sedimentation et diagenese

SM09 : sédimentation
SEDIMENTATION ET DIAGENESE RESUME
I. GENERALITES
-
Particules terrigènes
Particules biogènes
Particules authigènes (précipitation chimique en cas de sursaturation)
Particules volcaniques
II. LES PARTICULES TERRIGENES : altération, mobilisation
A. Altération physique
Profite des zones de faiblesse = failles diaclases. Favoriser par les écarts de température : gel/dégel
(haute latitude et zone montagneuse), la cristallisation du sel (zones littorales)…
B. Altération chimiques
Pluie acides, oxydation O2, les CO2 joue un rôle dans la mise en solution des carbonates : dans l’eau
de mer le Si est 10 x plus soluble que les carbonates.
Dans la plupart des roches sédimentaire l’eau provoques une perte de cohésion : bactéries et
végétaux produisent des acides qui renforcent l’action de l’eau.
La variabilité de l’altération dépend du climat :
-
minimales dans les zones désertiques car précipitations faibles, ainsi que aux hautes
latitudes.
Maximale en zone tropicale : forte précipitations et acidité de l’eau6x plus élevé qu’en
zones tempéré.
Phénomène de bio-rhexistasie : biostasie (altération chimique, biologique) climat chaud,
développement des végétaux, rhexistasie (altération physique) destruction du couvert végétal,
érosion des sols.
C. Mobilisation et transport des particules par l’eau
Pluies fine = simple altération, pluies fortes = altération plus mobilisation
Le couvert végétal protège les sols des précipitations : moins 20 à 40% de précipitation, si pas de
forêt la pluie attaque directement les sols : phénomène d’ablation = Rhexistasie.
Dépend aussi de la nature des sols, sols imperméable = pellicule en surface puis ruissellement,
l’importance des particules transportées varie avec la vitesse de ruissellement
Les embouchures : interface continent océans
1
SM09 : sédimentation
a. Les estuaires : basés sur l’importance des apports et de la marée
i. Estuaires stratifiés : (absence de marée = méditerranée)
L’eau douce s’écoule au dessus de l’eau de mer : l’eau de mer se comporte comme un coin salée,
l’épaisseur de l’eau douce diminue vers l’amont.
-
Gradient de salinité abrupte, gradient de densité élevé, phénomène de friction élevé =
turbulences
ii. Estuaires partiellement mélangés : (seine, tamise)
Importance des marées, courant non négligeable. Le point nul se déplace vers l’amont ou l’aval en
fonction des marées. Accumulation de sédiment = point vaseux à la rencontre des deux types d’eau.
Turbulence à l’interface des deux masses d’eau, friction au niveau du sol avec la marée montante ou
descendante. Mélange partiel des deux types d’eau, avec des gradients moins marqués que pour
les estuaires stratifiés
iii. Estuaires mélangés (la Gironde)
Marées très importante, se développe dans les vallées larges et peu profondes. La colonne d’eau est
totalement mélangée, le gradient de salinité diminue de l’amont vers l’aval seulement de façon
longitudinal.
La force de Coriolis va jouer un rôle très important créant un gradient de salinité entre rive droite et
rive gauche = HNord droite eaux fluviatile et gauche eau océanique
b. La sédimentation dans les estuaires :
Estuaire = Relativement peu de particules transportées, sédiments de petites tailles (argile et silt) :
phénomène de floculation intervient dans la décantation : le phénomène de floculation n’intervient
pas dans les eaux douce (particule chargées négativement). L’eau de mer salée possède des cations
NA+, et vont compenser en grande parties les charge négatives = floculation
Pour cela il faut que les particules soient maintenues très proches : turbulence
i. Cas des Estuaires stratifiés :
Turbulence au contact des 2 masse d’eau = floculation ; comblement faible. Floculation des eaux de
surface au large. Comblement faible
ii. Cas des estuaires partiellement mélangés et mélangés :
Particules amenés par les fleuves et les marées ; le transport cesse au point nul. Maximum de
turbidité au point nul.
c. Les Deltas :
2
SM09 : sédimentation
Apport fluviatile important qui ont colmaté l’estuaire ; les courant de marée n’arrivent plus à dissiper
les sédiments. Dépôt à l’embouchure au niveau du littoral.
Les Deltas sont caractérisés par des fleuves qui possèdent un grand bassin versant (Erosion et
précipitations importantes).
