III) Démarche en pétrologie sédimentaire.

INTRODUCTION A LA PETROLOGIE
Géologie
En minéralogie, on observe les roches sous deux aspects principaux :
- l'aspect
cristallochimique
- l'aspect
cristallographique
Cet assemblage n'est pas aléatoire mais spécifique selon la stéréochimie des
atomes
formant
des minéraux.
Géodynamique : les roches ne sont pas déposées aléatoirement sur la surface
terrestre (Ex : province,…). Au sein de l'écorce terrestre, nous étudierons les
phénomènes magmatiques
(pétrologie endogène)
La pétrologie c'est l'étude des roches, de leur composition, de leur nature et de
la façon dont elles se mettent en place dans la croûte terrestre.
Il faut considérer les roches comme des indices pour retracer l'histoire de la
terre.
En regroupant les différents indices, on va pouvoir préciser la vision de l'histoire
de la terre.
I) Les grands types de roches.
A) Classification des roches.
La classification des roches la plus classique se base sur leur genèse c'est à dire
d'où elles viennent.
Il
existe
3
types de
roches
:
- les roches sédimentaires : qui sont des produits de toutes l'altération de
toutes
les
autres
roches
:
les
roches
mères.
Elles représentent en 5 et 8% des matériaux de l'écorce terrestre.
- les roches magmatiques, qui sont le produit de la cristallisation d'un bain
silicaté appelé magma. Ils sont issus de la fusion partielle ou totale d'autres
roches, appelées roches mères qui peuvent être situées aussi bien dans la croûte
que dans le manteau. Il représente 65% des roches de la croûte terrestre.
- les roches métamorphiques qui sont issus de la transformation d'autres
roches sous l'influence de la température et/ou de la pression par changement
de
composition.
Elles
représentent
27%
des
roches
de
la
croûte
terrestre.
Figure 1 : classification géochimique des roches (qui reste quand même une
classification générale).
Deux séries
sont importantes
:
¤ La série la plus représentée à plus de 85% des les reliefs continentaux : la
série Sialferrique.
¤
Puis
loin
derrière
la
série
calcimagnésique
à
10%
La séquence la mieux représentée dans la série Sialferrique est l'aluminoargileuse
52%.
Puis quartzo
feldspathique
30%
Puis quartzitique 15%.
B) Cycle (évolutif) des roches.
Définition
:
Une altération est une désagrégation d'une roche sous l'influence des éléments
météoritiques
(température,
pluies…).
La diagenèse est une transformation peu intense des roches, qui conduit à une
plus
grande
induration
(cimentation,
compaction,
déshydratation...)
L'anatexie, c'est le passage d'une roche de l'état solide à un magma par fusion
partielle ou totale.
II) La démarche en pétrologie.
La démarche n'est pas la même si on a une roche endogène ou supergène ou
déformée par métamorphose.
A) Démarche en pétrologie du magmatisme.
1) La relation entre minéraux d'une même roche.
La relation entre les minéraux précise la chronologie de formation de la roche.
On fait appel d'abord à la notion de texture qui est la façon dont les minéraux
sont en rapport les uns par rapport aux autres au niveau dimension, petit gros et
rapport
de
forme.
¤ Texture grenue : structure macrocristalline (visible en lumière polarisée non
analysée
ou
analysée)
Les cristaux sont de tailles conséquentes (largement formés), ils ont une taille et
une forme homogène. La cristallisation est totale. Tout cela traduit une
cristallisation par un refroidissement lent en profondeur de la lithosphère
terrestre (remontée par érosion).
Cette texture est caractéristique des roches plutoniques.
¤ Texture microlitique (= matrice) porphyrique (= quelques gros cristaux) faites
de quelques gros cristaux entourés d'une matrice finement cristallisée.
Les cristaux ne sont pas de même nature, ils ont eu le temps de se cristalliser. Il
y a eu expulsion du magma ce qui a empêché le développement des petits
cristaux.
