PETROGRAPHIE des ROCHES SEDIMENTAIRES

Les roches sédimentaires résultent de la succession de plusieurs actions qui se déroulent à la surface de la lithosphère et dans sa partie très superficielle ; c'est pourquoi on parle de roches exogènes. Elles présentent une variété et des caractéristiques fort complexes, car leur origine tient dans l'existence de l'ensemble des autres roches affleurant à la surface de la Terre, ce qui rend leur étude très difficile. C'est pourquoi nous avons présenté un résumé simplifié de leur(s) formation(s) ainsi qu'une classification assez sommaire... Mais qui vous permettra de ne pas être perdu lorsque vous tomberez sur un caillou...

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Origine des roches sédimentaires

Les roches sédimentaires sont tout bonnement le produit du dépôt et de la compaction d'éléments constitutifs, eux-mêmes originaires de la dégradation d'autres roches affleurantes, et transportés jusqu'au milieu de sédimentation. Elles sont, en bref, une des conséquences indirectes de l'érosion au sens large du terme.

Parlons un peu des processus qui conduisent à former une roche sédimentaire. Au départ, on a une roche de base de nature quelconque. Cette roche va subir immanquablement une altération superficielle qui résulte à la fois de processus physiques (désagrégation mécanique de la roche) et chimiques (mise en solution d'éléments de la roche ou transformation de ses minéraux). Ces processus sont gouvernés par :
     - la nature de la roche, sa composition minéralogique et donc sa résistance, etc.
     - l'action abrasive des agents météoriques : eau, vent, alternance gel / dégel, etc.
     - l'environnement de la roche : climatique (zone tempérée, tropicale...), biotique (couvert végétal, action d'organismes vivants) et morphologique (pente...), qui va conditionner l'intensité de l'action abrasive des agents météoriques.

Le quartz résiste très bien à tout type d'altération (mécanique ou chimique) de fait il se retrouvera fréquemment (et parfois exclusivement) dans les roches sédimentaires détritiques ; des minéraux très instables dans les conditions atmosphériques (feldspaths plagioclases, olivine, pyroxènes, amphiboles, grenats...), parce que formés à plus hautes températures, seront au contraire très facilement dégradés notamment par l'hydrolyse qui est la forme la plus fréquente d'altération chimique. Elle résulte de l'intéraction entre la roche et une solution d'attaque selon la réaction : Minéral I + solution d'attaque > Minéral II + solution de lessivage. Les minéraux secondaires sont la plupart du temps des argiles, stables dans les conditions de surface, et qui seront également très abondants dans les roches sédimentaires. D'autant qu'à partir de la solution de lessivage, d'autre minéraux peuvent précipiter : ce sont les minéraux néoformés, eux aussi des argiles la plupart du temps.
  
Vient ensuite la question du transport des éléments résultant de la fragmentation de la roche. Si ceux-ci restent en place, on peut avoir fréquemment une sorte de manteau d'altération meuble recouvrant la roche-mère. Les constituants de celle-ci se retrouvent dans ce manteau, sauf qu'ils ne sont plus liés les uns aux autres ; c'est un cas fréquent dans notre région pour les granites, la roche fraîche étant souvent recouverte d'une épaisseur (atteignant plusieurs mètres parfois) d'arène granitique, sable de même composition que le granite et issu de la désagrégation de ce dernier. Le lessivage de l'arène par les eaux de surface conduit à individualiser des boules de granite formant parfois de spectaculaires chaos granitiques (cliquez pour agrandir) :


Si l'altération chimique est prépondérante, on peut parfois obtenir une transformation totale de la roche sans que celle-ci ne soit transportée ; elle reste en place mais change de composition minéralogique, sous certaines conditions. On parle d'altérites, fréquentes en climats tropicaux et équatoriaux par exemple.

Mais le plus souvent, les éléments issus de la désagrégation des roches (on parle souvent de clastes) sont pris en charge par les eaux courantes et transportés sur des distances plus ou moins longues, par quatre processus différents selon leur taille mais aussi selon la vitesse du courant :
        - roulage : les fragments sont charriés sur le fond des cours d'eau 
        - saltation : les fragments sont pris en charge par le courant, qui les transport d'un point du fond à l'autre, et ainsi de suite
        - suspension : les éléments sont en suspension dans le courant et ne tombent pas au fond
        - solution : les éléments sont transportés sous forme d'ions dissous dans l'eau
Les différentes relations entre taille des fragments et vitesse du courant sont donnés par le digaramme de Hjulström :