Structure : zone aérienne très basse, traversé par des chenaux, des étangs, des marées, et un couvert
végétal permettant de tenir en place les éléments sédimentaires
La classification des deltas, ce fait suivant le débit du fleuve, et de façon plus relative en fonction des
marées et des vagues.
i. Delta sous influence fluviatile dominante :
Mississipi, marnage très faible. On retrouve un point salé, des turbulences : mélange + floculation.
Transport important de grosses particules aboutissant à des dépôts sur le bord du chenal.
L’eau douce s’étale à la surface de l’eau de mer.
ii. Delta sous influence dominante des marées :
Marnage important ; différence entre marée haute et marées basse ; importance des marées sur le
processus de mélange et la distribution des sédiments. Rives subaquatiques : iles allongées avec de la
végétation.
iii. Delta sous influence dominante des vagues :
Secteur avec vagues importante, faible marées : Rhône
Si les vagues sont freinées elles gardent la même énergie. Pour compenser cela la vitesse diminue et
l’amplitude augmente. Interférence avec les eaux plus profondes = mélange important =
floculation ++
(A) dominance de marée;
(B) dominance fluviatile;
(C) dominance de vagues
D. Mobilisation et transport par le vent :
3
SM09 : sédimentation
Différence air/eau = différence de viscosité ; le vent va être responsable du processus d’érosion,
transport et sédimentation.
a. Pouvoir érosif de l’air/vent :
Importance significative dans les régions sans couvert végétal ; zones désertiques. L’érosion par le
vent s’effectue de la même manière que par l’eau (Coriolis, Ekman…). Particule transporté : sable
moyen au maximum = 63µm, dans les zones désertiques = formation de REG : le sol est recouvert
uniquement de galet. Le vent effectue un tri sélectif au niveau des particules. Les sables retombent
au sol à des milliers de kms au niveau des zones humides : pluies rouge.
E. Mobilisation et transport des particules par les glaces :
Effet de pression se produit par accumulation du manteau neigeux (la pression abaisse la
température de fusion de la glace). Différence de porosité entre les cristaux les cristaux les plus vieux
et les plus jeunes : 0 à 95%.
a. Les glaciers
Glacier polaires : gradient de température de surface plus froid qu’en profondeur
Glacier tempérés : gradient de température inverse ; perte thermique en profondeur.
Les glaciers sont considérés comme un fluide de très forte viscosité : la glace va s’écouler le long des
pentes, phénomène de fluage à l’intérieur de la masse de glace (plus important au niveau en zone
tempérées).
C’est la pression de la glace exercée sur un obstacle ou sur le substrat qui va créer ce flux d’eau.
b. Agents d’érosions très efficaces
3 types de transport par la glace :
-
supra-glaciaire (matériaux tombés des bassins versant sur la glace),
intra-glaciaire (matériaux incorporé du supra-glaciaire)
sous-glaciaire (à la base du glacier = évacue les particules érodées, et nettoie laissant les
particules les plus grosses).
c. Devenir des particules transportées
Une partie est déposée sur le transport : les moraines sur le bord des glaciers
Cas de hautes latitudes : certains glaciers parviennent à la mer : formation d’iceberg qui vont libérer
les particules incorporées lorsqu’ils fondent dépôts glaciaire loin dans l’océan.
d. Cas des icebergs
Masse considérable, superposition des sédiments sur les sédiments marins.
4
SM09 : sédimentation
III. LES PARTICULES BIOGENES
A. Généralités
Ce sont les restes minéraux de certains organismes marins qui constituent les particules biogènes.
a. Facteurs influençant l’activité biologique
Plus intense où les éléments nutritifs sont plus important (upwelling), ou la température est
optimales, et où il y a une disponibilité d’O2, et au niveau de la zone photique.
b. Les espèces benthiques
Caractérise les environnements marins de moins de 200m de profondeur donc une partie infime de
l’océan.
-
Espèces sessiles : éponge, coraux, échinoderme
Espèces mobiles : crabe, oursin
Espèce épifaunale : vivent au fond sur le sédiment
Espèce infaunale vivent dans le sédiment
c. les espèces : pélagiques (plancton)
Dans les bassins océaniques ce sont les activités planctoniques qui fournissent la majorité des
particules biogènes : zooplancton ou phytoplancton
B. Les microfossiles calcaires
a. Zooplancton calcaire : Les foraminifères
Seulement quelques familles planctoniques en abondance, à l’opposé des formes benthique très
diversifiées mais peu abondante. Présent à toutes les latitudes
i. Planctonique
Taille 50 à 400µm, on distingue 40 genres et environ 400 espèces. Nombre apparition et disparition
considérable très utilisé pour repérer les différentes périodes. Dans l’océan actuel = 30 espèces
ii. Benthique
Vivent sur le fond, on en trouve à toutes les profondeurs : taille 20 à 300µm, ils fournissent des
donnée paléontologique sur la composition des sols au cours du temps ainsi que sur l’évolution du
niveau des océans.
