nécessité pour les roches, portées à l'affleurement, d'une mise en équilibre avec les conditions superficielles. Cette adaptation géochimique s'effectue par le développement d'un nouveau matériau à l'interface entre lithosphère et atmosphère + hydrosphère + biosphère. C'est le complexe d'altération évoluant en un sol constitué de divers horizons dont les minéraux sont spécifiques et se rapprochent de la stabilité à proximité de la surface.

13 L'évolution minérale peut-être schématisée par la relation suivante :
Minéral primaire + solution d'attaque Minéral secondaire + solution de lessivage (roche mère) (eau + ou - chargée) (complexe d'altération, sol) (eau de drainage) L'altération chimique et biochimique L'eau en est le principal facteur, mais il en existe d'autres.

14 L'eau C'est l'eau qui est le principal agent d'altération. C'est un acide faible, elle a donc une action de dissolution sur les roches. Cette action est renforcée par le fait que l'eau ruisselle, entretenant et amplifiant le phénomène ; c'est le lessivage. L'eau agit également par hydratation. Les minéraux hydratés augmentent de volume par rapport à leur forme anhydre. Ils déstabilisent les roches (surtout les anhydrites comme le gypse). Selon la nature des éléments chimiques (rapport charge/rayon) situés dans la roche, l'eau a une action de solubilisation différente :

15 Le rapport est inférieur à 3 : cela signifie des atomes peu chargés
Le rapport est inférieur à 3 : cela signifie des atomes peu chargés. En présence d'eau les cations vont entrer en solution  (Na, Ca, Mg). Pour K, où le rapport est inférieur à 1 (très peu chargé), l'hydratation est plus faible car les atomes ont moins d'affinité pour l'eau. Ceci explique qu'ils entrent préférentiellement dans les structures minérales. X+ + H2O -> XnH2O Le rapport est compris entre 3 et 10, les cations sont plus attractifs et "cassent" le dipôle d'eau. Ils sont hydratés mais peu ionisés, il y a alors précipitation (Fe, Al, Mn). Ce phénomène est à l'origine de la formation de certains minerais (bauxite pour l'aluminium par exemple). X+ + H2O -> XOH + H+

16 Le rapport est supérieur à 10, le potentiel ionique est donc élevé et cela va aboutir à la rupture du dipôle d'eau par une forte attraction de O=". Il y a solubilisation de l'ion car il est hydraté et ionisé. C'est le cas pour la silice et le carbonate, composés majoritaires dans les roches. X+ + H2O -> XO- + 2 H+ Les autres agents d'altération L'oxygène : il agit par oxydation sur le fer et le manganèse. C'est lui qui donne la couleur rouille aux roches riches en fer ou qui est responsable des empreintes ramifiées de manganèse. Il transforme aussi les sulfures en sulfates ; ces modifications peuvent affaiblir la roche.

17 Le CO2 : sous forme de carbonates, il favorise la dissolution de certains atomes.
Les acides organiques végétaux et animaux (Oursins, mollusques, éponges), l'activité racinaire La température (sous un climat chaud les réactions peuvent être 100 fois plus rapides).

18 Exemples d'altérations
Il faut distinguer l'altération des roches sédimentaires préexistantes de celle des roches cristallines magmatiques et métamorphiques. Pour les roches sédimentaires Les reliefs karstiques des paysages calcaires proviennent de la circulation d'eau riche en CO2 qui va dissoudre le calcaire de la roche : CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca (CO3H) 2 - Les calcaires siliceux peuvent subir une dissolution de leurs parties siliceuses. Les meulières qui en résultent sont ainsi fortement "trouées" - La terra rossa serait le résidu argileux de la dissolution de calcaire.

19 - Les roses des sables résultent de la remontée par capillarité de solutions riches en sels gypseux.

20 les pyroxènes donnent une amphibole verte fibreuse, l’ouralite,
Pour les roches magmatiques et métamorphiques Ce sont des roches profondes. Arrivées en surface, la stabilité des minéraux est affaiblie en raison des faibles pressions et températures. La vulnérabilité des minéraux constitutifs de ces roches suit le même ordre que la suite de Bowen : Les olivines et péridots sont facilement altérables en serpentine en présence d'eau, les pyroxènes donnent une amphibole verte fibreuse, l’ouralite, les amphiboles donnent parfois de l'asbeste (amiante), la biotite donne des chlorites. Pour les feldspaths cela est variable selon la composition : l'orthose est peu altérable, les plagioclases sont plus vulnérables au pôle anorthite.

