Cours : Géodynamique et Sédimentologie

Géodynamique et Sédimentologie — Fiche de Cours (BCPST1)

Professeur Agrégé des Sciences de la Vie et de la Terre
Classes Préparatoires aux Grandes Écoles (Filière BCPST)

Introduction

La sédimentologie est la science qui étudie les processus par lesquels les roches préexistantes sont altérées, érodées, transportées, déposées, puis transformées en roches sédimentaires (diagenèse). En BCPST, l’approche géodynamique couplée à la sédimentologie vise à décoder les paléoenvironnements et à comprendre la dynamique de la surface terrestre (cycle sédimentaire).

I. Altération et Érosion continentale

L’altération des roches de la croûte continentale constitue le point de départ du cycle sédimentaire. On distingue deux grands types d’altération :

1. L’altération physique (désagrégation)

Elle conduit à la fracturation de la roche mère sans modification chimique notable.

Mécanismes principaux :
- Gel/dégel (cryoclastie) : Augmentation du volume de l’eau lors de la gelée ( $V_{\text{glace}} \approx 1,09 \times V_{\text{eau}}$ ).
- Thermoclastie : Variations journalières ou saisonnières de température induisant des contraintes mécaniques (différences de coefficient de dilatation thermique des minéraux).
- Haloclastie : Cristallisation de sels dans les pores.
- Bioclastie : Action des racines (pression mécanique).

2. L’altération chimique (dégradation)

Elle modifie la composition minéralogique de la roche par le biais de réactions aux conditions de surface (basse température, basse pression, présence d’eau et de dioxygène).

Hydrolyse : Destruction des édifices silicatés par les ions $\text{H}^+$ $H^{+}$ issus de la dissociation de l’acide carbonique ( $\text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$ $H_{2} CO_{3} ⇌ H^{+} + HCO_{3}^{-}$ ).
- Exemple (Hydrolyse totale des feldspaths en kaolinite) : $2\text{KAlSi}_3\text{O}_8 + 2\text{H}^+ + 9\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{Al}_2\text{Si}_2\text{O}_5(\text{OH})_4 + 4\text{H}_4\text{SiO}_4 + 2\text{K}^+$
Dissolution : Concerne principalement les évaporites et les carbonates.
- Exemple (Karstification du calcaire) : $\text{CaCO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+} + 2\text{HCO}_3^-$
Oxydation : Fréquente pour les éléments de transition (fer, manganèse).
- Exemple : $\text{Fe}^{2+} \longrightarrow \text{Fe}^{3+} + e^-$ (conduisant à la précipitation d’oxydes/hydroxydes de fer comme l’hématite $\text{Fe}_2\text{O}_3$ ou la goethite $\text{FeO(OH)}$ ).

II. Transport et Dynamique des Fluides

Les produits de l’altération (particules détritiques et ions dissous) sont pris en charge par les agents de transport (vents, glaciers, eaux courantes).

1. Transport des particules solides

Le mode de transport dépend de la vitesse du courant et de la taille des particules (diagramme de Hjulström).

Reptation et Roulement : Pour les plus grossiers (galets), au fond.
Saltation : Trajets par bonds successifs (sables).
Suspension : Particules fines maintenues par les turbulences du fluide (silts, argiles).

2. Hydrodynamique et structures sédimentaires

L’écoulement d’un fluide sur un lit meuble génère des figures sédimentaires caractéristiques indispensables à la reconstitution des paléocourants :

Rides de courant (ripples) : Petites structures asymétriques en milieu unidirectionnel (rivières).
Stratifications obliques (cross-bedding) : Témoignent de la migration de dunes sous l’effet du courant.
Granoclassement : Décroissance de la taille des éléments de la base vers le sommet d’une couche, typique des courants de turbidité (turbidites).

III. Sédimentation et Milieux de Dépôt

La sédimentation est le dépôt des sédiments lorsque l’énergie du milieu de transport diminue ou suite à des modifications physico-chimiques (précipitation). On distingue trois grands domaines sédimentaires :

1. Domaines continentaux

Fluvial : Dépôts chenalisés (conglomérats, grès) et plaines d’inondation (argiles, marnes).
Lacustre : Sédiments fins, marnes, évaporites en climat aride.
Glaciaire : Dépôts non triés (moraines, tills).

2. Domaines transitionnels (littoraux)

Deltas : Complexe sédimentaire lié à l’arrivée d’un fleuve en milieu marin/lacustre (topset, foreset, bottomset).
Estuaires : Zone de mélange, piégeage des sédiments fins par bouchon vaseux.
Plages et cordons littoraux : Sables bien triés, stratifications planes parallèles.

3. Domaines marins

Plate-forme continentale : Sédimentation terrigène côtière passant au large à des sédiments carbonatés.
Talus et bassin océanique profond : Sédiments pélagiques (boues carbonatées ou siliceuses) et apports gravitaires (turbidites).

IV. La Diagenèse

La diagenèse regroupe l’ensemble des processus physico-chimiques et biochimiques qui transforment un sédiment meubles en roche sédimentaire cohérente. Elle se déroule à faible profondeur, sous des conditions de température et de pression modérées.

1. Les étapes majeures

Compactage (ou compaction) : Sous l’effet de la surcharge sédimentaire, expulsion de l’eau interstitielle et rapprochement des grains (diminution de la porosité).
Cimentation : Précipitation de minéraux dans les pores restants à partir des ions en solution dans l’eau interstitielle. Les ciments les plus fréquents sont :
- carbonatés ( $\text{CaCO}_3$ , calcite) ;
- siliceux ( $\text{SiO}_2$ , quartz ou chalcédoine) ;
- ferrugineux (hématite, goethite).
Dissolution et Remplacement (Autigénèse / Neogenèse) : Naissance de nouveaux minéraux stables dans les conditions de diagenèse (ex. : dolomitisation $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaMg(CO}_3)_2$ ).

2. Les grandes familles de roches sédimentaires

Roches détritiques (silici-clastiques) : Issues de l’accumulation de débris minéraux (conglomérats, grès, argilites).
Roches carbonatées : Issues pour l’essentiel de l’activité biologique (calcaires bioclastiques, micrites) ou chimique (précipitation directe).
Évaporites : Précipitation par évaporation (gypse $\text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$ , halite $\text{NaCl}$ ).
Roches carbonées : Accumulation de matière organique (charbon, pétrole, roches mères).

V. Stratigraphie et Géodynamique des Bassins

La sédimentologie est indissociable de la stratigraphie, qui permet d’ordonner les strates sédimentaires dans le temps et l’espace.

1. Principes stratigraphiques fondamentaux

Principe de superposition : Une couche est plus récente que celle qu’elle recouvre (sauf tectonique ultérieure).
Principe de horizontalité : Les sédiments se déposent initialement à l’horizontale.
Principe de continuité latérale : Une même couche est du même âge sur toute son étendue.
Principe d’identité paléontologique : Des couches possédant les mêmes fossiles stratigraphiques ont le même âge.

2. Sédimentologie et tectonique (Subsidence)

La formation d’un bassin sédimentaire nécessite de l’espace d’hébergement (accommodation), généré principalement par la subsidence (enfoncement progressif de la croûte terrestre sous l’effet du poids des sédiments, de l’extension crustale ou du refroidissement lithosphérique).

Stratigraphie séquentielle : Étude des variations cycliques du niveau marin relatif (eustatisme combiné à la tectonique), permettant de définir des séquences de dépôt délimitées par des surfaces remarquables (limites de séquence, surfaces d’inondation maximale).