Les roches carbonatées
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Les roches carbonatées Laurie Bougeois ST3 - Polytech’ Paris UPMC 6 mai 2015 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts 1. Introduction 2. Classification des roches carbonatées 3. Diagenèse des roches carbonatées 4. Environnements de dépôts des roches carbonatées Les roches carbonatées N 2 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Précipitation de carbonates de calcium Ï Saturation de l’eau de mer en Ca2+ ⇒ précipitation : de calcite (CaCO3 - rhomboédrique) d’aragonite (CaCO3 - orthorombique) de dolomite (CaMg (CO3 )2 - rhomboédrique) Les roches carbonatées N 3 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Processus de précipitation des carbonates CO2 + H2 O ⇐⇒ H2 CO3 solubilisation du CO2 Les roches carbonatées N 4 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Processus de précipitation des carbonates CO2 + H2 O ⇐⇒ H2 CO3 solubilisation du CO2 H2 CO3 ⇐⇒ H+ + HCO− 3 équilibre des carbonates Les roches carbonatées N 4 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Processus de précipitation des carbonates CO2 + H2 O ⇐⇒ H2 CO3 solubilisation du CO2 H2 CO3 ⇐⇒ H+ + HCO− 3 équilibre des carbonates Ca2+ + 2HCO− 3 ⇐⇒ CaCO3 + H2 O + CO2 Les roches carbonatées N 4 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Processus de précipitation des carbonates CO2 + H2 O ⇐⇒ H2 CO3 solubilisation du CO2 H2 CO3 ⇐⇒ H+ + HCO− 3 équilibre des carbonates Ca2+ + 2HCO− 3 ⇐⇒ CaCO3 + H2 O + CO2 Ï Influence des paramètres physico-chimiques CO2 température pression activité des végétaux Les roches carbonatées N 4 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Processus de précipitation des carbonates CO2 + H2 O ⇐⇒ H2 CO3 solubilisation du CO2 H2 CO3 ⇐⇒ H+ + HCO− 3 équilibre des carbonates Ca2+ + 2HCO− 3 ⇐⇒ CaCO3 + H2 O + CO2 Ï Influence des paramètres physico-chimiques CO2 température pression activité des végétaux Rôle majeur du CO2 dissout dans l’eau de mer Les roches carbonatées N 4 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Précipitation des carbonates Ï Trois processus de précipitation chimique directe chimique indirecte sécrétion directe d’un squelette calcaire par les organismes vivants Les roches carbonatées N 5 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts 1. Introduction 2. Classification des roches carbonatées 3. Diagenèse des roches carbonatées 4. Environnements de dépôts des roches carbonatées Les roches carbonatées N 6 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée 1. Inventaire des constituants Ï Éléments figurés Ï Phase de liaison matrice vs ciment Ï Espaces poreux 2. Nomenclature Ï Classification de Folk Ï Classification de Dunham Les roches carbonatées N 7 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée Éléments figurés Ï Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des particules et/ou des érosions intenses du fond marin Les roches carbonatées N 8 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée Éléments figurés Ï Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des particules et/ou des érosions intenses du fond marin Ï Oolithes - Oncolithes - Pisolithes oolithes : généralement en milieu marin, peu profond, agité et sous un climat chaud. oncolithes : milieu marin ou lacustre sous des eaux peu profondes et agitées de manière intermittente. Les roches carbonatées N 8 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée Éléments figurés Ï Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des particules et/ou des érosions intenses du fond marin Ï Oolithes - Oncolithes - Pisolithes oolithes : généralement en milieu marin, peu profond, agité et sous un climat chaud. oncolithes : milieu marin ou lacustre sous des eaux peu profondes et agitées de manière intermittente. Ï Péloïdes communs dans les sédiments associés à des environnements protégés, restreints (cf lagons ou replats de marée). Les roches carbonatées N 8 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée Éléments figurés Ï Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des particules et/ou des érosions intenses du fond marin Ï Oolithes - Oncolithes - Pisolithes oolithes : généralement en milieu marin, peu profond, agité et sous un climat chaud. oncolithes : milieu marin ou lacustre sous des eaux peu profondes et agitées de manière intermittente. Ï Péloïdes communs dans les sédiments associés à des environnements protégés, restreints (cf lagons ou replats de marée). Ï Grains d’origine biologique foraminifères benthiques / planctoniques, gastéropodes, entroques, bivalves etc. Les roches carbonatées N 8 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée Phases de liaison Ï Matrice boue microcristalline existant au moment du