21 Le quartz lui est quasiment inaltérable, comme la muscovite.
Selon les climats, l'altération des feldspaths peut être plus ou moins poussée : Dans des climats peu pluvieux, où le lessivage est donc faible, l'orthose en présence d'eau va perdre de la silice, du K et donner une argile, l'illite ou la montmorillonite (ce sont des smectites). Selon l'intensité du drainage, on a formation d'une arène (Seuls les cristaux inaltérables comme le quartz restent sur place et forment un sable). On parle de Bisiallitisation car le rapport silice/aluminium de l'orthose normalement égal à 3 est ici égal à 2. Les argiles formées permettent la rétention d'alcalin entre les feuillets chargés.

22 Sous un climat plus pluvieux, où le lessivage est moyen, la silice est solubilisée en plus grande quantité, l'orthose donne alors de la Kaolinite. Cette argile ne peut retenir les bases qui sont alors entièrement éliminées (2 couches à feuillets non chargés). C'est un cas de monosiallitisation. Sous un climat tropical, le lessivage fort entraîne toute la silice, il ne reste qu'un hydroxyde d'aluminium, la gibbsite (constituant de la bauxite). C'est l'allitisation ou latéritisation en raison de la richesse en fer. Les bauxites sont ainsi issues de couches latéritiques érodées, dont les produits ont été piégés dans les poches karstiques des plateaux calcaires provençaux. Elles ont la composition suivante : Gibbsite (également boehmite et diaspore), Goethite, sidérite (Oxydes de fer) et oxyde de titane. 

23 - un relief accidenté et l'aridité du climat favorisent l'érosion ;
Relations entre altération et érosion Altération et érosion jouent généralement leur rôle simultanément. Dans certains cas, c'est l'altération qui domine, dans d'autres, l'érosion. L'altération est un phénomène lent, dont les effets ne deviennent sensibles qu'au bout de longues périodes géologiques ; l'érosion est par contre un phénomène très rapide, dont les effets sont perceptibles même à l'échelle des temps humains. De nombreux facteurs déterminent l'importance ou la suprématie soit de l'altération soit de l'érosion : - un relief accidenté et l'aridité du climat favorisent l'érosion ; - une topographie tabulaire et une couverture végétale assez dense permettent plutôt à l'altération chimique de prévaloir.

24 Dans l'histoire géologique des différentes régions, on pourrait distinguer des périodes de biostasie alternant avec des périodes de rhéxistasie [Théorie biorhéxistasique d’Erhart] : En régime de biostasie prévalent une lente formation de sols, le développement d'une couverture forestière fixation sur la terre des produits de l'altération (les eaux des rivières sont limpides, ne transportant que des éléments en solution, ce qui va engendrer une sédimentation chimique. A un certain moment, la forêt pourrait être détruite, l'érosion balaie les anciens sols ; le continent devient aride et les cours d'eau roulent des eaux boueuses dépôt argileux et gréseux ; on est alors en régime de rhéxistasie.

25 D'un point de vue géologique, l'érosion présente son maximum d'intensité sur les aires instables, orogéniquement actives, tandis que l'altération chimique caractérise les grands boucliers anciens, aplatis et immobiles ( Ex. bouclier africain recouvert de latérites).

26 Transport : L'eau intervient pour une grande part dans le déplacement des particules mais ce n'est pas le seul moyen. 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). Les glaciers participent également au transport mais ici il n'y a pas de granoclassement. En effet les moraines sont caractérisées par l'absence de classement des blocs.

27 Transportés par l’eau, les composants des roches sédimentaires peuvent être transportés sous trois formes : En grains assez gros pour que leur dépôt puisse se faire par gravité conformément aux lois de la pesanteur. En particules colloïdales, capables de former des suspensions stables : Ces particules étant chargées, leur charge électrique est suffisante pour faire intervenir des forces d'attraction ou de répulsion qui tendent à s'opposer aux effets de la pesanteur. On distingue les colloïdes vrais comme la silice et l'hydrate ferrique Fe(OH)3 et les suspensions des fines poussières de quartz, de feldspath, de micas ou d'argile. Ces suspensions relativement stables dans les eaux douces, floculent dans les eaux marines riches en ions alcalino-terreux.

28 Sous forme de solutions = les substances lessivées par les eaux d'infiltration sur le continent, sont entraînées par les eaux courantes. Elles viennent contribuer à la salure de l'eau de mer et à la formation des roches chimiques et biochimiques (ceci est à l'origine de la composition constante des océans, malgré les dépôts chimiques et biochimiques). Ainsi, Ca et Mg s'associent à l'anhydride carbonique pour donner naissance à des carbonates ; K entre dans la composition des illites et des micas ; Na et Cl restent dissous dans l'eau sauf dans certains milieux favorables à la formation des évaporites) ; P et Si, utilisés par les organismes, peuvent former des roches biochimiques.