b. Le phytoplancton calcaire : coccolites
Algue unicellulaire : coccolitophoridés, développement principalement dans les zones photique
Formé de calcite et de Mg plus résistant à la dissolution, diversité plus importante au niveau des
zones tropicales. Dans les sédiments, plus forte concentration au niveau des basses latitudes ;
cependant en rapport du nombre d’espèce présente dans la colonne d’eau on en retrouve
relativement peu dans les sédiments dissolution des tests.
5
SM09 : sédimentation
C. Les microfossiles siliceux
a. Zooplancton siliceux : Les radiolaires
7000 espèces décrites : actuellement 300 espèces cohabitent, ils peuvent être groupé à certains
endroit ce qui permet de suivre les masses d’eau.
Taille de 50 à 400 µm, durée de vie de 1 à 3 mois.
Distribution : diversité plus importante aux basses latitudes, dans les conditions extrêmes la diversité
diminue fortementspemullaire en majorité
Problèmes : les eaux océanique sont sous saturé en silice dissolution élevé à la mort des MO
La préservation augmente
-
avec les faibles températures,
dans les zones de fortes productivités,
si le taux de sédimentation est élevé, les microfossiles siliceux sont rapidement enfouis
empêchant la dissolution
b. Phytoplancton siliceux : Les diatomées
Composant majeur de la production primaire : représente 70% de la silice présente dans les colonnes
d’eau. Les formes benthiques sont présentes mais on observe en majorité des espèces
planctoniques.
10 000 espèces vivent actuellement,
Frustule englobé dans une membrane de matière organique ralenti la dissolution
Les tests vont être mieux préservés dans les zones Antarctique et les zone d’upwelling (eau froide)
6
SM09 : sédimentation
IV. LA MATIERE ORGANIQUE
A. Matière organique océanique
Diatomée (principaux producteur de MO océanique) et les coccolitophoridées représente la
production primaire
a. Production nouvelle ou exportable
Quantité de MO disponible à la base de la base photique : 35 à 40 % de la production primaire
provient des zones d’upwelling et des zones proches des embouchures, or ces deux zones ne
représentent moins du tiers des zones océanique
b. Production exportée
Production exportée = production exportable – MO oxydée – MO consommée
La MO qui atteint le fond représente seulement 20 % de la MO exportable. Les particules organiques
se combinent à l’argile formant des floculas augmentant la vitesse de sédimentation.
Océan ouvert = zone du large production primaire = 50 g/m²/ans, production exporté = 0,5
g/m²/ans
Zone côtière production primaire 150 g/m²/ans, production exporté = 15 g/m²/ans
B. La matière organique continentale
Dominance = cellulose, lignine pauvre en hydrogène
La MO peut se combiner à des particules terrigènes, source de MO continentale apporté à l’océan au
niveau des embouchures : variation de l’apport de MO d’origine organique en fonction des crues.
50 % de la production exportable.
7
SM09 : sédimentation
V. LES SEDIMENTS OCEANIQUES
Composant : particule terrigène et biogène en majorité. Dans les zones en anoxie les particules de
MO, prendront une place importante dans la composition des sédiments.
(1) Phénomène important de dilution : proportion en terrigène, biogène dans les sédiments
(2) Composition peut être modulée par des phénomènes océanographiques : dissolution,
courant
A. les sédiments terrigènes = vase
Composé majoritairement de particule terrigène, mais on retrouve bien entendu des particules
biogène et organique en moindre quantité.
Situation : principalement embouchure des fleuves et zone avoisinante (varie avec le débit du
fleuve) : piège à sédiment.
a. remaniement par gravité
Les sédiments sont composés à 90% d’eau, donc instable.
-
Glissement, effondrement
Ecoulement : mélange flot de débris ou DebrisFlow
Ecoulement liquéfié (MudFlow)
Courant de turbidité : sédiment entièrement mélangé à l’eau de mer alimente
directement le bas des plateaux continentaux : ils arrivent par des canyons, et à leur
débouché ils forment des éventails sous marins. Le chenal principal se divise en chenaux
secondaire en allant vers l’aval.
o Eventail supérieur : immédiatement au débouché du chenal. Vers l’aval il y a un
grano-classement qui s’effectue, on y retrouve des stratifications entrecroisées,
et en bordure des sédiments hémi pélagique.
o Eventail moyen : Turbidité proximale, constitue la partie inférieure de la
séquence de booma apparition des chenaux secondaires
o Eventail inférieur : turbidité proximale, constitue la partie supérieure de la
séquence de booma.