Cette texture est caractéristique des roches volcaniques.
¤ Texture hyaline ou vitreuse ou hyaloporphyrique : il n'y a peu ou pas de
cristaux visibles, la matrice est entièrement vitreuse. Donc il y a eu un
refroidissement rapide.
Cette texture est caractéristique de roches volcaniques "trempées" au contact
de l'eau.
2) La composition chimique des roches magmatiques.
La composition chimique va donner des indices pour connaître le contexte
géodynamique
de
la
roche.
Figure 2 : Composition chimique et contexte géodynamique :
Ces
éléments
ne
sont
pas
repartis
identiquement.
Leur répartition dépend de leur lieu de formation. On prend comme indice leur
respectives en
Si,
Fe,
Mg...
On fait des analyses chimiques beaucoup plus détaillées afin de placer ces roches
dans des contextes géodynamiques plus détaillés.
B) Démarche en pétrologie du métamorphisme.
1) Caractéristiques des roches métamorphiques.
Ce sont des roches qui ont subi des transformations qui sont globalement de
deux types : minéralogique d'une part et structurale d'autre part.
Ex 1 : Monxogranite / Gneiss oeillé (? ortho gneiss)
Ce sont des roches qui ont le même aspect global et la même composition
minéralogique : quartz, orthose, biotite (noir) et quelques plagioclases.
==>
Ces
deux
roches
ont
la
même
composition
chimique.
On doit donc admettre que ces roches entretiennent des relations de parenté.
Le Gneiss est un Monxogranite qui a subit de simples transformations
structurales.
Le Monxogranite est une roche plutonique et le Gneiss oeillé est une ex roche
magmatique métamorphisée.
Pour une roche d'origine sédimentaire, on parlera d'ex roche sédimentaire :
para…Pour une roche d'origine magmatique, on parlera d'ex roche magmatique :
ortho…
Ex 2 : Un gabbro / Une Eclogite : minéraux différents.
Mais une
composition chimique
similaire.
Figure 4 : Comparaison chimique gabbro et éclogite
L'éclogite est un gabbro qui a subit des transformations structurales et
minéralogiques.
2) Interprétation des transformations structurales :
¤ La schistosité est l'aptitude d'une roche à se débiter en feuillets qui ont tous
la
même composition minéralogique.
Ex : l'ardoise : feuillets identiques très fins :
La schistosité est le résultat conjoint d'une augmentation de la température et
de
contraintes
perpendiculairement à
la
direction des
feuillets.
Ex : Micaschiste riche en mica avec contrainte orientée perpendiculairement à
l'alignement des minéraux.
¤ La foliation est l'aptitude d'une roche à se débiter en feuillets mais de
composition différente.
Gneiss :
Ex : Gneiss : présentant des lits clairs de quartz et orthose et des lits foncés de
mica :
biotite
et
muscovite (marron).
Gneiss
folié
¤ Mylonite : ce sont des structures témoignant d'un broyage assez important de
la roche.
Il
existe
3
indices
de
broyage
:
- Quartz fracturé avec une extinction roulante (3 couleurs)
- La présence de séricite : minéraux de transformation des cristaux alcalins.
- Fracturations
cassantes des plagioclases.
Conclusion
:
Certaines roches métamorphiques présentent des alignements minéralogiques.
Ils ne sont que des enregistrements des orientations des contraintes qu'elles
ont reçues.
3) Chronologie des transformations minéralogiques.
On va se baser sur la cristallisation et la déformation de microstructures de
certains
minéraux
pour
établir
une
chronologie
relative.
Toutes les roches métamorphiques présentent des indices de transformation
qu'elles ont subi.
a) Microstructure poecilitique :
Formation progressive d'un cristal de storotide qui se réalise à partir d'un
certain de nombre de "germes" cristallins qui se rejoignent pour former un mono
cristal de storotide. Ce quartz interne à la storotide est chronologiquement plus
vieux. Cette microstructure poecilitique témoigne d'un métamorphisme
postérieur à
la
présence
du
quartz.