29 Diagenèse : C'est le phénomène physico-chimique par lequel les sédiments sont transformés en roches. Elle peut s'accomplir par plusieurs mécanismes différents : compaction, cimentation (grès), recristallisation (quartzite), métasomatose (transformation des calcaires en dolomies). Cela se fait en plusieurs étapes, plus ou moins respectées selon la nature du sédiment :

30 En surface :   Action des êtres vivants : Les animaux fouisseurs favorisent le mélange des sédiments fins. Protozoaires et bactéries interviennent dans la dolomitisation, la formation des phosphates, de la pyrite, de gaz biogénique... Leurs rôles sont donc loin d'être négligeable. Pédogenèse : Elle intervient dans la formation de roches meubles (argile à silex, latérites) et de roches dures (grès, meulières). Par exemple la silice dissoute sous climat humide peut cimenter les sables en grès lors des saisons plus sèches.

31 Dissolution : Concerne les sédiments émergés
Dissolution : Concerne les sédiments émergés. Les parties superficielles du sédiment sont dissoutes par action de l'eau et entraînées en profondeur (poupées de lœss). Déshydratation : Lorsqu'un sédiment aquatique est asséché, il y a durcissement et modification de ses propriétés physiques.

32 En profondeur :   Cimentation : Les éléments dissous par l'eau peuvent, en précipitant, cimenter les particules du sédiment entre elles. On parle aussi de lithification. Concrétionnement : Ce sont des accumulations de minéraux particuliers ayant lieu au cours du dépôt sédimentaire, ou ultérieurement. Selon leur forme, elles portent plusieurs noms : les sphérolites, les nodules, les géodes, les septarias.

33

34 Un septaria est un nodule de dessiccation que l'on peut trouver dans les terres noires de l'Oxfordien dans les pré-Alpes. Ce sont des nodules qui cristallisent autour d'un nucleus et qui peut faire précipiter de la silice pure, donnant des quartz purs et automorphes.

35 Un sphérolite est un agrégat de cristaux en aiguilles à structure rayonnante, rappelant la forme d'une fleur.

36 Epigénisation : correspond à la transformation d'un minéral préexistant en un autre de même composition. Il s'agit souvent d'un changement dans la structure du minéral. Par exemple, l'aragonite, contenue généralement par les tests calcaires d'organismes, se transforme en calcite. métasomatose : a lieu à plus grande échelle et correspond à la substitution d'un minéral à un autre sans changement de volume. Par exemple le CaCO3 est parfois remplacé par du sulfure de fer (ammonites pyriteuses).

37 Bois silicifié

38 Ammonite pyriteuse

39 Compaction : Sous l'effet de la pression des sédiments sus-jacents il y a départ d'eau. Dans un premier temps l'eau en grande quantité tend à fuir sous l'effet de la charge supportée. Dans un second temps ce sont les grains qui se réarrangent de façon à supporter cette charge, il y a tassement.  

40 Classification des Roches Sédimentaires
Classification descriptive, basée sur la chimie de la roche et la description de ses principaux caractères : Roches siliceuses : roches à quartz Roches carbonatées : à calcite ou à dolomite Roches argileuses : contenant essentiellement des minéraux argileux Roches ferrugineuses : à fer ou à oxydes de fer Roches salines : Na Cl, K Cl, CaSO4 Roches carbonées : Charbons, pétrole Roches phosphatées : à phosphates

41 Classification génétique, basée sur le rôle dominant de l'altération ou de l'érosion dans la genèse des roches sédimentaires.

42 La classification des roches détritiques est basée sur la taille des éléments :

43 Cette classification granulométrique des roches détritiques a aussi une signification minéralogique : - les rudites sont formées essentiellement par des morceaux de roches (granites, grès, calcaires...etc.) ; - les arénites sont formées essentiellement par des grains de quartz très fins, des argiles d'origine détritique ou néoformée.

44 Les Rudites = Les conglomérats
Les blocs, les galets ou graviers donnent par diagenèse des conglomérats si le volume des rudites est > à 25 %. Dans le cas contraire (clastes < 25%), ce sont des grès conglomératiques. Suivant la nature des éléments, on distingue : Conglomérats monogéniques si tous les éléments sont de même nature Conglomérats polygéniques si les éléments constituants sont de nature différente. "Le terme poly-ou monogénique n'indique en aucun cas un type d'environnement ou de façonnement".