8
SM09 : sédimentation
b. Les contourites
Les courants de profondeur peuvent éroder les sédiments fraichement déposés et les transporter sur
des centaines de kilomètre : il y a ensuite dépôt quand la vitesse des courants de fond diminue. Dans
les contourites on retrouve des grano-classement normal et inverse avec principalement des silts et
des argiles.
Taille inférieure à 10µm (terrigène) ; lorsqu’il n’y pas de floculation une partie de la fraction fine peut
être transporté sur des centaines voire des milliers de kilomètres.
Ils peuvent donc être incorporés aux sédiments pélagiques à dominante biogène.
Il ne faut pas oublier que dans les zones pélagique on retrouve en majorité des particules biogènes, et
une faible quantité de fraction fine car les dépôts terrigènes se font principalement aux niveaux des
plateaux continentaux.
Sédiments terrigènes :
-
proximité embouchure +++++
plateau continentaux +++
début zone pélagique ++
vers les dorsales seulement 5% voire moins –
B. Les sédiments biogènes = boues
Au niveau des zones côtière sans embouchure peu de dépôts terrigène, c’est l’activité biologique qui
fournit l’essentiel de la sédimentation.
Vers le large et à toutes les latitudes c’est principalement l’activité planctonique qui donne naissance
aux boues et sédiments biogènes (encore plus abondant en zone de fortes activité biologique
upwelling et équateur)
a. Les sédiments siliceux
i. Solubilité de la silice
Eau de surface est sous saturé en silice ; dissolution = SiO2 + 2H2O = H4SiO4. La dissolution des tests
siliceux est grande dans les eaux superficielles sous-saturées en silice. Elle diminue en profondeur
sous l'effet de la pression et de la basse température. Donc lorsque les tests siliceux atteignent les
eaux profondes la probabilité que les tests sédimentent augmentent.
9
SM09 : sédimentation
ii. Les dépôts siliceux (lieux)
Les boues à radiolaires et à diatomées s'accumulent actuellement sur les fonds océaniques, sous les
zones de haute productivité des eaux de surface (grâce aux upwellings).
A grandes profondeurs, au dessous de la CCD (calcite compensation depth), la sédimentation
siliceuse domine à condition que la production de silice par le plancton ait été suffisamment
importante en surface.
On distingue :
* les boues à Diatomées abondantes dans les mers froides;
* les boues à Radiolaires bien représentées dans la zone équatoriale des océans Pacifique et Indien.
L'accumulation des tests siliceux est la plus manifeste dans les zones où les sédiments siliceux ne
sont pas dilués par un apport en carbonates et/ou en terrigènes, c'est-à-dire loin des embouchures
fluviales et sous la zone de compensation des carbonates
10
SM09 : sédimentation
b. Les sédiments carbonatés
i. La dissolution des carbonates
La dissolution du calcaire augmente avec la profondeur: ce phénomène est dû à la teneur en CO2 qui
est grande à basse température et sous pression. Au delà d'une certaine profondeur, tous les débris
carbonatés sont dissous et le sédiment ne contient pas de carbonates : cette limite est la profondeur
de compensation des carbonates ou CCD (Carbonate Compensation Depth). Cette limite est située
vers -5000 m dans l'Atlantique. Elle est moins profonde dans les hautes latitudes où l'eau est plus
froides.
A l’intérieur du sédiment les particules enfouis sont de moins en moins soumises au phénomène de
dissolution.
Le Co2 est très soluble dans l’eau mais on va le retrouver sous d’autres formes :
CO2 + H2O = H2CO3 = HCO3- + H+ = CO3²- + H+
Atlantique : au centre de l’océan = faible profondeur (max 2500m) les carbonates biogènes qui
tombent dans la colonne d’eau ne sont pas dissout. Ils dominent dans la composition du sédiment.
En revanche en s’éloignant de la dorsale la concentration en sédiment carbonaté devient de moins
en moins importante.
Pacifique : A l’est la [CO3²-] est importante au niveau de la dorsale et au niveau de la lithosphère
jeunes et peu profonde. [CO3²-] témoigne de l’âge de la plaque.
