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Les altérations :
un enregistrement des mouvements
verticaux des lithosphères continentales,
un nouveau concept de réservoir dans les
roches cristallines
Robert Wyns
BRGM Orléans
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
PLAN
1. Critique du contrôle climatique de l’altération
2. Qu’est-ce que l’altération ?
3. Relations entre altération, hydrologie et tectonique
4. Séquences d’altération et mouvements verticaux de la lithosphère
5. L’altération, un marqueur géodynamique et paléogéographique des
orogènes
6. L’horizon fissuré des profils latéritiques : un réservoir pour l’eau et
pour les hydrocarbures
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>2
1. Critique du contrôle climatique de l’altération
L’altération des roches a été jusqu’à récemment considérée
comme contrôlée essentiellement par le climat, selon la
représentation de Strakhov (1962, 1967).
From Strackhov, 1967
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>3
Depuis le milieu des années 1990, la multiplication des
datations de profils latéritiques (datations Ar-Ar sur
oxydes de manganèse, initiées par Vasconcelos, et
datations par paléomagnétisme, initiées par Théveniault
et Freyssinet) a permis de montrer que de nombreux
paléoprofils latéritiques d’Europe de l’Ouest avaient le
même âge que ceux d’Afrique de l’Ouest, d’Amérique du
Sud ou d’Australie :
Ils se sont formés en dehors de la zone intertropicale,
sous des latitudes comprises entre 35° et 50°.
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>4
Un exemple de profil latéritique en Vendée
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>5
La distribution actuelle des zones climatiques en fonction
de la latitude n’existe que depuis 10 Ma environ (période
à partir de laquelle l’importance des calottes glaciaires
aux pôles a resserré les ceintures climatiques en
direction de l’équateur)
Au cours de l’essentiel du Mésozoïque et du Cénozoïque,
les températures moyennes (18 à 22 °C) et les
précipitations
(•
1000
mm)
permettaient
le
fonctionnement des profils latéritiques jusque sous les
hautes latitudes (# 60° N)
Les nombreux profils latéritiques présents en Europe se
sont développés sous des latitudes comprises entre
Gibraltar et Paris
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>6
L’altération latéritique peut s’affranchir du climat : effets
thermiques de l’altération soustractive
(Travail réalisé en collaboration avec JP Girard, L. Guillou-Frottier et P. Blanc)
¾
L’altération des biotites en chlorite s’accompagne très souvent de la
cristallisation d’adulaire (feldspath potassique de basse T°), selon la
réaction :
biotite + quartz + H2O Æ chlorite + goethite + adulaire
les adulaires néoformées sont de plus en plus abondantes lorsque l’on
monte dans le profil : elles sont donc d’origine latéritique. Leur
formation débute au voisinage du front de percolation, à la base de
l’horizon fissuré (plusieurs dizaines de mètres sous la surface)
¾
L’étude géothermométrique (isotopes de l’oxygène et de l’hydrogène)
des adulaires et des chlorites néoformées a permis de déterminer une
T° de cristallisation voisine de 100°C, ce qui n’est pas compatible avec
des T° d’eau de surface
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>7
¾
L’altération soustractive consiste en un ensemble de changements de
phases minéralogiques de la roche mère permettant de mettre celle-ci en
équilibre avec les conditions de surface.
¾
Les principales réactions en jeu sont des réactions d’hydratation et
d’oxydation
¾
Toutes ces réactions sont puissamment exothermiques : elles libèrent la
chaleur emprisonnée dans les liaisons chimiques de haute énergie des
minéraux cristallisés à haute température (processus inverse du
métamorphisme, où les réactions sont endothermiques)
¾
Lorsque l’eau peut circuler librement dans le milieu, la chaleur produite est
évacuée vers le haut par convection dans l’eau.
¾
Au voisinage du front de percolation, la perméabilité est trop faible pour
permettre la convection : la chaleur ne peut être évacuée que par
conduction dans la roche
¾
Comme le front de percolation s’enfonce dans sa propre auréole thermique
à une vitesse plus faible que celle de la conduction, la température de
départ des réactions est un peu plus élevée à chaque stade d’enfoncement.
