Draperies de calcite dans les Cavernes de Carlsbad au Nouveau

Draperies de calcite
dans les Cavernes
de Carlsbad au
Nouveau-Mexique
Roches détritiques et chimiques
• Nous avons vu que des sédiments ont une origine
détritique (les détritus solides) et que d’autres ont une
origine chimique (les ions et les autres substances en
solution).
• La diagenèse (compaction – cimentation) d’un sédiment
principalement détritique donne une roche sédimentaire
détritique.
• La diagenèse d’un sédiment principalement chimique
donne une roche sédimentaire chimique.
• La classification des roches détritiques est basée sur leur
granulométrie (= grain - mesure), c’est-à-dire sur la
répartition des particules de diverses tailles qui forment la
roche.
Classification granulométrique
Diamètre des
particules en
mm
Nom du
sédiment
Nom de la roche
Gravier
Conglomérat
Sable
Grès
Silt
Siltstone
Poussière,
argile, boue
Shale
Bloc
256
Gros galet
64
Petit galet
4
Granule
2
0,0625
0,0039
Conglomérat
Grès des îles de la Madeleine
Gros plan du grès de Potsdam de l’île Perrot
Siltstone à la surface beaucoup
plus douce que le grès.
Shale (Toronto). Le
shale se sépare
facilement en
plaques.
Question
Si cette fine poussière argileuse, déposée en strates minces
dans le lit du Rio Grande, se transforme un jour en roche,
quel type de roche aura-t-on ?
Réponse : On aura une roche sédimentaire détritique de type
shale, un shale qui gardera le souvenir du dépôt original et
qui se séparera facilement en plaques minces.
La classification
des grès
Sable de gypse, White Sands
(Nouveau-Mexique)
• Toute roche formée de sable est un grès. Mais ce sable peut
être constitué de particules plus ou moins bien triées et
arrondies (maturité de texture), ne contenir que du quartz ou
aussi des feldspaths et des fragments de roche (maturité
minéralogique), être mélangé avec de la boue (autre classe
granulométrique), etc.
• Il existe donc des classifications propres aux grès, comme il
en existe aussi pour les conglomérats, les siltstones et les
shales. Nous n’étudierons pas ces classifications.
• À titre d’exemple, on appelle wackes tous les grès riches
en boue et en silt. Notamment, le graywacke est composé
de grains anguleux et mal triés de quartz, de feldspath, de
roche… entourés par une matrice fine riche en argile. Le
graywacke est gris et on l’appelle «grès sale».
• Les sédiments immatures qui donnent les graywackes
s’accumulent notamment sur la marge d’un continent où
s’édifie une chaîne de montagnes. L’érosion de la chaîne
fournit des sédiments qui, à cause du haut relief et de la
proximité du bassin marin, sont rapidement transportés et
déposés en vrac.
Strates de graywacke
et de shale
Classification des roches chimiques
• Les substances dissoutes dans l’eau peuvent former des
minéraux quand l’eau est saturée (phénomène de
précipitation) ou quand des organismes les utilisent pour
construire leurs enveloppes ou tests (algues, plancton…).
Précipitation dans un marais maritime bordant la
mer de Salton en Californie
• On classe les roches qui résultent de ces dépôts en
fonction du minéral dominant :
– Roches carbonatées : formées de calcite (CaCO3),
d’aragonite (une autre forme cristalline de CaCO3) ou
de dolomite (CaMg[CO3]2).
– Roches siliceuses : formées de quartz (ou silice)
SiO2.
– Roches ferrifères : contenant divers composés de fer
(oxyde de fer Fe2O2, hydroxyde de fer FeO(OH)…).
– Évaporites : formées de halite (le sel de table) NaCl
ou de gypse CaSO4•2H2O ou de sylvite KCl…
– Roches phosphatées : formées de variétés du
minéral apatite Ca5(PO4)3(F ou Cl ou OH), un cousin
du minéral des dents et des os.
– Roches carbonées : contenant une proportion élevée
de carbone C.
Question
Cette photographie satellite de la
NASA (site Visible Earth) montre la
mer la plus salée de la planète, la
mer Morte. Son nom vient du fait
que rien n’y vit tellement elle est
salée. À quel usage commercial
servent les grands bassins au sud
de la mer ?
Réponse : Ce sont des bassins
d’évaporation où on recueille les
sels de l’eau pour l’industrie
chimique. C’est par le même
processus que se forment les
évaporites.
Les roches carbonatées
• La calcite CaCO3 se forme à partir des ions Ca2+ et HCO3par précipitation ou par accumulation des tests
d’organismes qui ont utilisé ces ions pour fabriquer leur
enveloppe de calcite (ou d’aragonite).
• Les roches carbonatées sont le calcaire (calcite), surtout
marin et un peu d’eau douce, et la dolomie (dolomite). La
dolomie se forme par ajout de magnésium au calcaire.