Au niveau du continent Américains, malgré les profondeurs peu importantes il y a dilution des
sédiments carbonaté par les apports terrigènes, des fleuves.
ii. Les boues carbonatées
Les boues calcaires se déposent sur les fonds au-dessus de la CCD qui ne reçoivent pas d'apports
terrigènes importants. Selon la nature des organismes, on distingue:
-
Boues à foraminifère (zooplancton) : granulomètrie = sable > 63µm. Conséquence sur la
porosité, la cohésion et la perméabilité.
11
SM09 : sédimentation
-
-
Boues à coccolite : Nanofossile <10µm, la concentration en magnésium est plus élevé
que pour les foraminifères offrant plus de résistance. Donc plus on se rapproche de la
CCD plus on retrouve des boues à coccolithes.
Boues intermédiaire : foraminifère et coccolite
Bilan : on retrouve une forte activité au niveau des zones d’upwelling. Les boues à coccolites sont
majoritaires au centre des océans et les boues à foraminifère majoritaire en zone de forte
productivité.
Bilan général sur les boues :
En ce qui concerne l'équilibre des carbonates, le degré de saturation de la calcite est inversement
proportionnel à la profondeur, quel que soit le type d'océan concerné. L'augmentation de la pression
et l'abaissement de la température augmentent le taux de solubilité du CaCO3, d'où une tendance à
la décalcification générale des sédiments à partir d'une profondeur critique appelée lysocline (on note
une très brusque diminution du CaCO3 vers -4000 à -5000 m). Inversement, le contenu en SiO2 et
phosphates augmente progressivement avec la profondeur.
12
SM09 : sédimentation
C. Les sédiments organiques
On retrouve les sédiments organique où les fond sont appauvris en O2 (anoxique ou dysoxique). Ils
se développent donc quand les besoins en O2 dépassent la disponibilité.
a. Stratification des eaux
Circulation verticale nulle voire très faible. On observe un contraste densité masse d’eau important,
et une déficience en O2 des eaux profondes.
i. Conditions statique : mer noire
Matière organique préservé car très peu d’O2. [MO] maximum au centre du bassin ou l’activité
biologique est faible.
Au niveau des zones côtières l’activité biologique est élevé car il y a un fort apport terrigène par les
fleuves.
ii. Conditions intermédiaires
En zone intermédiaire la conservation de la matière organique est un phénomène très complexe.
iii. Conditions dynamiques : zone d’upwelling
Au niveau des upwelling la production de matière organique étant très importante, les besoins en O2
pour oxyder la matière organique sont élevé. Il peut alors arriver que la concentration en MO à
oxyder soit plus élevée que la concentration en O2 de la masse d’eau, créant ainsi un zone à
minimum d’O2.
Condition dynamique = interdépendance en productivité et anoxie.
La zone à minimum d’O2 dépend de l’intensité de l’upwelling et de la circulation océanique.
b. Les sédiments authigènes
i. Les oxydes métalliques
Etroitement associée aux dorsales océaniques. Riche en Fe, Mn, Pb et Cu, principalement dans les
secteurs volcaniques et activité hydro thermique.
Au niveau des dorsales, la lithosphère océanique est produite de manière continue. L’eau de mer
s’infiltre par les fissures. La température de l’eau atteint les 350°C et la pression et 500 à 1000 fois
supérieure à la pression atmosphérique.
L’eau va alors se charger en élément chimique jusqu’à atteindre un équilibre avec les roches. L’eau
va ensuite réapparaitre au niveau des bouches hydrothermales. Les éléments vont être libérés en
excès et donc précipiter. Les sources hydrothermales peuvent s’écouler longtemps en profondeur
c.à.d. parcourir de grande distance (100km) car leur densité est élevé.
13
SM09 : sédimentation
Lorsqu’elles débouchent sur des zones de faible sédimentation, elle donnent naissance à des
sédiments.
-
Encroutement : accumulation d’oxyde métallique proche de la source
Nodule : plus éloignés de la source au niveau des bassins océaniques.
ii. Les nodules polymétalliques
Majoritairement composé d’oxyde métallique, les nodules sont de couleur brunes a noires, et
peuvent mesurer de 1 à 10 cm.
On les retrouve toujours en dessous de la CCD.
Les oxydes et hydroxyde se développent en couche concentrique autour du nucleus. Il peut aussi y
avoir incorporation de fragments biogènes (foraminifère et coccolite)
La formation des nodules :
-
précipitation directe : condition très oxydante, et au niveau des eau de fond très froides.
Précipitation indirecte faisant intervenir des bactéries
Dissolution du nodule à l’intérieur du sédiment faisant remonter des éléments dissout à
la surface formant de nouveau nodules
Vitesse de croissance : 1 à 4 mm par ans
Atlantique : très peu de nodule, car les apports en élément terrigène sont trop élevé, la CCD est
rarement atteint.