45 Certains conglomérats se définissent par rapport à une orogenèse :
Conglomérats synorogéniques (démolition de la cordillère) Conglomérats postorogéniques (démolition de la chaîne) D'autres se définissent par rapport à leur position dans l'histoire du bassin ou par rapport à un environnement : Conglomérats de transgression (à la base des dépôts de transgression) Conglomérats côtiers (littoral) Conglomérats intraformationnels (conglomérats à dominante monogénique résultant du remaniement à l'intérieur du bassin de ses propres dépôts) Ex. dépôts de tempêtes. Tillites : Conglomérats résultant de la compaction d'un dépôt morainique ou fluvioglaciaire.

46 Brèches : les éléments sont anguleux
La nomenclature des conglomérats s'appuie également sur la forme des éléments : Brèches : les éléments sont anguleux Poudingue : les éléments sont ronds les brèches et les poudingues peuvent être poly-ou monogéniques. Le terme poudingue est un terme descriptif et ne sous entend pas un type d'environnement ou de façonnement. Le terme brèche accompagné d'un qualificatif indique souvent un type de formation :

47 brèche de caverne et brèche karstique = liée à la karstification ; le ciment est souvent aragonitique ou calcitique. Elle est souvent liée à l'effondrement des toits de grottes. brèche d'altération ou brèche éluviale = la roche est bréchifiée dans sa partie supérieure par l'action de l'eau, la matière organique et les différences thermiques ; de tels processus peuvent conduire à la formation d'un sol (il n'y a pas de transport).

48 brèche de pente ou de falaise = elle est formée par l'accumulation gravitaire des produits de fracturation de la falaise. brèche tectonique = formée par fracturation de la roche à la faveur d'une faille.

49 Brèche récifale = brèche calcaire formée par l'accumulation de débris récifaux.
Brèche volcanique = accumulation chaotique des produits du volcanisme à dominante aérien.

50

51

52 Brèche

53 Les Arénites : Les Grès Elles sont constituées en grande partie de grains de quartz. Cependant, il s'agit aussi d'un intervalle granulométrique. Si les éléments ne sont pas du quartz, il faut le préciser car le terme grès ou sable employé seul désigne une roche détritique siliceuse de granulométrie comprise entre 2 mm et 63 µm. - grès calcaire (calcaire où les éléments sont des grains de taille comprise entre 63µm et 2mm) : ce terme est à bannir, il faut le remplacer par calcarénite. - Phospharénite = phosphate à éléments de taille comprise entre 63µm et 2mm. Le ciment peut être siliceux, calcaire, argileux ou ferrugineux. Dans les trois derniers cas il faut le préciser : ex : grès argileux grès à ciment calcaire

54 Beaucoup de grès sont issus de roches magmatiques (granites) et contiendront donc une proportion importante de feldspaths. Outre les feldspaths, des éléments lithiques divers de la classe des arénites s'ajoutent à la roche. Les types de roches sont représentés sur un diagramme triangulaire à trois pôles : quartz, feldspaths, éléments lithiques (fragment rocheux) :

55 1) Grès quartzeux (sable quartzeux)
2) Subarkose ou gés feldspathique (sable feldspathique) 3) Grès sublithique (sable sublithique) 4) Subarkose lithique (sable feldspathique lithique) 5) Arkose ou grès arkose (sable granitique) 6) Grès lithique (sable lithique) 7) Arkose lithique (sable granitique lithique) 8) Grès lithique feldspathique (sable lithique feldspathique).

56 Différence entre grès quartzeux et quartzite : Ils sont chimiquement purs (> 95% de quartz). Le 2ème se distingue du 1er par un degré de cimentation beaucoup plus fort. Les grains de quartz sont partiellement ou totalement "nourris" et la cimentation devient forte qu'à la cassure le plan de fracture passe en travers des grains. Dans le cas d'un grès quartzeux, la cassure passe autour des grains.

57 Grés à empreintes végétales

58

59

60 Les lutites : Les pélites
Le terme pélite est un terme général. Il est utilisé lorsque l'on est en présence d'un mélange Silt+argile dans lequel on ne connaît pas les proportions relatives (autre nom : argilosiltite). - différence entre grès fin et siltite : les deux rayent le verre mais il n'est pas possible de distinguer les grains de quartz dans la siltite. - différence entre siltite et argilite = l'argile se raye à l'ongle et possède un toucher onctueux ; la siltite raye toujours (très finement) le verre.