Après lecture de ce diagramme, on se rend compte que si la vitesse du courant diminue, on va commencer à pouvoir avoir un dépôt des particules, et de particules de plus en plus fines au fur et à mesure que la vitesse décroît. Ainsi, en milieu agité, les éléments les plus grossiers (> 1 cm) seront déposés ; en milieu moins agité, les éléments plus fins (0,1 à 1 mm) sédimenteront, et ce sera au tour des particules les plus fines (< 100 μm)  dans un milieu calme.
Quant aux éléments en solution, ils peuvent se déposer de deux manières :
        - soit par précipitation chimique, à partir d'une solution saturée vis-à-vis d'une espèce ionique concernée. Par exemple, la réaction suivante permet de précipiter les ions calcium et carbonate tout en formant de la calcite solide ; c'est la réaction de base à la constitution d'un calcaire chimique :

Etude de la roche

Les constituants élémentaires
Il existe en gros deux types de constituants élémentaires d'une roche sédimantaire :
        - les éléments figurés (EF) sont les particules individualisées ; ce sont la plupart du temps les anciens clastes, qui ont parcouru tout le petit chemin ci-dessus pour terminer dans la roche sédimentaire ! Généralement il en existe plusieurs types différents dans une roche, définis par leur nature minéralogique, leur taille, leur abondance relative par rapport aux autres EF et leur origine (détritique terrigène, squelettique, produits de précipitation chimique...).
           - le liant, qui comme son nom l'indique fort exactement, lie entre eux les EF. C'est un matériau aphanitique : homogène, il ne présente aucun élément discernable. Il est caractérisé par sa nature minéralogique, son abondance par rapport aux EF, et son origine : il s'agit soit d'une matrice (formée en même temps que les EF) soit d'un ciment (précipité dans les pores du sédiment bien après le dépôt) ; la distinction est souvent difficile.
Petite visualisation avec cette roche ci-dessous (cliquez pour agrandir) :


Les caractères texturaux
Ils concernent en premier lieu les EF : leur forme traduit la durée globale du transport. Plus ils sont arrondis et émoussés, plus celui-ci a été long, et plus la zone d'ablation est relativement éloignée.
De plus leur taille est un critère très important, tant pour le classement et la nomenclature de la roche que pour la détermination du milieu de dépôt, car on a vu que plus celui-ci était agité, plus les éléments déposés sont gros. Pour classer les EF, on se base sur la classification de Wentworth :

Diamètre ø des EF

ø < 4 μm

4 < ø < 8 μm

8 < ø < 16 μm

16 < ø < 32 μm

32 < ø < 64 μm

64 < ø < 125 μm

125 < ø < 250 μm

0,25 < ø < 0,5 mm

0,5 < ø < 1 mm

1 < ø < 2 mm

2 < ø < 4 mm

0,4 < ø < 6,4 cm

6,4 < ø < 25,6 cm

ø > 25,6 cm

Type d'EF

Lutites

Arénites

Rudites

Nom des EF

Argiles

TF

F

M

G

TF

F

M

G

TG

Granules

Graviers

Galets

Blocs

Silts

Nom de la roche

Pélites

Sables Grès

Conglomérats

Argilite

Siltite

TF = très fines ; F = fines ; M = moyennes ; G = grossières ; TG = très grossières

De même le tri des EF est important car il reflète lui aussi la dynamique du milieu : dans tri, comprenez plutôt l'homogénéité de la granulométrie d'une roche. Si on y trouve que des particules de même taille, le tri est excellent. Si on trouve des grains concernant toute la gamme de granulométrie, le tri est très mauvais.

De même on détermine un type textural pour la roche (noms en majuscule et en gras), qui traduit en fait les relations entre granulométrie, EF et liant. Il reflète lui aussi les conditions de dépôt. Ca devient vraiment complexe, mais c'est juste pour info :

EF : Arénites				EF : Rudites
Proportion d'EF < 10 %	Proportion d'EF > 10 %			EF non jointifs	EF jointifs
EF non jointifs		EF jointifs
Présence d'un liant			Pas de liant	FLOATSTONE	RUDSTONE
MUDSTONE	WACKESTONE	PACKSTONE	GRAINSTONE

Les caractères structuraux
Ils traduisent les variations spatiales de la texture ; ils prennent naissance lors du dépôt du sédiment et postérieurement. En voici quelques-uns de notables et fréquents :
     - couleur de la roche, importante tout de même !
     - cassure de la roche (lisse, rugueuse, conchoïdale...), qui peut refléter la proportion EF / liant notamment dans les grès (voir plus loin)
     - micro-stratifications au sein d'une même roche, créés par la succession d'épisodes de dépôt : litage (cm) ou lamination (mm)
   - stratifications obliques : à l'échelle d'un affleurement, il s'agit de strates différentes se recoupant les unes les autres. Leurs surfaces ne sont pas parallèles, même si aucun bouleversement d'ordre tectonique n'est venu les déplacer. Cela traduit une forte agitation du milieu de dépôt
     - granoclassement des EF : si il est présent, il peut traduire un dépôt effectué par décantation
     - bioturbation : perturbation de la texture par l'activité d'organismes qui vivaient à la surface du sédiment ou au sein de celui-ci (pistes, galeries, terriers...)