Pacifique : La lithosphère est dense car ancienne, donc il y a des bassins pouvant atteindre 5000 à
6000 m. Ces bassins sont souvent bordés par des marges passives avec des bassins arrière arcs
bloquant l’apport terrigène des fleuves. Ce faible dépôt d’élément terrigène permet la formation de
nodules.
14
SM09 : sédimentation
VI. LA DIAGENESE
Ensemble des processus (physique et chimique) qui transforment de manière progressive un
sédiment (meuble) en roche.
Evolution diagénétique : sédiment meuble sédiment compacté roche sédimentaire roche
métamorphique.
A. Les facteurs de la diagénèse.
- Les être vivants : au niveau de la diagénèse précoce
o Commence par la bioturbation : action des vers et des bactéries
- Les eaux : sous l’effet de la pression et de la température les eaux se chargent en
éléments chimique. La pression hydrostatique est élevé = augmentation de 1 bar pour 10
m et de1°C pour 30m
- La cimentation : calcite, dolomite, opale vont précipiter dans les espaces contenue entre
les particules
- Concrétion : spherolite, nodule
- Epigènisation : apparition d’un nouveau minéral sans changement de composition
chimique
o Aragonite calcite : dissolution et recristallisation (volume augmente de 8,25%)
- Métasomatose : substitution d’un minéral par un autre = échange ionique
o CaCO3 FeS2 pas de changement de volume
o CaMg(CO3)2 = dolomite baisse du volume et augmentation porosité.
Pression et température :
-
Pression exercé par la surcharge des sédiments (20 à 30 bars /10m)
o L’eau interstitielle va donc se retrouver expulsé petit à petit augmentation
porosité et densité
o Conséquence : les points de contact entre les particules augmentent : favorise la
dissolution
o Réorientation des particules
o Déformation, fracturation de la série sédimentaire en fonction de la pression et
de la température : associé à une déshydratation des minéraux
o Ensuite : apparition schistosité qui marque le début du métamorphisme.
Espace poreux :
L’espace poreux va être fortement réduit au cours de la diagénèse. La porosité est déterminée par le
volume de vide / le volume de roche (30% en moyenne).
Roche argileuse sont poreuse (80%) et imperméable c'est à dire pas de contact entre les espaces
vides.
2 types de porosités :
-
Intragranulaire = poreuse et imperméable
Intergranulaire = porosité utile / efficace / dynamique
15
SM09 : sédimentation
Perméabilité : capacité d’une roche à transporter les fluides
-
Perméabilité interstitielle : dépend la nature de la roche, elle est minimale pour les
roches argileuse.
Perméabilité de fissure : dépende de la structure régionale (faille, fracture)
La perméabilité diminue aussi en fonction de la diagénèse
-
roche couverture = + ou – poreuse et perméabilité faible
roche réservoir : porosité élevé et perméabilité élevé
B. La compaction mécanique
La compaction agit sur la porosité du sédiment, et varie avec la nature des particules.
௛ଵ
Compacité = ௛ଶ avec h1 : hauteur initiale, et h2 hauteur compacté.
ଵି௡ଶ
Compacité =ଵି௡ଵ avec n la porosité, pour déterminer n1 on compare avec d’autre série sédimentaire,
si l’on a des séries sédimentaire hétérogène la compaction sera plus facile à observer.
Compaction différentielle :
Les eaux qui remontent à la surface transportent des éléments dissouts : permet le phénomène de
dissolution et recristallisation.
-
Au niveau des des prismes d’accrétion :
o Beaucoup de sédiment
o Phénomène de convergence qui augmente la pression latérale (environ 2000
m3/an/m de fluide interstitiel expulsé) souvent assimilé à des sources
hydrothermale formation de volcan de boue.
La rhéologie résume les effets des contraintes liées à la pression. Les différents types de roche ne
réagissent pas de la même façon aux différents types de déformations.
Bilan compaction :
(1)
(2)
(3)
(4)
Réduction espace poreux
Compaction différentielle suivant le type de roches
Phénomène dissolution, cimentation
Diagénèse profonde : apparition déformation sédiments réversible à permanent
entrainant des fractures et des fluages.
C. Evolution des particules argileuses au cours de la diagenèse
Peu sensible au premier stade de la diagenèse. Mais avec l’enfouissement les particules vont
s’orienter parallèlement les unes aux autres favorisant la diminution de la porosité : 1er 2000m de
l’enfouissement.