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>8
Hypothèse d’évolution thermique au front de percolation :
T0 : initiation du profil latéritique
t0
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T1 : le front de percolation commence à s’enfoncer :
la T° reste faible, la biotite se transforme en vermiculite
Front de percolation
T° < 50°C : La biotite s’hydrate en vermiculite
P1
t1
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> 10
Tn : l’augmentation de température à la base du profil permet la formation de chlorite et
d’adulaire
Arène
Horizon fissuré
Pn
Front de percolation
T° > 50°C : La biotite s’hydrate en chlorite avec apparition d’adulaire
tn
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> 11
Les calculs thermodynamiques permettent d’estimer la production de chaleur à
environ 150J par gramme de granite soit 405.106 J/m3 (405 mégajoules), mais
la puissance thermique dégagée (1W=1J/s) dépend de la cinétique des
réactions
On résout donc l’équation de la chaleur avec les conditions et propriétés
suivantes :
Granite, avec :
T=20°C
z=0
densité = 2700 kg/m3
capacité calorifique = 800 J/kg/K
conductivité thermique = 3 W/m/K
z=200m
Flux=Cste=90 mW/m²
Production de chaleur =
Q(z,t) =
- pour z<(veloc.t), Q=Q0
- pour z>(veloc.t),
Q= Q0 exp (- (z-veloc.t)² / G²)
où G vaut 10m, et où veloc est homogène à une « vitesse » mais qui ne correspond pas à la vitesse de propagation
du front thermique (celui-ci se propage plus lentement – c.f. diffusion thermique)
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> 12
Steady-state temperature profiles – No convection - Variable heat source
Régime permanent atteint à 200m
(i.e. le flux revient à 90mW/m²)
zone 100°C +/- 20°C
les sources associées émettraient
entre 0.008 et 0.014 W/m3
Æ Donc, pour une production 0.008 W/m3,
on pourra atteindre les 100+/-20°C au bout d’environ 9 Ma
Æ La température initiale de l’eau de pluie liée au climat joue donc
un rôle mineur, puisque l’eau est réchauffée en base de profil par la
chaleur libérée par les réactions d’altération
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> 13
Æ Le climat n’est pas le contrôle unique, ni même
majeur, de l’altération
Æ Le modèle de Strakhov s’applique aux sols au sens
pédologique, dont la durée de vie est de quelques
dizaines à quelques milliers d’années
Æ Il ne s’applique pas aux profils d’altération, dont la
durée de vie est de plusieurs dizaines de millions
d’années
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> 14
2. Qu’est-ce que l’altération ?
Les altérites forment une série continue, depuis un pôle soustractif
(exportation nette de matière) jusqu’à un pôle additif (importation nette
de matière) :
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> 15
L’altération soustractive :
• Elle agit principalement par l’hydrolyse des minéraux primaires de la
roche et l’évacuation par lessivage des cations les plus solubles (K,
Na, Mg, Ca, et dans une moindre mesure Si). Les éléments non
évacués se recombinent sur place pour former essentiellement des
oxydes, hydroxydes et des argiles.
• Classiquement on appelle profils latéritiques des profils d’altération
soustractive développés sur roches cristallines (roches plutoniques,
volcaniques et métamorphiques)
• On peut y rattacher les profils développés sur roches sédimentaires :
argiles kaoliniques sur argiles et marnes, argiles à chailles sur
calcaires jurassiques à chailles, sables sur tuffeau crétacé, sables à
silex et argiles à silex sur craie à silex, ainsi que les dissolutions
karstiques développées sur calcaires pauvres en insolubles
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> 16
Structure d’un profil latéritique
Æ L’épaisseur de l’horizon
fissuré est environ le
double de celle de la
saprolite
Æ Les connaissances
actuelles montrent des
épaisseurs d’horizon
fissuré comprises entre
50 et 200 m environ
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> 17
L’altération additive :
A l’opposé des altérations soustractives, les altérations additives
(silcrètes, calcrètes, dolocrètes, gypcrètes…) sont dues à la
précipitation en zone vadose des éléments chimiques contenus dans
l’eau souterraine (Si, Ca, Mg, Na, K…)
La concentration des solutions résulte de l’évapotranspiration et du
dégazage dans la zone capillaire située au-dessus de la nappe
phréatique
(From Wright and Tucker 1991)
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> 18
Exemple de calcrète développé dans le calcaire de Beauce
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> 19
3. Relations entre altération, hydrologie et tectonique
L’altération soustractive (départ net de matière) n’est possible que si la
composition de l’eau interagissant avec la roche est en permanence
sous-saturée par rapport aux minéraux présents dans la roche
ÆCeci implique que l’eau puisse s’évacuer en permanence vers l’aval
du paysage, ou en d’autres termes que la zone considérée se trouve à
l’amont d’un gradient hydrologique régional, ou encore dans une partie
haute du paysage.