• L’eau contient toujours du gaz carbonique CO2, le gaz que
nous rejetons en respirant et celui des boissons gazeuses.
Les ions Ca2+ et HCO3- précipitent en calcite dans une eau
pauvre en CO2 et, inversement, la calcite se dissout en
ions Ca2+ et HCO3- dans une eau riche en CO2.
• Une bouteille d’eau gazeuse contient plus de CO2 quand
elle est froide et capsulée que lorsqu’elle est chaude et
décapsulée. Les calcaires marins se forment donc dans
les mers tropicales peu profondes (eau profonde =
bouteille capsulée) pauvres en CO2 ; les calcaires d’eau
douce se forment là où de l’eau gazeuse riche en calcite
dissoute jaillit du sol (= décapsuler) et perd son CO2.
Cette plage d’Hawaii est un dépôt de sédiments
carbonatés. Les grains sont des fragments des coraux qui
vivent dans les eaux chaudes peu profondes.
La surface altérée de ce calcaire du boulevard SaintMartin à Laval montre qu’il est formé des restes en calcite
d’organismes marins. Ceux-ci vivaient à l’Ordovicien
quand la région était occupée par une mer tropicale peu
profonde (revoir la présentation 2).
• La craie est un calcaire fait
presque uniquement de
calcite, sous forme de tests
d’organismes marins
microscopiques. Elle est
blanche, tendre et friable.
Falaise de craie de
Douvres en Angleterre
• Les concrétions calcaires sont
des calcaires d’eau douce. Ils
se forment par dépôt de
couches successives dans les
cavernes, dans les ruisseaux,
près des sources… Tout le
monde connaît les stalactites.
Concrétions là où des
sources jaillissent dans le
fond d’un lac de Californie
Question
Cette belle « draperie » de
pierre se trouve dans le canyon
Johnson (Rocheuses). Elle suit
le trajet de l’eau d’une source
qui sort plus haut et qui coule
sur la paroi. De quoi s’agit-il ?
Réponse : C’est une concrétion
calcaire (de type travertin).
L’eau a dissous du calcaire en
traversant les roches. Comme
l’eau perd du CO2 en sortant
(baisse de pression, bactéries
sur la paroi qui consomment le
CO2…), le calcaire précipite.
Les roches siliceuses
• L’altération donne de la silice dissoute. Divers organismes
marins utilisent cette silice pour former des tests ou des
épines dont l’accumulation donne des roches siliceuses.
Dans une eau saturée, la silice peut aussi précipiter.
• On nomme les roches siliceuses en fonction des
organismes accumulés (ex. diatomites), de leur mode de
formation (ex. silex) ou de leur apparence (ex. chert
rubané).
Rognons de silex, avec
leur enveloppe blanche
typique, dans le calcaire
Onondaga de l’état de
New York. On pense qu’ils
se sont formés par
précipitation.
Rognons de silex dans la
falaise de craie de
Douvres. On en fait des
murs de maison.
Chert rubané, riche en oxydes de fer, fortement plissé,
près du pont Golden Gate à San Francisco.
Exemples de tests microscopiques
Craie grossie 10 000 X
Photos au microscope électronique tirées
d’un article de Patzek, Silin et Barenblatt :
http://petroleum.berkeley.edu/papers/patzek/
2001%20IEA%20Workshop%20Manuscript.
pdf
Diatomite grossie 600 X et 5 000 X
Question
• Quand on frappe un silex sur du fer on obtient une étincelle.
On a donc utilisé le silex comme pierre à briquet ou à fusil. Il
a aussi servi de matière première pour les premiers outils :
sa cassure conchoïdale (typique du quartz) permet d’en
arracher des éclats pour créer des bords tranchants. Le
silex se nomme flint en anglais.
• Quelle famille célèbre tient son nom du silex ?
Les Flintstones sont des personnages qui
appartiennent à Hanna-Barbera
Productions, Inc.
Roches ferrifères et phosphatées
• Elles se forment à partir des produits de l’altération chimique.
On utilise les roches ferrifères comme minerai de fer et les
roches phosphatées servent à la fabrication des engrais.
• Les trois chiffres des engrais minéraux, comme 29-3-4,
indiquent les proportions d’azote N, de phosphate P (en fait
P2O5) et de potassium K (en fait K2O).
• On tire les composés du phosphate
utilisés dans les engrais des roches
phosphatées et d’autres sources (les
excréments d’oiseaux ou guano, par
exemple).
• On utilise aussi une roche chimique,
l’évaporite sylvite KCl, comme une des
sources de potassium. C’est la fameuse
«potasse» de la Saskatchewan.
Rognons de roches ferrifères
tombés d’une falaise
Photo de Ian West, Geology of the Wessex Coast,
Southern England : http://www.soton.ac.uk/~imw/index.htm
Les évaporites
• L’eau de mer envahit périodiquement des marais maritimes.