Avec tou t ça, on peut décrire assez précisément une roche sédimentaire et en effectuer la nomenclature. Mais ces caractéristiques servent également à l'élaboration d'une reconstitution du milieu de sédimentation.

Milieux sédimentaires

Pour déterminer les milieux de sédimentation dans lesquels s'est fait le dépôt, on peut utiliser les différents critères ci-avant. La granulométrie est un critère très important, en effet, plus les EF sont gros, plus le milieu où ils se sont déposés était agité (conséquence directe des infos données par le diagramme de Hjulström). De plus, si le sédiment est bien classé en terme de granulométrie, cela n'a pas la même signification que si elle est très hétérogène : cela implique un déplacement suffisamment long pour éliminer toutes les autres classes de particules.
L'émoussé est très utilisé également : si les EF sont très anguleux, ils ont été peu transportés, en revanche des EF très émoussés ont été très abrasés donc ont subi un transport bien plus long depuis leur lieu de formation. Cependant il faut se méfier car des éléments anguleux peuvent découler de la fragmentation durant le transport d'éléments émoussés... Une étude à la fois de la granulométrie et de l'émoussé est dans ce cas très judicieuse.
La nature minéralogique de la roche est bien sûr importante. Ainsi en règle générale, les roches carbonatées sont formées en milieu marin, alors que les roches détritiques sont continentales ou littorales : conglomérats de piémont, grès fluviatiles, sables d'accumulation deltaïque... Certains minéraux se forment quant à eux dans des conditions très particulières. Ainsi, la glauconie (mélange d'argiles) ne se forme qu'en milieu marin, entre 50 et 1000 mètres de profondeur ; le gypse, l'anhydrite, la halite sont des minéraux typiques de précipitation chimique seule, cristallisant à partir d'une solution sursaturée, et termes majeurs des évaporites ; la présence de sulfures comme la pyrite, la chalcopyrite, la blende, la galène, indique un milieu très réducteur ou l'ion O^2- a été substitué par l'ion S^2-, etc.
Les fossiles présents dans les roches sédimentaires sont de grande importance. En effet les animaux ont souvent un habitat bien spécifique, qui permet, lorsqu'on le connaît et qu'on a identifié la bestiole, de reconstituer le paléoenvironnement de dépôt.

Voici différents milieux de dépôt importants :
- le milieu continental : la sédimentation peut y être très variée. Elle comprend la pédogenèse (formation des sols), la sédimentation éolienne (abrasion des particules formant des déserts rocheux ou reg et dépôt formant les déserts sableux ou erg), la sédimentation glaciaire (dépôts de moraines variées, de molasses), la sédimentation lacustre, la sédimentation fluviatile (à faciès souvent sableux, riches en traces de chenaux, laminations, stratifications obliques... mais aussi argileux de plaine alluviale d'inondation) et fluvio-marine (estuaires et deltas ainsi que tous les complexes littoraux : barres sableuses, dunes, etc.).
- le milieu lagunaire qui conduit souvent à la formation d'évaporites. Il faut pour cela des conditions un peu particulières, notamment des bassins très fermés, voire endoréiques (sans apports fluviatiles), des lacs salés peu profonds en tout cas, où l'évaporation de l'eau est possible et entraîne la sursaturation en sels dissous. Il peut s'agir de lacs sublittoraux séparés de la mer par une barre sableuse ou seuil.
- le milieu de plate-forme : zone de transition entre continent et milieu marin profond, elle concentre une sédimentation très abondante, mêlant apports détritiques continentaux et sédiments franchement marins, très influencée par l'activité biologique (benthique et pélagique) qui y est très abondante. Au plus près du littoral où la zone est agitée, on retrouve des particules grossières, des oolithes, etc. Plus au large, on peut déposer des argiles et des carbonates, donnant des marnes, typiques de ce milieu. Les plates-formes carbonatées sont souvent aussi assez caractéristiques : elles peuvent être construites (barrières récifales) ou bien se constituer simplement d'accumulations de tests carbonatés donnant des calcaires par la suite.
- la zone du talus et du glacis continental : c'est le domaine des turbidites, écoulements sous-marins de sédiments détritiques terrigènes le long du talus, souvent au large de deltas ou d'estuaires, et qui s'épandent au niveau du glacis sous forme d'éventails détritiques profonds.
- le milieu océanique profond : les sédiments qu'on y trouve sont la plupart du temps d'origine biogénique (tests de micro-organismes, siliceux ou carbonatés) avec en plus des argiles apportés par les vents. Cependant, en-dessous de la lysocline ou couche de compensation des carbonates, ces derniers sont totalement dissous et on n'en trouve donc plus du tout.  
 
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