ÆPar ailleurs, pour que l’eau de pluie ait le temps de s’infiltrer jusqu’à
la roche saine (en traversant généralement plusieurs dizaines de
mètres de saprolite argileuse), la pente moyenne de la surface du sol
doit être faible (dans le cas contraire le ruissellement prend le pas sur
l’infiltration).
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> 20
Ces deux conditions (altitude et faible pente) sont réunies dans les
déformations lithosphériques de grande longueur d’onde (500 à
1000 km).
Les altérations soustractives se forment donc généralement sur :
ÆLes épaulements de rift,
ÆLes bombements thermiques,
ÆLes antiformes liées au flambage lithosphérique en contexte de
compression.
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> 21
L’altération additive (apport net de matière) n’est possible que si la
surface de la nappe phréatique se trouve à faible profondeur sous la
surface du sol, condition indispensable pour permettre la concentration
des solutions par évapotranspiration
Æ Elle apparaît donc dans les points bas du paysage
ÆLes altérations additives se développent donc principalement dans
les grandes dépressions intracontinentales (exemples actuels :
Australie centrale, bassin du Tchad…).
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> 22
C’est sur la base de ce raisonnement que l’on peut classer les différents types
d’altération supergène selon une série continue allant d’un pôle soustractif,
correspondant aux zones soulevées des lithosphères continentales, à un pôle
additif, correspondant aux zones déprimées
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> 23
Exemple de l’Australie : on rencontre tous les types d’altération à la même
latitude, mais les altérations additives sont en position de cuvette, et les
altérations soustractives sur les zones soulevées
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> 24
4. Séquences d’altération et mouvements verticaux de la
lithosphère
Lorsqu’une lithosphère continentale émergée se déforme verticalement, elle
enregistre généralement la succession des types d’altération caractéristiques
des différents états de drainage liés à son altitude
Les silicifications marquent l’inversion du type d’altération :
Les silcrètes à coiffes se développent sur d’anciens profils d’altération
soustractive, après l’engorgement de ceux-ci dû à la remontée de la nappe
phréatique lors de la subsidence lithosphérique ; l’illuviation argileuse, donnant
des « coiffes » sur les éléments figurés, précède la silicification ; elle résulte
de l’inondation périodique de la surface du sol et de la décantation des eaux
boueuses
Les meulières se développent sur des carbonates (marins, continentaux ou
lacustres) ; d’abord compactes, elles évoluent en faciès caverneux lors de
l’altération soustractive liée au soulèvement lithosphérique, avec illuviation
argileuse postérieure à la silicification
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> 25
La séquence altération soustractive Æ altération additive caractérise une
lithosphère en subsidence,
Subsidence
Silcrètes à coiffes
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> 26
La séquence inverse altération additive Æ altération soustractive
caractérise une lithosphère en soulèvement.