Ex : Staurotide poecilitique :
b) Microstructure hélicitique :
(en
forme
d'escargot.)
Ex
:
grenat
Le quartz est inclus dans le grenat donc le quartz est donc plus vieux que le
grenat.
Grenat hélicitique:
c) Quartz à extinction roulante:
Il est fait d'au moins 20 parties de différentes couleurs selon l'axe d'extinction
:
extinction roulante.
Le quartz ne se clive jamais. Sa structure ne fait que se déformer sous l'effet
des contraintes.
Cela est caractéristique d'un mécanisme de haute pression et basse
température.
Quartz " roulant " :
d) Les ombres de pression :
Ex : du grenat qui s'est mis en place dans une roche métamorphique avant
l'épisode
de
déformation.
On observe une orientation ordonnée des micas et autour des grenats du quartz
qui vont se mettre en place par des zones d'ombres de pression, protégées par le
gros cristal
de
grenat.
Ombres de pression :
Le
grenat
est antétectonique.
Le quartz est syntectonique.
4) Localisation dans un domaine géologique.
Il y a naissance de minéraux spécifiques au métamorphisme, qui n'existaient pas
avant, se développant dans des domaines de température et de pression
spécifiques : domaine de stabilité spécifique à chaque minéral.
Ex : Gneiss à sillimanite : stable au dessus de 620°C.
On peut utiliser des minéraux comme thermomètre et d'autres comme
baromètre. On déterminera les conditions de pression et de température pour
leur stabilité.
III) Démarche en pétrologie sédimentaire.
C'est la description qui étudie les processus d'altération et les conditions de
transport des matériaux et les conditions de mise en place des " corps
sédimentaires "et ceci sert à décrire des couches appelées " strates ".
Ces corps sédimentaires décrivent une organisation spatio-temporelle.
A) Le principe des causes actuelles
d'uniformutarisme.
- causes anciennes ou Principe
Un des buts de la pétrologie sédimentaire est de reconstituer les milieux de
dépôts (comme un policier essayerait de retracer le déroulement d'une histoire
passée).
Le
présent
est
la
clef
pour
comprendre
le
passé.
Lyell Hutten 1830 : " Les anciens changements produits à la surface de la Terre
sont dus à des causes analogues quant à leur nature et leur intensité à celle qui
agissent de nos jours. "
1) L'uniformité des lois naturelles :
On admet que les évènements se sont toujours produits de la même manière et
avec la
même intensité.
Ce principe aborde l'uniformité des lois naturelles dans le temps et l'espace. Il
s'agit d'un postulat (= " a priori ").
2) L'uniformité des processus :
Les processus sont invoqués pour expliquer les transformations de la Terre dans
le passé, sauf que pour certains évènements, il faut faire appel à des causes
disparues ou d'Intensité affaiblie de nos jours. (Causes génératrices de la crise
Crétacé Tertiaire).
3) L'uniformité de rythme :
On parle souvent de gradualisme (sous principe de l'uniformutarisme) qui dit que
les transformations sont supposées lentes, progressives et non cataclysmiques.
(Mais ça n'exclu pas les séismes …etc...).En général, comme ils sont localisés, on
suppose qu'ils ne peuvent pas se produire souvent à l'endroit étudié.
Comme tout principe, ce principe d'uniformutarisme implique donc des limites :
- L'existence de nombreuses roches, particulièrement abondantes dans les
séries géologiques qui ne semblent plus exister de nos jours.
Ex : La craie avec lits de silex. De nos jours, il ne se dépose plus de craie et donc
plus de silex interstratifié.
Ex : Les minerais de Fer oolithique (" petite sphère ") n'existent plus.
Ex : La komatiite est une roche volcanique issue de fusions assez poussées, plus
que celles qui ont lieu actuellement.