16
SM09 : sédimentation
Au-delà de 2000m les cations solubles mis en solution (Mg2+, K+) aboutissant à la modification de la
structure et de la composition des minéraux : smectite illite
La diagenèse des particules argileuse est importante pour comprendre la diagenèse des sédiments
organiques.
D. Evolution des carbonates
Les sédiments de types carbonatés sont à dominante biogène planctonique. Le phénomène de
compaction intervient, mais les phénomènes de dissolution et recristallisation sont eux aussi très
important. Les calcaires représentent 1/3 du volume de
boue carbonatée d’origine.
Evolution = 0m (boue carbonatée)
200m (craie) 1000m (calcaire)
(1) Particules biogène rentrenet en contact entrainant
des point de pressions important = phénomène de
dissolution
(2) On retrouve en profondeur de plus en plus de
foraminifère brisés
(3) Recristallisation et passage de la boue à la craie =
friable (à ce niveau on perd les informations isotopique)
(4) Les particules sont de plus en plus solidaires : plus
de signal paléontologique d’origines, les structures calcaires
apparaissent avec des minéraux bien formés.
E. Evolution de la silice
Rappel : la solubilité augmente avec la pression et la
température.
(1) Composition opale amorphe SiO2-2H2O (diatomée,
radiolaire bien distincts)
(2) Opale CT : les diatomées disparaissent en premier
pour former, des minéraux comme la tridynite et cristobalite.
Suivent ensuite les radiolaires et les éponges. Amas de silice
qui ne témoigne pas de la présence de diatomée et de
radiolaire qui ont complètement disparu.
(3) Avec l’augmentation de la température : formation de
quartz microcristallins.
17
SM09 : sédimentation
F. La diagenèse de la matière organique
Les conditions statiques et/ou la productivité élevée de MO appauvrissent les bases de la colonne
d’eau en O2. Associée à des milieux en anoxie ou anaérobie la MO piégé pourra évoluer en gaz,
pétrole ou charbon.
La MO est alors réduite grâce à la réduction sulfate : production H2S ou réduction CO2 : production
CH4. Si la roche contient plus de 1% de Carbone organique possibilité d’évolution vers gaz et
hydrocarbure.
a. Formation des kérogènes au cours de diagenèse précoce
On distingue 3 types de kérogène
selon leur teneur en H, C, O, et
son classé selon leur rapport H/C
et O/C sur un diagramme
Type 1 : Leptinite, origine
océanique ou lacustre dérivé de
produit algués ; le plus riche en
H, et le plus pauvre en C.
Type 2 : Exinite, origine débris et
membrane végétale (pollen,
spore, feuille…, résine et cires).
On les retrouve au niveau des
sédiments marin anoxique avec
un
apport
continental
conséquent (marge passive ;
proximité source.)
Type 3 : (H/C faible et O/C élevé)
A : vitrinite ; dérivée de matériel
ligneux (arbre, branche… plus ou
moins dégradé.
B : inertinite ; si très peu dégradé (peu intéressant)
D’après le diagramme on peut voir qu’au cours de la diagénèse les kérogènes vont converger vers un
rapport H/C faible et O/C faible témoignant d’une perte de O et de H.
Mécanisme de la diagenèse initiale : formation des kérogènes.
Au cours de la diagenèse précoce c’est le métabolisme bactérien qui aboutit à la formation de CH4. La
production de gaz biogénétique est importante et abondante sous certaine conditions :
(1) Milieu anaérobie, peu de SO42-, Température supérieur à 35°C, porosité élevé
(développement bactéries)
(2) Milieu système deltaïque, éventail sous marin, et prisme d’accrétion.
18
SM09 : sédimentation
Ces gaz biogénétique participent de façon importante à la formation d’hydrate de gaz : Clathrates,
qui combine des molécules de gaz à des molécules d’eau.
Quand le gaz est produit il remonte facilement et se retrouve avec des températures froides (1 à 2°)
au niveau des eaux de fond. Les faibles températures et la pression élevée aboutissent à la formation
de Clathrate : congélation de produit.
Cela a pour conséquence de boucher les espace poreux et il y a ainsi développement de poches de
gaz en dessous des ces hydrates de gaz. (si variation climatique il peut y avoir destruction de ces
hydrates de gaz aboutissant à un re-largage massif de CH4 dans l’atmosphère = effet de serre ++
Catagenèse :
La catagenèse correspond au stade au cours duquel les transformations physico-chimiques se
produisent sous l’effet de la température. Du fait de la température, la matière organique devient
instable. Certaines liaisons carbone-carbone du kérogène et de la fraction lipidique sont rompues,
c’est le craquage thermique.