dépôt MICRITE (cristaux < 4µm) Les roches carbonatées N 9 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée Phases de liaison Ï Matrice boue microcristalline existant au moment du dépôt MICRITE (cristaux < 4µm) Ï Ciment précipite entre les grains (post-dépôt) SPARITE (cristaux > 10µm) Les roches carbonatées N 9 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée Porosité Porosité Ensemble des volumes de petite taille pouvant être occupés par des fluides à l’intérieur d’une roche Ï Porosité intergranulaire : entre les éléments figurés Ï Porosité intragranulaire : existant dans les éléments figurés Ï Porosité primaire : espace poreux au moment du dépôt (peut diminuer au cours de l’enfouissement par compaction) Ï Porosité secondaire : créée par modification (dissolution) des constituants du sédiment au cours de la diagenèse la POROSITÉ peut être emplie d’eau, d’air, d’hydrocarbures Les roches carbonatées N 10 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée Porosité la POROSITÉ peut être emplie d’eau, d’air, d’hydrocarbures Les roches carbonatées N 10 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée Classification de Folk - 1959 - Les roches carbonatées N 11 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée Classification de Dunham - 1962 - Ï avec matrice micritique mudstone : < de 10% de grains ; wackestone : > de 10% de grains, texture non jointive (mud-supported) ; packstone : texture jointive, empilement des grains en équilibre mécanique (grain-supported) ; Ï avec ciment sparitique grainstone : texture jointive. Les roches carbonatées N 12 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Étude d’une roche carbonatée Classification de Embry & Klovan - 1972 Ï constructions récifales (boundstones) framestone : organismes édifiant une charpente rigide (cf coraux actuels) ; bindstone : organismes stabilisant le substrat par encroûtement (cf algues corallines) ; bafflestone : organismes érigés piégeant le sédiment en suspension par ralentissement de l’écoulement du fluide transporteur (cf bryozoaires) ; Ï non construit floatstone : texture non jointive ; rudstone : texture jointive. Les roches carbonatées N 13 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts 1. Introduction 2. Classification des roches carbonatées 3. Diagenèse des roches carbonatées 4. Environnements de dépôts des roches carbonatées Les roches carbonatées N 14 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Diagenèse : processus complexe Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Compaction mécanique Perte de porosité Ré-arrangement des grains Compaction chimique Processus de pression-dissolution Les roches carbonatées N 15 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Diagenèse : processus complexe Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Les roches carbonatées N 15 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Diagenèse : processus complexe Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) ⇒ lithification (induration du sédiment). Les roches carbonatées N 15 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Diagenèse : processus complexe Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) ⇒ lithification (induration du sédiment). Faiblement magnésienne (0-5% de Mg) 1. Calcite - CaCO3 Hautement magnésienne (5-15% de Mg) 2. Aragonite - CaCO3 Métastable à T°C ambiante ⇒ dissolution ou tranformation en calcite 3. Dolomite - (Ca,Mg)(CO3)2 Les roches carbonatées N 15 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Diagenèse : processus complexe Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) ⇒ lithification (induration du sédiment). Fibreux Prismatique Micritique Sparitique Morphologie des ciments carbonatés ⇒ fonction des conditions de précipitation (T°, pH, pCO2 ) liées à l’environnement diagenétique Les roches carbonatées N 15 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Diagenèse : processus complexe Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) ⇒ lithification (induration du sédiment). Ï Remplacement : dissolution d’une phase minérale et précipitation d’une nouvelle phase à sa place (de même nature ou non) Aragonite Calcite faiblement magnésienne Dolomite Calcite fortement magnésienne Dolomitisation Les roches carbonatées N 15 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Diagenèse : processus complexe Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) ⇒ lithification (induration du sédiment). Ï Remplacement : dissolution d’une phase minérale et précipitation d’une nouvelle phase à sa place (de même nature ou non) Dolomitisation partielle Oolithe dolomitisée Les roches carbonatées N 15 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Diagenèse : processus