Uplift
Meulières
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> 27
Détail d’un silcrète à coiffes (Nord du Massif central)) :
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> 28
Détail d’un silcrète à coiffes (Carrière de Viennay, Deux Sèvres) :
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> 29
Silcrète formé aux dépens d’un profil bauxitique (sud de l’Arabie,
épaulement de la Mer Rouge) :
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> 30
Silcrète formé aux dépens d’un profil bauxitique (sud de l’Arabie,
épaulement de la Mer Rouge) :
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> 31
Meulière se développant aux dépens d’un calcrète (Inde)
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> 32
Meulière caverneuse formée aux dépens de calcaires
lacustres oligocènes (graben de Saint-Maixent, Poitou)
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> 33
Exemple de séquences d’altération enregistrant les déformations de
l’avant-pays alpin au Tertiaire en Europe de l’ouest
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> 34
Répartition des altérations soustractives en France à l'Eocène ; la
zone hachurée a été soulevée par flambage lithosphérique au cours
de la compression "pyrénéenne" :
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> 35
La comparaison des faciès sédimentaires et d'altération associés à
une paléosurface avec la charte eustatique permet de construire une
courbe paléoaltimétrique de cette surface :
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> 36
Les mêmes évènements se retrouvent dans les courbes
d'accommodation construites à partir de l'analyse séquentielle haute
résolution en domaine de bassin épicontinental (d'après Robin et Guillocheau,
1999) :
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> 37
Exemple d’évolution altimétrique du sommet de la lithosphère
hercynienne en Europe de l’Ouest :
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> 38
Ondulations lithosphériques en Europe au Crétacé inférieur :
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> 39
Ondulations lithosphériques en Europe depuis le Miocène :
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> 40
5. L’altération, un marqueur géodynamique et
paléogéographique dans les orogènes
L’association fréquente des altérations soustractives (latérites, bauxites) avec les
épaulements de rift en font des marqueurs paléogéographiques des marges
émergées liées aux ouvertures océaniques dans les chaînes de collision
Ainsi, pour l’ouverture du Golfe de Gascogne au Crétacé, l’épaulement nord est
marqué par une surface d’érosion profondément altérée depuis la Bretagne jusqu’aux
Cévennes, avec des profils latéritiques sur socle cristallin (Massif armoricain,
Limousin, Aubrac…), des argiles à Chailles dans le Poitou et des bauxites sur le
plateau des Causses.
L’épaulement sud, quant à lui, souligné par des profils latéritiques sur roches
cristallines et par des bauxites sur roches carbonatées, est actuellement dispersé
tectoniquement au sein de la chaîne pyrénéenne
La reconstitution de sa géométrie originelle et de ses éventuels diverticules est
encore à réaliser, en prenant en compte une analyse structurale des sites où ces
paléoaltérations ont été fossilisées (regard des failles normales au pied desquelles les
bauxites resédimentées sont préservées…).
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> 41
L’ouverture du golfe de Gascogne au Crétacé inférieur :
L’épaulement nord du rift
s’étend de la Bretagne aux
Cévennes
L’épaulement sud est
actuellement dispersé
tectoniquement au sein
de la chaîne
pyrénéenne
From Ziegler, 1998
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> 42
La question de l’aplanissement précoce des chaînes de collision en
voie de surrection
L’étude des paléoaltérations en Corée du Sud et en Corse du Sud (tous deux
orogènes structurés au Tertiaire) a montré les faits suivants :
Existence dans les deux cas d’une surface d’aplanissement portant un épais manteau
d’altération, postérieure aux structures tangentielles en raccourcissement
Cette surface d’aplanissement est décalée verticalement par des failles (de directions
conjuguées en Corée) à premier jeu décrochant, avec rejeu en failles normales
ensuite (les 2 générations de stries sont enregistrées dans les arènes argileuses des
profils d’altération), avec une dénivellation de plus de 2500 m.
Ces faits peuvent être interprétés, en première hypothèse, comme résultant d’une
phase d’aplanissement à la fin de la phase de convergence et au début de la phase
extensive de résorption des racines lithosphériques (soulèvement de la chaîne)
Les failles décalant la paléosurface seraient la trace en surface (transtension puis
extension) des failles listriques normales accompagnant la dénudation de la chaîne
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> 43
Evolution des contraintes régionales dans une chaîne de collision :
1. Phase de raccourcissement :
¾
¾
¾
ıh > ıv
Création de racines lithosphériques
Peu de relief, surface d’aplanissement ?