61 1) Grès 2) Argilite 3) Siltite 4) Grès silto-argileux 5) Grès argilo-silteux 6) Argilite gréso-silteuse 7) Argilite silto-gréseuse 8) Siltite argilo-gréseuse 9) Siltite gréso-argileuse

62

63 Les Grauwackes Le terme grauwacke a été défini dans le paléozoïque dans le Harz en Allemagne, pour des roches détritiques sombres riches en matrice et en éléments lithiques formées en contexte volcano-sédimentaire. Du point de vue microscopique, c'est une roche détritique sombre riche en matrice. Matrice et ciment sont les liants qui lient entre eux les éléments figurés d'une roche carbonatée ou détritique. Au sens stricte, le ciment se forme lors de la diagenèse par précipitation chimique dans les interstices vides entre les éléments figurés ; il est secondaire. La matrice est la pâte primaire synsédimentaire (pélites dans un grès à matrice ou boue micritique dans un calcaire) qui enrobe et qui lie entre eux, déjà lors du dépôt, les éléments figurés.

64 Les dépôts volcano-sédimentaires
De manière générale, on distingue deux types de produits : - Les pyroclastes : directement issus des produits de l'éruption, - les épiclastes : ce sont les produits issus de l'éruption et remaniées de matériaux terrigènes non volcaniques divers.

65 Pyroclastes Pyroclastites
Blocs et Bombes Agglomérats et Brèches pyroclastiques 64mm Lapilli Tuf à lapilli 2mm Cendres grossières Cinérites grossières 63µm Cendres fines (poussières) Cinérites fines

66

67  tuf formé de grains rocheux anguleux et de composition variée, les grains noirs et luisant sont des fragments de verre volcanique.

68 Tuf gris contenant des inclusions de feldspath

69 Tuf siliceux stratifié

70 Les Roches Métamorphiques
Définitions Le métamorphisme peut être défini comme étant l'adaptation minérale et structurale des roches solides à des conditions physico-chimiques différentes de celles où elles se trouvaient originellement. Ce sont donc des roches dont le matériel provient de n'importe quelle roche préexistante. Le métamorphisme ne concerne que des roches solides. Malgré les transformations minéralogiques et structurales que subit la roche, celle-ci reste toujours à l'état solide.

71 Le métamorphisme correspond à l'intervalle existant entre la diagenèse des sédiments (faible température et faible pression) et la fusion des roches (par anatexie). La transition entre diagenèse et métamorphisme est appelée Anchimétamorphisme. ANCHIMÉTAMORPHISME Ensemble des phénomènes de transformation des roches se déroulant à la limite de la diagenèse (compaction et induration des sédiments) et du métamorphisme (recristallisation des roches sous l'action de la pression et de la température). À vrai dire, cette limite est une zone de passage aux frontières floues, appelée anchizone, dont les caractéristiques sont, notamment : la présence constante de certains minéraux argileux caractéristiques (l'illite et la chlorite) quel que soit le contexte lithologique, et l'augmentation du degré de cristallinité de l'illite, autrement dit, le perfectionnement du réseau cristallin.

72 La « cristallinité de l’illite » a été développée vers 1960 pour répondre aux besoins de l’exploration des hydrocarbures. Les recherches étaient focalisées sur la détection du métamorphisme de faible intensité (Low Grade Metamorphism). La mesure de la largeur du pic à mi-hauteur dont la décroissance régulière a permis de définir une zone anchimétamorphique entre la diagenèse profonde et l’épimétamorphisme.

73 Composition minéralogique des roches métamorphiques
Il y a recristallisation plus ou moins complète de la roche, donc apparition au sein de la roche de minéraux nouveaux stables dans les nouvelles conditions. Il peut s'agir de minéraux typiques au métamorphisme qu'on ne peut rencontrer que dans les roches métamorphiques (grenats, disthène, andalousite, sillimanite, etc...), mais il peut s'agir aussi d'espèces minérales non typiques du métamorphisme comme le quartz, les feldspaths et les micas.

74 Lors du métamorphisme (augmentation progressive de la température et de la pression), on voit se modifier par étapes les populations minérales. A chaque stade de métamorphisme, caractérisé par une certaine valeur du couple (P,T), correspond une population de minéraux stables, en équilibre thermodynamique ; si cet équilibre est rompu, une nouvelle population minérale remplacera la précédente. Lors de l'étude d'une roche métamorphique, les minéraux présents reflètent les conditions de milieu (température, pression) qui ont présidé à sa formation.

75 Structure des roches métamorphiques.
Les roches métamorphiques sont presque toujours visiblement cristallisées, et les minéraux sont souvent orientés (alignés), et disposés en lits successifs superposés, donnant lieu à un feuilletage ou foliation, distinct du débit schisteux (d'où leur nom de roches cristallophylliennes, c'est-à-dire cristallisées et feuilletées).