Sous un climat chaud, l’évaporation sature l’eau en sels
dissous qui précipitent et donnent les évaporites.
• Des évaporites enfouies sous quelques km d’autres roches
cherchent à remonter parce qu’elles sont moins denses que
la roche sus-jacente et parce qu’elles se comportent comme
de la pâte aux températures qui règnent à ces profondeurs.
• On obtient alors une colonne d’évaporites de quelques km
de diamètre qui perce les roches sus-jacentes et se stabilise
juste avant d’atteindre la surface. Les îles de la Madeleine
reposent sur de tels «dômes de sel».
dôme
évaporites
Falaise de gypse à l’île Cape
Breton et affleurement en
bord de mer aux îles de la
Madeleine
Question
On fabrique le plâtre de Paris 2CaSO4 •
H2O à partir du gypse CaSO4 • 2H2O .
En vous inspirant de leur formule
chimique, pouvez-vous dire comment on
réalise la transformation ?
Réponse : On note que la seule différence entre le plâtre
et le gypse est la quantité d’eau incorporée dans la
structure cristalline. En écrivant la formule du plâtre de
façon un peu inhabituelle, soit CaSO4 • ½H2O, on
constate qu’il y a 4 fois plus d’eau dans le gypse. En
chauffant le gypse, on lui fait perdre 75 % de son eau et
on le transforme en plâtre. En mouillant le plâtre, de petits
cristaux de gypse se forment et se lient ensemble pour
donner un solide.
Le charbon
• Les charbons sont des roches chimiques inhabituelles. Il
s’agit de roches carbonées obtenues par l’accumulation de
débris non pas de roches, mais de plantes.
• Ordinairement, les bactéries du sol libèrent le carbone d’une
plante morte sous forme de gaz carbonique CO2. Si la
plante se trouve dans un empilement au fond d’un
marécage, la pauvreté en oxygène fait que les bactéries
utilisent plutôt l’oxygène O des plantes mortes et laissent en
arrière le carbone C.
• On obtient ainsi la tourbe, une roche formée d’un amas de
plantes enrichies en carbone.
• L’enfouissement de la tourbe sous d’autres sédiments crée
une compaction et un réchauffement qui permettent un
enrichissement progressif en C et un appauvrissement en
O. On obtient successivement la lignite, le charbon
proprement dit, l’anthracite et le graphite (C pur).
tourbe
Charbon bitumineux
anthracite
Photos de Lynn Fichter :
http://csmres.jmu.edu/geollab/Fichter/SedRx/Rocks/peat.html
En marchant sur la plage d’Inverness (Cape Breton) on peut
apercevoir une strate noire cachée par le sable. Il s’en détache
des fragments légers et friables. De quoi s’agit-il ?
Question
Réponse : Ce matériau noir et léger est du charbon.
C’est un affleurement d’une des veines du champ
de charbon d’Inverness.
Un karst
• Un karst (du nom d’une région de Slovénie) est un massif
de calcaire ou de marbre (un calcaire transformé) plein de
vides creusés par l’eau de pluie qui s’y infiltre.
• L’eau riche en CO2 est acide (pensez au goût piquant des
boissons gazeuses) et elle dissout la calcite du calcaire. Or,
l’eau de pluie qui s’infiltre dans un terrain contient du gaz
carbonique en solution provenant de l’air et, surtout, de la
respiration des organismes (bactéries, vers, larves…) qui
décomposent la matière organique du sol.
• Cette dissolution creuse la roche de façon caractéristique :
en surface, on retrouve des dolines, des gouffres, des
résurgences… ; en profondeur, les conduits où circule l’eau
forment des cavernes souvent décorées par des
concrétions calcaires (première diapositive).
Les dolines
•Par exemple, les dolines
sont des dépressions en Dépôts de surface (sable, argile)
forme d’entonnoir qui se
créent au-dessus des
fissures
conduits souterrains par
caverne
effondrement ou par
dissolution d’un réseau
calcaire
de fissures verticales.
•L’existence de karsts
(ou paysages karstiques)
est importante en
hydrogéologie puisque
ce sont de vastes
systèmes souterrains de
circulation des eaux.
dolines
Amorce de dissolution
effondrement
Entrée de la caverne Lusk dans le
marbre du Parc de la Gatineau.
Photo de A. Wilcox :
www.geocities.com/alanawilcox/2001/luskcaves.html
Doline du karst de l’île d’Anticosti.
Photo du gouvernement du Québec
(lien caduc).
Résurgence, rivière
souterraine qui sort d’un
massif de calcaire (BC)
Karst du Portugal (Algarve)
Lac à niveau variable. Le lac Medicine (près de Jasper) se
vide à chaque automne par le karst situé sous lui parce qu’il
n’y a pas assez d’eau qui l’alimente.
Cerne du niveau
précédent