- Le présent n'est pas représentatif de l'Ancien. Le quaternaire apparaît
comme étant une période assez particulière, notamment en ce qui concerne
l'alternance de phases glaciaires et interglaciaire.
- On ne va pouvoir reconnaître dans l'Ancien que des choses que l'on connaît
actuellement. On ne reconnaît des mécanismes physico-chimiques dans l'ancien
que les
mécanismes déjà connus
à
l'heure
actuelle.
Ex : les moraines consolidées : les tillites : il y a eu cimentation.
Ex : Découverte des fumeurs noirs : Dans les années 60, on a trouvé de nouvelles
sédimentations avec des dépôts particuliers et aujourd'hui, on en reconnaît des
similaires ; mais avant 1960, on est passé à coté.
- On ne va pouvoir comparer l'Actuel à l'Ancien qu'avec ce qui a été conservé de
l'Ancien (transformation par la diagenèse, métamorphisme…) donc ces documents
ne seront pas vraiment représentatifs des conditions réelles moyennes.
- Il y a eu sur Terre des modifications irréversibles sur de nombreux plans :
Apparition de nouveaux continents, d'importants changements de la composition
de l'atmosphère, la plupart des milieux ont été colonisés par la vie, de
nombreuses crises biologiques marquées par des extinctions massives d'espèces,
l'évaluation de la distance Terre Lune n'a pas toujours été la même.
Faune de Burgess :
==> A la base, l'uniformutarisme a été fondé par des géologues qui voulaient une
évolution
progressive.
Aujourd'hui
c'est
devenu
un
dogme.
En pétrologie sédimentaire on renforce ce concept d'uniformutarisme et on
l'utilise comme outil de travail (on évite de la considérer comme un dogme).
==> On résonne en terme d'écologie des organismes, d'évolutions climatiques
(générale ou locale), de circulations océaniques et de répartition des terres
émergées ; qui ont changés et qui interdisent l'utilisation de ce principe comme
un
dogme.
On ne peut donc pas se passer de ce principe, mais on va utiliser comme le
présent c'est à dire comme une des clés du passé mais pas comme une réplique
du passé.
B) Notions de strates :
Toutes les roches sédimentaires à toutes les époques géologiques vont être
organisées en
structures discontinues
:
les
strates.
Ex : Normandie : superposition d'unités de nature et d'épaisseur variable.
Figure 5 : Les dispositions de strates :
On a des unités de roches clairement définies par des limites.
Si on observe des sédiments récents, non consolidés, encore " primaires ", on
observe des variations assez nettes de la nature mais aussi de l'aspect des
sédiments. Mais ces variations sont très progressives. A l'affleurement, les
limites entre les différentes couches sont nettes.
Pendant la diagenèse, les différences entre les différents dépôts sont
exacerbées (tranchées).
Les termes " Strates " et " bancs " sont synonymes, sauf que " banc " peut être
utilisé qu'en cas d'observation à l'affleurement et non dans les carottes. Les
bancs sont des strates dures qui donnent les reliefs. La strate est définie par
ces surfaces limites et non par son épaisseur et sa nature.
La strate est quelque chose d'actif, de dépôts sédimentaires mais le toit et le
mur correspondent à des périodes totalement passives : absence de dépôt.
Un joint est une interstrate qui donnera autant d'indices pour reconstituer les
événements passés.
Une strate est une unité de sédimentation.
C) Terminologie pour description des affleurements sédimentaires.
La couche est une mise à l'affleurement en relief des strates les plus
résistantes à l'érosion, mais aussi à l'affleurement en creux des strates les
moins résistantes.
On a donc une dynamique liée aux conditions météorologiques en terme de
comportement
mécanique.
Une barre est une unité constituée par une ou plusieurs couches particulièrement
identifiables dans le
paysage.
Ex 1 : La barre tithonique dans les Alpes. C'est en fait un cœur anticlinal assez
pincé.