Perte de H aboutissant à la formation d’hydrocarbures liquide (huile) à partir des kérogènes et
toujours production de gaz (CH4)
Plusieurs types d’huiles :
(1) Huiles lourdes composé en 15C et dans
une moindre mesure composée en 8C15
C. Ces huiles sont produites à des
températures comprises entre 60 et
80°C
(2) Huiles légères : poursuite de la
diagenèse C2-C7, associées au méthane
(gaz humide) ; se forment à des
températures comprises entre 120 et
150°C ; ces températures sont
atteintes généralement vers 1500 à
4000 m sous le sédiment. Le produit de
ces résidus forme les pyrobitumes.
Métagenèse :
Lorsque la température dépasse les 150°C, les pyrobitumes et huiles subissent une autre
transformation ; La métagenèse correspond au stade au cours duquel les transformations se
produisent sous l'effet du métamorphisme. Le craquage du kérogène résiduel et surtout du pétrole
et du gaz naturel aboutit à la formation de gaz secs.
-
Kérogène de type I ont un potentiel pétrolier de 90 %
Kérogène de type II ont un potentiel pétrolier de 60 %. Il reste donc 10% et 40% de
résidus qui se retrouvent dilué dans la roche mère aboutissant à la formation de charbon
disséminé dans le sédiment.
19
SM09 : sédimentation
-
Kérogène de types III : potentiel pétrolier < 25 %, tout le reste forme des charbons en
quantité exploitable.
Résidus carbonés : charbons
Proviennent de type III (reste de végétaux terrestre ; lacustre, marécageux, delta). La formation des
charbons à lieu à des endroits ou la subsidence et rapide et où l’accumulation de débris est élevée,
avec une activité bactérienne faible, du fait d’un enfouissement rapide d’où une augmentation
rapide de la température favorisant la carbonisation.
Principalement issu de la vitrinite, et en moindre proportion à de la Leptinite et exinite.
Pour des températures basses il y a formation des lignites, qui contiennent 70 à 75 % de C le reste
étant du O et du H.
Ensuite formation des anthracites lorsque l’enfouissement est élevé, la proportion de O et de H
diminue : 90 à 95 % de C.
Puis passage au métamorphisme : formation du graphite.
Production, migration et stockage des produits pétroliers.
Roche mères : si on rapporte la production d’hydrocarbure au volume de production primaire de
matière organique, cela ne représente que 2 à 4 % (96 % de la MO étant oxydé avec le sédiment)
On connait les roches mère potentielle c'est à dire susceptibles de donner des hydrocarbures si
certaines conditions sont remplies.
Ces roches mères potentielles deviennent alors de roches mères effectives c'est à dire qu’il y
production d’élément pétrolier en quantité exploitable.
Facteurs :
-
Hétérogénéité latérale : extension géographique de la roche mère
Extension stratigraphique : intervalle de temps associé à la vitesse de sédimentation
Condition géodynamiques qui favorisent ou entrouvrent les processus. Ex : flux
thermique élevé : diagenèse possible un faible enfouissement.
Les produits pétroliers sont des fluides qui circulent dans la série sédimentaire. Si la perméabilité est
faible les gaz et hydrocarbures restent piégés dans la roche mère comme les schistes bitumineux par
exemple.
La plupart du temps les roches sont suffisamment perméables pour que les hydrocarbures circulent
en dehors de ces réservoirs. Sous l’effet de la pression : drainage = migration primaire (conséquence
de la compaction), il y a une modification des fluide, aboutissant à une saturation. Les hydrocarbures
remplacent l’eau interstitielle et comblent et comblent les porosités.
Au fur et à mesure du déplacement, les différentes phases se déplacent à des vitesses différentes (loi
de Darcy multiphasée)
20
SM09 : sédimentation
Les différents pièges à hydrocarbure :
-
Anticlinal : les hydrocarbures circulent et se retrouvent piégés (accumulation) jusqu’à ce
que le point bas soit atteint pour continuer son chemin.
Les lentilles : Dans les faciès deltaïque ; les éléments poreux sont entourés par des
sédiments imperméables
Sel : dépôt laminaire (évaporites), sous l’effet de la pression il y a un fluage qui se
produit : Les évaporites vont pénétrer les séries sur ou sous elles mêmes.
Faille : le long d’une faille, les fluides qui s’échappent puis précipitent ; les failles se
cimentent. Si elles sont au contact de séries sédimentaires poreuses ce sont des pièges à
hydrocarbures.
21