(Modifié d’après Jolivet et Nataf, 1998)
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> 44
Evolution des contraintes régionales dans une chaîne de collision :
2. Epaississement maximal :
¾ıh § ıv
¾Le raccourcissement est bloqué
¾Début de croissance de l’altitude
(Modifié d’après Jolivet et Nataf, 1998)
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> 45
Evolution des contraintes régionales dans une chaîne de collision :
3. Phase d’effondrement :
¾ıv > ıh
¾Relief maximal
¾Etalement latéral de la chaîne, nappes gravitaires, dénudation
¾Remontée des racines lithosphériques
(Modifié d’après Jolivet et Nataf, 1998)
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> 46
6. L’horizon fissuré des profils latéritiques : un réservoir pour
l’eau et les hydrocarbures
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
> 47
Certains des minéraux hydrolysés (notamment biotite, pyroxène,
olivine) augmentent de volume lors de leur hydratation :
Par exemple, la transformation d’une biotite en chlorite ou en
vermiculite au stade précoce de l’altération provoque une
augmentation volumique potentielle de l’ordre de 40 % (l’épaisseur
des feuillets passe de 10 Å à 14 Å)
ÆIl s’ensuit l’apparition de contraintes qui engendrent des micro et
des macro-fissures par lesquelles l’eau peut continuer à progresser
vers le bas et atteindre de plus en plus de minéraux :
ÆL’altération crée physiquement dans la roche saine les conditions de
perméabilité qui lui permettent de se propager
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> 48
Exemple de l’altération d’un granite à biotite :
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A la base de la saprolite (horizon feuilleté), toutes le biotites ont
été altérées, on observe un intense réseau de micro-fissures :
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Les microfissures ainsi créées permettent l’augmentation
exponentielle des surfaces réactives : la surface spécifique augmente
comme 2 x l’inverse de l’écartement entre les fissures
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Exemple des microfissures crées par le gonflement des biotites dans
un granite (horizon feuilleté)
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Aspects mécaniques de la fissuration
Cas des roches grenues (granitoïdes)
La biotite subit une augmentation de volume de 40 % environ :
l’écartement des feuillets passe de 10 Å à 14 Å lorsqu’elle se
transforme en chlorite ou en vermiculite.
Cette transformation se fait au sein de l’horizon fissuré, à plusieurs
dizaines de mètres de profondeur. Dans ces conditions, le gonflement
dans le plan horizontal est impossible (sauf à proximité des fissures
préexistantes) car le milieu est infini :
Æ il en résulte une augmentation des contraintes horizontales. Dans le
plan vertical, le gonflement ne sera possible que lorsque la contrainte
verticale sera supérieure ou égale à la charge lithostatique.
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> 53
Æ Dans un granite, dès que la charge lithostatique est compensée, la
contrainte verticale n’augmente plus et elle est remplacée par de la
dilatation, alors que les contraintes horizontales continuent à
augmenter
Æ les contraintes maximales (ı1 et ı2 du tenseur de contraintes) sont
alors horizontales, tandis que la contrainte minimale (ı3) est
verticale.
Æ Lorsque la différence d’intensité entre contrainte maximale
horizontale et contrainte verticale dépasse la limite élastique de la
roche, il y a apparition de fentes de tension parallèles aux deux
composantes maximales du tenseur de contraintes (c'est-à-dire
horizontales dans le cas d’un granite).