76 Le litage des roches métamorphiques est la conséquence des efforts mécaniques, souvent considérables, subis par la roche. Ils peuvent être dus soit au poids des roches surincombantes, soit aux efforts orogéniques très importantes qui ont contribué à la formation de chaînes de montagnes. Dans les deux cas, le litage de la roche métamorphique apparaît dans un plan orthogonal à celui de la contrainte principale majeure.

77 Les différents types de métamorphisme
Les facteurs du métamorphisme Ce sont les variations de la température, de la pression et des apports de fluides (variations chimiques du contexte). Selon l'importance de l'un ou de l'autre des trois facteurs (température, pression, apports fluides, environnement chimique) apparaissent des roches métamorphiques différentes.

78 Dynamométamorphisme Il déforme mais ne transforme pas. Les roches ne subissent que des efforts mécaniques, on ne verra pas apparaître, en principe, des minéraux de métamorphisme. Les déformations subies par les roches seront essentiellement fonction de leur comportement plastique ou rigide. Les roches plastiques (marnes, argiles...) seront compactées et indurées ; elles vont acquérir un "clivage" schisteux et donneront des Schistes ardoisiers

79 Les roches à comportement rigide seront cataclasées : réduite par broyage à une masse de petits débris clastiques en donnant des mylonites

80 Thermométamorphisme Ce phénomène se produit lorsque la roche a subi seulement l'effet d'une importante élévation de température [Roches mises au contact d'une coulée de laves ; sites d'impact de météorites ; explosions nucléaires, etc...]. C'est donc un phénomène très localisé dans l'espace, qui se manifeste par une sorte de cuisson très intense et rapide de la roche, ce qui provoque une fusion partielle de la roche qui se transforme sur une faible épaisseur en une roche fine d'aspect corné. Les minéraux de basse température sont remplacés par des espèces polymorphes stables : tridymite au lieu du quartz ; sanidine au lieu de l'orthose, etc...).

81 Métamorphisme de contact
Il est dû a l'intrusion, au travers de couches géologiques, d'un magma. C'est donc un métamorphisme qui se développe dans la zone de contact entre le corps magmatique et les couches sédimentaires. Ces ensembles sédimentaires sont portés à haute température et imprégnés de gaz sous pression. Le domaine à l'intérieur duquel ces manifestations se font sentir est appelé l'auréole du métamorphisme (coupole de métamorphisme). C'est dans cette auréole que va s'exprimer le métamorphisme de contact.

82 Auréole + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

83 Les modalités du métamorphisme dépendent de la nature pétrographique de la roche encaissante, ainsi que par la nature du magma intrusif, par sa température et par la nature de ses gaz. Cas d'un massif de granite L'auréole de métamorphisme de contact, large de quelques centaines de mètres, peut être décomposée en une suite d'anneaux concentriques, dans lesquels la cristallisation est d'autant plus faible que l'on s'éloigne davantage du massif intrusif. On peut distinguer en première approximation : - Une zone externe des schistes tachetés - Une zone interne des cornéennes.

84 Les cornéennes Ce sont des roches qui ont complètement recristallisé. Elles sont massives, dures et à grain fin (ayant l'aspect d'une corne). Le plus souvent la recristallisation a effacé complètement le litage de la roche sédimentaire primitive.

85 Les schistes tachetés Ces roches n'ont subi qu'une transformation partielle. Les minéraux de métamorphisme "flottent" dans une gangue qui a encore, en grande partie, la composition et la structure de la roche originelle ; elles conservent donc les traces du litage originel de la roche sédimentaire.

86 Effets du métamorphisme de contact sur différents types de roches
Les roches pélitiques la roche initiale est, ici, le schiste commun. En raison de sa teneur en mica et en argile, cette roche est riche en alumine. Ce caractère chimique va se retrouver dans toute la séquence (ensemble des types pétrographiques constitués à partir d'un même matériel initial quelque soit l'intensité du métamorphisme subi.

87 Dans la zone des schistes tachetés, la roche change de couleur : du rouge ou du gris elle vire au gris ou au noir (l'hématite, Fe2O3, est remplacée par la magnétite, Fe3O4). Les feuillets du schiste sont constellés de petites taches noires qui correspondent à des porphyroblastes subautomorphes de cordiérite ou d'andalousite. La sérécite est remplacée peu à peu par des paillettes d'une muscovite plus largement cristallisée. Dans le cas d'un schiste purement argileux : argile andalousite + silice + eau Dans le cas de pélites fortement chloriteuses : argile + chlorite cordiérite + eau

88

89 Dans la zone des cornéennes, la roche perd sa fissilité, devient dure et tenace. Dans cette zone, on distingue de l'extérieur vers l'intérieur : Zone des cornéennes micacées, dans laquelle les minéraux sont les mêmes que ceux des schistes tachetés : l'andalousite, englobant des petits cristaux de muscovite, de biotite, de quartz et de cordiérite. Zone des cornéennes feldspathiques, située au voisinage immédiat du corps intrusif : la muscovite disparaît, et elle est remplacée par des du feldspath (muscovite + Silice Feldspath K + andalousite). Parfois la zone des cornéennes feldspathiques ne s'individualise pas. Il s'agit alors d'une auréole de relativement basse température. Les très petits massifs de granite n'ont, le plus souvent, qu'une auréole de schistes tachetés.