complexe Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) ⇒ lithification (induration du sédiment). Ï Remplacement : dissolution d’une phase minérale et précipitation d’une nouvelle phase à sa place (de même nature ou non) Ï Recristallisation : modification de la taille des cristaux d’un élément figuré, d’une matrice ou d’un ciment. Les roches carbonatées N 15 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Diagenèse : processus complexe Définitions Ï Diagenèse précoce : processus qui se produisent dans la tranche superficielle des sédiments suite à leur dépôt, parcourus par des fluides en connexion avec la tranche d’eau Ï Diagenèse tardive : processus qui prennent place au cours de l’enfouissement déconnectés de la zone où interagissent sédiments et tranche d’eau majoritairement fait par une dissolution des phases métastables et une précipitation de calcite transformation aragonite-calcite dans la lithification du sédiment ⇒ création d’une porosité secondaire Aragonite Orthorhombique d ≈ 2.94 3 V ≈ 226.85 Å Calcite Rhomboédrique d ≈ 2.72 3 V ≈ 60.75 Å Les roches carbonatées N 16 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts 1. Introduction 2. Classification des roches carbonatées 3. Diagenèse des roches carbonatées 4. Environnements de dépôts des roches carbonatées Les roches carbonatées N 17 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Rappel : principaux environnements sédimentaires DOMAINE CONTINENTAL DOMAINE OCÉANIQUE Domaine néritique ++ torrent + -lac + + fleuve - littoral -+lagune -lagon Domaine pélagique 0m 200 m + ++ + recif -- Plate-forme int. ext. talus -4000 m plaine abyssale + et - : énergie relative du milieu Les roches carbonatées N 18 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine continental Carbonates lacustres Ï Précipitations inorganiques soustraction de CO2 (via photosynthèse par exemple) mécanisme d’évaporation mélange d’eaux à pH différents Les roches carbonatées N 19 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine continental Carbonates lacustres Ï Précipitations inorganiques soustraction de CO2 (via photosynthèse par exemple) mécanisme d’évaporation mélange d’eaux à pH différents Ï Accumulations de coquilles (gastéropodes, lamellibranches) faible proportion des carbonates lacustres Les roches carbonatées N 19 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine continental Carbonates lacustres Ï Précipitations inorganiques soustraction de CO2 (via photosynthèse par exemple) mécanisme d’évaporation mélange d’eaux à pH différents Ï Accumulations de coquilles (gastéropodes, lamellibranches) faible proportion des carbonates lacustres Ï Carbonates algo-microbiens Stromatolithes Les roches carbonatées N 19 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine continental Tufs et travertins Ï Concrétions calcaires à l’émergence de sources et dans des cours d’eau peu profond à petites cascades précipitation de CaCO3 activée par turbulences et perte de CO2 aspect caverneux dû à la disparition de débris végétaux encroûtés Les roches carbonatées N 20 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine continental Tufs et travertins Ï Concrétions calcaires à l’émergence de sources et dans des cours d’eau peu profond à petites cascades précipitation de CaCO3 activée par turbulences et perte de CO2 aspect caverneux dû à la disparition de débris végétaux encroûtés Les roches carbonatées N 20 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine continental Spéléothèmes et calcrètes Ï Stalactites, stalagmites et autres concrétions calcaires présentes dans les grottes Les roches carbonatées N 21 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine continental Spéléothèmes et calcrètes Ï Stalactites, stalagmites et autres concrétions calcaires présentes dans les grottes Ï Calcrètes ou calcaire pédogénique Les roches carbonatées N 21 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Rappel : principaux environnements sédimentaires DOMAINE CONTINENTAL DOMAINE OCÉANIQUE Domaine néritique ++ torrent + -lac + + fleuve - littoral -+lagune Domaine pélagique 0m 200 m + ++ + recif -lagon -int. Plate-forme ext. talus -4000 m plaine abyssale + et - : énergie relative du milieu Les roches carbonatées N 22 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Sédimentation biogène vs terrigène Ï sédimentation au niveau de la marge continentale principalement terrigène Ï B contribution de l’océan pour produire ses propres sédiments production biologique Les roches carbonatées N 23 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates de plate-forme Espèces benthiques (domaine néritique) Bivalve Algue rouge Échinoderme Gastéropode Foraminifère benthique Corail Les roches carbonatées N 24 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates de plate-forme Calcaires à huîtres Les roches carbonatées N 25 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates de plate-forme Récifs coralliens Les roches carbonatées N 26 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates de plate-forme Ï Exemple des plate-formes carbonatées PF ouverte : environnements froids, absence de récifs PF barrée : environnements tropicaux, lagon, barrière récifale Les roches carbonatées N 27 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates de plate-forme Ï Exemple des plate-formes carbonatées PF ouverte : environnements froids, absence de récifs PF barrée : environnements tropicaux, lagon, barrière récifale Les roches carbonatées N 27 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates de plate-forme Ï Écosystème corallien plateaux continentaux calcaires / plate-formes insulaires zone tropicale : 30°N-30°S condition actuelles optimales : 25-29°C profondeur max : 80-100 m Les roches carbonatées N 28 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates de plate-forme Ï Écosystème corallien plateaux continentaux calcaires / plate-formes insulaires zone tropicale : 30°N-30°S condition actuelles optimales : 25-29°C profondeur max : 80-100 m Les roches carbonatées N 28 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates de plate-forme - Microfaciès Ï Écozonation des plates-formes à l’Eocène basée sur la répartition : des foraminifères à test porcelané (blanc, Milioles et Alvéolines) des foraminifères à test hyalin (translucide, Nummulites et Discocyclines) orbitolite nummulite miliole alvéoline Les roches carbonatées N 29 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates pélagiques Ï Restes d’organismes planctoniques microscopiques (carbonatés et siliceux) ± dilués par une fraction fine d’origine terrigène (argiles) Les roches carbonatées N 30 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates pélagiques Ï Restes d’organismes planctoniques microscopiques (carbonatés et siliceux) ± dilués par une fraction fine d’origine terrigène (argiles) SiO2 CaCO3 Diatomées Coccolithophoridés Phytoplancton Zooplancton Radiolaires Foraminifères Les roches carbonatées N 30 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates pélagiques Les roches carbonatées N 31 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates pélagiques Ï Lysocline : profondeur à laquelle la dissolution augmente brutalement Ï CCD (profondeur de compensation de la calcite) : au-delà tout le CaCO3 est dissout ⇒ Zonation latitudinale et bathymétrique des sédiments pélagiques Les roches carbonatées N 32 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Domaine océanique Carbonates pélagiques Les roches carbonatées N 33 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Exercice 1 2 3 11 4 5 6 7 8 9 10 10 500 500 m m 11 12 13 Les roches carbonatées N 34 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Exercice 13 2 9 7 4 3 8 10 7 3 12 3 3 5 11 5 7 7 5 1 6 500 500 m m 1 Calcaire à Nummulites et Discocyclines 2 Conglomérat 3 Corail 4 Calcaire à Milioles 5 Calcaire de démentèlement floatstone 6 Sable 7 Calcaire à oolithes 8 Gypse 9 Grès calcaire 10 Granite 11 Craie 12 Calcaire fin 13 Marne argileuse Les roches carbonatées N 34 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Exercice 2 13 fluvio-estuarien barrière récifale 9 3 7 4 3 sebkrah/lagune 8 10 continent cordon littoral 7 6 avant-récif 12 3 lagon 3 5 11 5 7 7 5 1 plate-forme externe plate-forme interne 500 500 m m 1 Calcaire à Nummulites et Discocyclines 2 Conglomérat 3 Corail 4 Calcaire à Milioles 5 Calcaire de démentèlement floatstone 6 Sable 7 Calcaire à oolithes 8 Gypse 9 Grès calcaire 10 Granite 11 Craie 12 Calcaire fin 13 Marne argileuse Les roches carbonatées N 34 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Exercice 2 13 fluvio-estuarien barrière récifale 9 3 7 4 3 sebkrah/lagune 8 6 10 5 7 avant-récif 12 3 lagon 7 cordon littoral 11 5 1 7 3 5 plate-forme externe 500 500 m m plate-forme interne continent Profil bathymétrique 3 6 10 8 4 cordon littoral cont. lagune plate-forme interne 7 3 12 lagon 7 5 1 1 Calcaire à Nummulites et Discocyclines 2 Conglomérat 3 Corail 4 Calcaire à Milioles 5 Calcaire de démentèlement floatstone 6 Sable 7 Calcaire à oolithes 8 Gypse 9 Grès calcaire 10 Granite 11 Craie 12 Calcaire fin 13 Marne argileuse 11 barrière récifale plate-forme externe bassin Les roches carbonatées N 34 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Exercice Atoll Belize Les roches carbonatées N 35 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Exercice Cordon littoral Les roches carbonatées N 36 / 37 Introduction Classification Diagenèse Environnements de dépôts Exercice Estuaire Les roches carbonatées 37 / 37 N
