Les roches carbonatées

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1 Laurie Bougeois ST3 - Polytech Paris UPMC 6 mai 2015

2 1. Introduction 2. Classification des roches carbonatées 3. Diagenèse des roches carbonatées 4. Environnements de dépôts des roches carbonatées 2 / 37

3 Précipitation de carbonates de calcium Saturation de l eau de mer en Ca 2+ précipitation : de calcite (CaCO 3 - rhomboédrique) d aragonite (CaCO 3 - orthorombique) de dolomite (CaMg (CO 3 ) 2 - rhomboédrique) 3 / 37

4 Processus de précipitation des carbonates CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 solubilisation du CO 2 4 / 37

5 Processus de précipitation des carbonates CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 solubilisation du CO 2 H 2 CO 3 H + + HCO 3 équilibre des carbonates 4 / 37

6 Processus de précipitation des carbonates CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 solubilisation du CO 2 H 2 CO 3 H + + HCO 3 équilibre des carbonates Ca HCO 3 CaCO 3 + H 2 O + CO 2 4 / 37

7 Processus de précipitation des carbonates CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 solubilisation du CO 2 H 2 CO 3 H + + HCO 3 équilibre des carbonates Ca HCO 3 CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Influence des paramètres physico-chimiques CO 2 température pression activité des végétaux 4 / 37

8 Processus de précipitation des carbonates CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 solubilisation du CO 2 H 2 CO 3 H + + HCO 3 équilibre des carbonates Ca HCO 3 CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Influence des paramètres physico-chimiques CO 2 température pression activité des végétaux Rôle majeur du CO 2 dissout dans l eau de mer 4 / 37

9 Précipitation des carbonates Trois processus de précipitation chimique directe chimique indirecte sécrétion directe d un squelette calcaire par les organismes vivants 5 / 37

11 Étude d une roche carbonatée 1. Inventaire des constituants Éléments figurés Phase de liaison matrice vs ciment Espaces poreux 2. Nomenclature Classification de Folk Classification de Dunham 7 / 37

12 Étude d une roche carbonatée Éléments figurés Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des particules et/ou des érosions intenses du fond marin 8 / 37

13 Étude d une roche carbonatée Éléments figurés Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des particules et/ou des érosions intenses du fond marin Oolithes - Oncolithes - Pisolithes oolithes : généralement en milieu marin, peu profond, agité et sous un climat chaud. oncolithes : milieu marin ou lacustre sous des eaux peu profondes et agitées de manière intermittente. 8 / 37

14 Étude d une roche carbonatée Éléments figurés Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des particules et/ou des érosions intenses du fond marin Oolithes - Oncolithes - Pisolithes oolithes : généralement en milieu marin, peu profond, agité et sous un climat chaud. oncolithes : milieu marin ou lacustre sous des eaux peu profondes et agitées de manière intermittente. Péloïdes communs dans les sédiments associés à des environnements protégés, restreints (cf lagons ou replats de marée). 8 / 37

15 Étude d une roche carbonatée Éléments figurés Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des particules et/ou des érosions intenses du fond marin Oolithes - Oncolithes - Pisolithes oolithes : généralement en milieu marin, peu profond, agité et sous un climat chaud. oncolithes : milieu marin ou lacustre sous des eaux peu profondes et agitées de manière intermittente. Péloïdes communs dans les sédiments associés à des environnements protégés, restreints (cf lagons ou replats de marée). Grains d origine biologique foraminifères benthiques / planctoniques, gastéropodes, entroques, bivalves etc. 8 / 37

16 Étude d une roche carbonatée Phases de liaison Matrice boue microcristalline existant au moment du dépôt MICRITE (cristaux <4µm) 9 / 37

17 Étude d une roche carbonatée Phases de liaison Matrice boue microcristalline existant au moment du dépôt MICRITE (cristaux <4µm) Ciment précipite entre les grains (post-dépôt) SPARITE (cristaux >10µm) 9 / 37