90 Les Grès Les carbonates
Les grès sont transformés en quartzite entièrement faits de quartz et où l'absence de la cordiérite et de l'andalousite s'explique par le fait que ces roches ne contiennent pas d'alumine. Ces quartzites sont identiques aux quartzites formés par simple diagenèse. Les carbonates Les calcaires se transforment en calcaires cristallins ou marbres. Les silicates de métamorphisme ne sont présents que si les calcaires contenaient des impuretés [ marbre à silicates calciques (Grossulaire, Anorthite, Wollastonite (SiO3)3Ca3), ou marbres à silicates magnésiens (Diopside, périclase MgO).

91 Roches calcaro-pélitiques
La roche initiale est dans ce cas une marne, ou une marne dolomitique contenant assez d'impuretés argileuses pour que ses carbonates puissent être entièrement silicatisés. Le métamorphisme conduit alors à des cornéennes de teinte claire, à grain fin. Ces roches sont très variées du point de vue minéralogique. Le Skarn (nom d'origine scandinave) est une variété de ses roches dont la recristallisation a été influencée par la pneumatolyse. Les minéraux de métamorphisme y sont de grande taille. Les skarns contiennent souvent des minéralisations : magnétite-sulfures-molybdénite-scheelite.

92 Roches volcaniques Les rhyolites sont peu modifiées (même composition minéralogique [minéraux de haute température]) Roche granoblastique avec petites paillettes de biotites de néoformation. Les andésites et les basaltes sont plus sérieusement touchés évoluent en cornéennes où les plagioclases sont remplacés par des granules d'épidote.

93 Le Métamorphisme régional ou général
Ce type de métamorphisme affecte les parties profondes de l'écorce terrestre dans les régions orogéniques. Les roches cristallophyliennes constituent des ensembles stratifiés très épais, représentant d'anciennes séries sédimentaires ou magmatiques, ayant recristallisé, non plus sous l'action d'une élévation locale de température (comme dans le cas du métamorphisme de contact), mais sous l'influence d'un accroissement généralisé de la température et de pression. Une fois plissées, ces roches peuvent constituer à elles seules d'immenses chaînes de montagnes. C'est pourquoi on donne au phénomène qui les a engendrées le nom de métamorphisme général ou régional.

94 Définitions Degré de métamorphisme
Les roches métamorphiques, quelque soit leur composition, qui se sont transformées dans les mêmes conditions, atteignent le même degré de métamorphisme. On a établi un système selon lequel les degrés de métamorphisme sont classés par ordre d'intensité croissante. L'anchizone : C'est la zone intermédiaire entre diagenèse et métamorphisme. L'épizone : Elle correspond au métamorphisme de basse pression et de température faible (300 à 500°C). On y trouve de nombreux minéraux hydroxylés. La mésozone : Elle caractérise un métamorphisme moyen, avec apparition de biotite, muscovite, staurotide, amphiboles et disthène. La catazone : Elle correspond à un métamorphisme intense. Température et pression y sont élevées mais il y a peu de contraintes. Les minéraux que l'on y trouve sont la sillimanite, l'andalousite, les grenats et les pyroxènes ainsi que des plagioclases.

95 Isogrades La zonéographie
Les minéraux n'étant stables que dans certaines conditions, l'apparition ou la disparition d'un minéral ou d'une association minérale, marque ainsi, dans une roche de composition définie, les variations du degré de métamorphisme. Ceci permet de tracer sur une carte des courbes appelées isogrades. La zonéographie Elle a pour objet l'identification des zones d'isométamorphisme qui sont les grandes unités géologiques caractérisées sur toute leur étendue par un métamorphisme de même degré.

96 Minéraux index Ce sont des espèces minérales qui indiquent le degré de métamorphisme. On a montré l'apparition par ordre de degré de métamorphisme croissant de chlorite, de biotite, de grenat, de disthène, de sillimanite.

97 Classification des Roches métamorphiques
Au niveau du métamorphisme régional il est souvent possible de voir les différentes étapes de transformation des roches. Ces étapes sont caractérisées par la formation de certains minéraux dont la nature dépend de la roche de départ. Ainsi certaines roches sont caractéristiques d'une série métamorphique : Les types pétrographiques de la séquence pélitique servent de repères et de termes de comparaison.