Ex 2 : La barre d'Urgonien. Les calcaires d'Urgoniens sont épais. (350 m de
puissance)
D) Les niveaux condensés :
Epaisseur de sédiments faible (quelques cm) correspondant à une longue période
temporelle d'après le contenu paléontologique. D'un point de vue minéralogique,
ils ont le plus souvent des compositions particulières : (phosphatés ou
encroûtement ferrugineux) qui sont des dépôts chimiques entre deux dépôts
détritiques.
E) Les niveaux fossilifères :
On trouve des fossiles partout.
On notera que les roches azoolites (c'est à dire sans fossile) sont rares.
Il arrive que certains niveaux soient riches en fossiles et sont donc interprétés
comme
une
accumulation
mécanique
des
restes
d'organismes.
Ex : Chute de courants : Tout se dépose au même endroit.
Ex : Parfois, on a des strates condensées purement biologiques où les fossiles
forment
l'unique
apport
sédimentaire.
Une strate correspond à une unité de roche sédimentaire qui elle même
correspond à l'enregistrement géologique d'une durée pendant laquelle toute les
conditions de sédimentation étaient homogènes. Dans ces conditions, après
consolidation par diagenèse, ces sédiments vont donner des roches
sédimentaires à l'aspect homogène et distinct sous et subjacentes.
Une strate n'implique jamais une épaisseur ou une roche particulière.
C'est une durée de stabilité des conditions locales de dépôt.
Ex : Une roche peut être une strate d'épaisseur nulle, " virtuelle ".
Figure 8 : Du sédiment à la roche sédimentaire :
F) Notion de Faciès :
Cette notion est véritablement à la base de l'analyse sédimentologique.
Le faciès d'une roche est l'ensemble de ses caractères lithologiques (on parlera
de lithofaciès) et de ses contenus biologiques (on parlera de biofaciès.)
Ex : Calcaire marneux à limnées : roche composée essentiellement de carbonates
et d'argiles avec un biofaciès de limnées :( gastéropodes d'eau douce). C'est un
microfaciès.
Assez rapidement, la notion de faciès est devenue une notion " génétique ".
Pour ce calcaire marneux à limnées, on parle de faciès lacustre (les gastéropodes
proviennent
des
"
lacs
"
d'où
le
nom)
On part du principe que les limnées anciennes ont eu les mêmes exigences
écologiques
que
celles
actuelles.
La notion peut aussi être élargie, pour désigner des types de sédimentation
différents
pour
une
même
époque.
Ex : Trias à faciès Alpin différent du Trias à faciès Germanique.
G) Les constituants :
Il en existe 2 types
:
¤ Éléments figurés qui peuvent être des particules qui proviennent de la
destruction d'anciennes roches.
Ex : grés à ciment calcaire
LPNA.
On parle alors de fraction détritique (0 à100 %)
¤ Les Solutés qui en cristallisant vont donner des matrices, des ciments qui
vont provenir de l'altération des continents ou d'un hydrothermalisme du dépôt :
autrement
dit,
c'est
la
fraction
chimique
de
la
roche.
Ex : grés à ciment calcaire LPA
On
estime
à
3,5
le
rapport
(fraction
détritique)/(fraction
chimique).
Conclusion :
1. Pour faire un bon pétrologue magmatique, il faut bien connaître les roches
sédimentaires et métamorphiques, tout simplement car elles peuvent fondre pour
donner naissance au magma tout en se mettant en place en s'encaissant.
2. Pour faire un bon pétrologue métamorphique, il faut bien connaître toutes
les roches affectées par le métamorphisme c'est à dire les roches
sédimentaires et magmatiques.
3. Pour être un bon pétrologue sédimentaire, il faut bien connaître les deux
autres types de
roches.
4. Quelle que soit la discipline, lorsqu'on veut décrire les paysages anciens
pour les reconstituer, il faut pouvoir faire abstraction des déformations des
phénomènes tectoniques postérieurs (Autrement dit être un bon tectonicien).