Æ Des microfissures ainsi que des macrofissures apparaissent alors
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
> 54
L’horizon fissuré dans les granitoïdes
En Vendée (granite de Mortagne)
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
> 55
En Vendée (granite de Mortagne) :
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En Guinée dans des migmatites à foliation verticale
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> 57
Dans le Livradois :
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
Dans les Vosges (Honeck) : profil anté-triasique
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
En Bretagne (granite de Ploumanac’h)
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
Dans le Morvan
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
En Aveyron
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
Au Burkina-Faso
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
En Inde (Hyderabad, Andhra Pradesh) :
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En Arabie saoudite :
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> 65
L’altération en boules
A proximité d'une diaclase verticale préexistante, le tenseur des contraintes
subit une rotation de 90°, car la dilatation horizontale peut être localement
absorbée par la fermeture de la diaclase ; c'est l'origine de la formation des
boules de granites :
Les fractures radiales
restent fermées car les
contraintes majeures sont
tangentes à la surface de la
boule, le cœur est donc
protégé des infiltrations
d’eau et de l’altération
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> 66
L’altération en boules
Exemple de rotation des contraintes le long d’une diaclase
préexistante (Inde) :
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> 67
Exemple : Peyro Clabado (Sidobre)
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> 68
Cas des roches plissées (schistes, micaschistes, gneiss)
ÆLes phyllites ont des orientations dépendant de la structure
de la roche
ÆPar ailleurs, la texture litée confère généralement à la roche
des plans de faiblesse préférentiels
Æ La géométrie des fractures résultantes est généralement
irrégulière
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> 69
L’horizon fissuré dans les roches basiques et
ultrabasiques
ÆLes principaux minéraux gonflants sont les pyroxènes et
l’olivine
ÆPas ou peu de gonflement dans les roches
paléovolcaniques ou ayant subi un métamorphisme rétrograde
(amphibolites) car les minéraux gonflants ont été hydratés
avant l’altération latéritique
ÆIdem pour les dolérites lorsque les minéraux gonflants ont
été hydratés lors de la mise en place
ÆLes basaltes et les gabbros non métamorphiques sont
capable de développer un horizon fissuré s’ils contiennent des
minéraux gonflants, idem pour les péridotites
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
> 70
Application aux aquifères en roches cristallines
Le modèle ancien d’aquifère en zones de socle : aquifères verticaux
isolés les uns des autres, liés à des couloirs de fracturation
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
> 71
Le nouveau modèle d’aquifère :
Horizon fissuré :
10-8
-3
-5
K=
à 10 m/s (moy. 10 m/s),
Saprolite
:
Aquifère
stratiforme,
multicouches,
lié à un
ancien
profil
forte
anisotropie
de latéritique
K dans les granites,
-7
-5
-6
K = 10 à 3 x 10 m/s (moy. = 2 x 10 m/s)
Peff = 3 à 10 %
avec Kh = 10 x Kv
Peff = 0,1 à 5 %
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> 72
Quantification des volumes poreux
Æ Les études réalisées en France en combinant modélisation géométrique de
l’aquifère et mesures des teneurs en eau par RMP (Résonance Magnétique
Protonique) ont permis de réaliser des cartes de la réserve en eau souterraine,
exprimée en hauteur d’eau équivalente.
Æ Ces études montrent que 80 à 90 % de l’eau libre est stockée dans l’horizon
fissuré, le reste dans les altérites meubles
HORIZONS D’ALTERATION
m
50
50 m
Surface du sol (MNT)
Surface piézométrique
h1
SONDAGES RMP :
MESURE DES POROSITES
Altérites
Base des altérites
Horizon fissuré supérieur
h2
Horizon fissuré inférieur
h3
Bed-rock sain
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
ESTIMATION
DE LA RESERVE
)
Lame d’eau = )1 * h1 (mm)
)
Lame d’eau = )2 * h2 (mm)
)
Lame d’eau = )3 * h3 (mm)
Pour des profils d’altération dont l’horizon fissuré a une épaisseur
moyenne de 70 m, la hauteur d’eau totale de l’aquifère d’altération est
comprise entre 1 et 3 m
Carte de la réserve en eau souterraine, micaschistes précambriens (Maine et Loire)
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
Application aux réservoirs pétroliers
Modèle habituel d’un réservoir d’hydrocarbures en
roches cristallines
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
Theoretical porous volume of fissured layer from Magnetic
Resonance Soundings
(Case of 80 to 100 m thick fissured layer)
In m3/km²
In barrels/km²
For 1 m water height
1000000
6289308
For 2 m water height
2000000
12578616
For 3 m water height
3000000
18867924
Conférence EnSciTerre, OSUC, 27 mars 2013
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