98 Intensité du métamorphisme Zones d'isométamorphisme
Séquence pélitique La roche de départ est par exemple un schiste ardoisier : le tableau ci-dessous montre comment cette roche se transforme dans les différentes zones d'isométamorphisme : Intensité du métamorphisme Zones d'isométamorphisme Non métamorphique Type de départ = pélites Epizone (faible) Zone des schistes sériciteux et chloriteux Mésozone (moyenne) Zones des micaschistes à 2 micas et des gneiss à 2 micas Catazone (fort) Zone des gneiss à biotite et sillimanite Ultra-zone (très fort) Zone des granulites

99 Zones des schistes sériciteux et chloriteux
Progressivement la séricite et la chlorite recristallisent. On aboutit ainsi au faciès typique des schistes sériciteux et chloriteux (roches finement schisteuses, possédant un éclat lustré).

100 Zone des micaschistes à deux micas
Le passage de la 1ère zone à cette zone est marquée par la disparition de la séricite qui est remplacée par la muscovite, et de la chlorite qui est remplacée par la biotite. L'excès d'alumine libéré donne naissance soit à du disthène auquel s'ajoute souvent la staurotide si la pression est élevée, soit de l'andalousite si la pression est relativement plus faible. Les micaschistes ont une schistosité bien marquée et un éclat brillant. Les minéraux phylliteux qui recouvrent les surfaces de foliation sont bien développés et visibles à l'œil nu. Le quartz est visible à la loupe, mais les feldspaths, peu abondants, sont microscopiques.

101 Zone des gneiss à deux micas
Le passage de la zone précédente à cette zone ne comporte pas de changements minéralogiques, mais seulement un changement de structure : le feldspath devient visible à l'œil nu. Associé au quartz, il forme des lits clairs séparant des lits sombres, plus riches en biotite. Zone des gneiss à biotite Dans cette zone, les gneiss ne contiennent plus de muscovite, ce minéral étant remplacée par de l'orthose. L'alumine libérée sillimanite (muscovite + SiO2 orthose + Sillimanite, andalousite ou disthène). Les grenats alumineux sont aussi abondants.

102 Zone des granulites [métamorphisme caractérisé par de fortes températures et pressions]
Cette zone est caractérisée par la disparition de la biotite et de la sillimanite qui sont remplacées par le grenat et l'orthose. L'aspect feuilleté des gneiss est remplacé par un aspect massif (grossièrement lité). Séquence arénacée Les grès siliceux purs se transforment en quartzite dès le métamorphisme le plus léger, et ce faciès reste immuable (inchangé) dans toute la séquence. Grès feldspathique ère zone, l'orthose détritique se transforme en partie en séricite leptynite sériciteuse : Contenant quartz et feldspath alcalin, pauvres en micas et amphiboles, le grenat y est fréquent (sont de texture massive).

103 Séquence carbonatée L'évolution des calcaires et dolomies est la même que dans le métamorphisme de contact marbres. Séquence calcaro-pélitique Cette séquence correspond aux roches cristallophylliennes dérivant des marnes ou des calcschistes. Dans les premiers stades, la calcite n'entre pas en réaction avec les impuretés silicatées schistes lustrés : - Plus bas dans la zone des schistes sériciteux, la calcite réagit avec les silicates silicates calco-ferro-magnésiens (épidote, zoïsite, actinote) avec parfois de l'albite et du glaucophane prasinites.

104 - Dans la zone des micaschistes à 2 micas, albite et épidote sont remplacés par des plagioclases basiques les amphibolites à grenat ou à dioposide. - Les amphibolites peuvent être associées à des pyroxénites lorsque la teneur en calcium de la roche augmente. - Le faciès des amphibolites et des pyroxénites est stable dans le mésozone et la catazone jusqu'à l'ultra où les amphiboles disparaissent et ne subsistent que les minéraux anhydres (pyroxènes, feldspaths, grenats).

105 Amphibolites

106 Schiste bleu (glaucophanite) à épidote

107 Biotite Quartz Orthose Hyperstène AlSi3O10 (OH)2]K(Fe , Mg)3 +6SiO KAlSi3O8+ 3 [(SiO3)2(Mg , Fe)2]+2H2O

108 [AlSi3O10 (OH)2]KAl2 + SiO2 KAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2O
Muscovite Quartz Orthose Sillimanite [AlSi3O10(OH)2]KAl2 KAlSi3O8 + Al2O3 + H2O Muscovite Orthose Corindon