18 Étude d une roche carbonatée Porosité Porosité Ensemble des volumes de petite taille pouvant être occupés par des fluides à l intérieur d une roche Porosité intergranulaire : entre les éléments figurés Porosité intragranulaire : existant dans les éléments figurés Porosité primaire : espace poreux au moment du dépôt (peut diminuer au cours de l enfouissement par compaction) Porosité secondaire : créée par modification (dissolution) des constituants du sédiment au cours de la diagenèse la POROSITÉ peut être emplie d eau, d air, d hydrocarbures 10 / 37

19 Étude d une roche carbonatée Porosité la POROSITÉ peut être emplie d eau, d air, d hydrocarbures 10 / 37

20 Étude d une roche carbonatée Classification de Folk / 37

21 Étude d une roche carbonatée Classification de Dunham avec matrice micritique mudstone : < de 10% de grains ; wackestone : > de 10% de grains, texture non jointive (mud-supported) ; packstone : texture jointive, empilement des grains en équilibre mécanique (grain-supported) ; avec ciment sparitique grainstone : texture jointive. 12 / 37

22 Étude d une roche carbonatée Classification de Embry & Klovan constructions récifales (boundstones) framestone : organismes édifiant une charpente rigide (cf coraux actuels) ; bindstone : organismes stabilisant le substrat par encroûtement (cf algues corallines) ; bafflestone : organismes érigés piégeant le sédiment en suspension par ralentissement de l écoulement du fluide transporteur (cf bryozoaires) ; non construit floatstone : texture non jointive ; rudstone : texture jointive. 13 / 37

24 Diagenèse : processus complexe Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Compaction mécanique Perte de porosité Ré-arrangement des grains Compaction chimique Processus de pression-dissolution 15 / 37

25 Diagenèse : processus complexe Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). 15 / 37

26 Diagenèse : processus complexe Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Cimentation : précipitation d un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) lithification (induration du sédiment). 15 / 37

27 Diagenèse : processus complexe Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Cimentation : précipitation d un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) lithification (induration du sédiment). Faiblement magnésienne (0-5% de Mg) 1. Calcite - CaCO 3 Hautement magnésienne (5-15% de Mg) 2. Aragonite - CaCO 3 Métastable à T C ambiante dissolution ou tranformation en calcite 3. Dolomite - (Ca,Mg)(CO 3 ) 2 15 / 37

28 Diagenèse : processus complexe Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Cimentation : précipitation d un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) lithification (induration du sédiment). Fibreux Prismatique Micritique Sparitique Morphologie des ciments carbonatés fonction des conditions de précipitation (T, ph, pco 2 ) liées à l environnement diagenétique 15 / 37

29 Diagenèse : processus complexe Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Cimentation : précipitation d un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) lithification (induration du sédiment). Remplacement : dissolution d une phase minérale et précipitation d une nouvelle phase à sa place (de même nature ou non) Aragonite Calcite faiblement magnésienne Dolomite Calcite fortement magnésienne Dolomitisation 15 / 37

30 Diagenèse : processus complexe Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Cimentation : précipitation d un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) lithification (induration du sédiment). Remplacement : dissolution d une phase minérale et précipitation d une nouvelle phase à sa place (de même nature ou non) Dolomitisation partielle Oolithe dolomitisée 15 / 37

31 Diagenèse : processus complexe Compaction mécanique et chimique (diminution de la porosité). Cimentation : précipitation d un ciment (nouvelle phase minérale dans la porosité) lithification (induration du sédiment). Remplacement : dissolution d une phase minérale et précipitation d une nouvelle phase à sa place (de même nature ou non) Recristallisation : modification de la taille des cristaux d un élément figuré, d une matrice ou d un ciment. 15 / 37

32 Diagenèse : processus complexe Définitions Diagenèse précoce : processus qui se produisent dans la tranche superficielle des sédiments suite à leur dépôt, parcourus par des fluides en connexion avec la tranche d eau Diagenèse tardive : processus qui prennent place au cours de l enfouissement déconnectés de la zone où interagissent sédiments et tranche d eau majoritairement fait par une dissolution des phases métastables et une précipitation de calcite transformation aragonite-calcite dans la lithification du sédiment création d une porosité secondaire Aragonite Orthorhombique d 2.94 V Å 3 Calcite Rhomboédrique d 2.72 V Å 3 16 / 37

34 Rappel : principaux environnements sédimentaires ++ torrent DOMAINE CONTINENTAL littoral fleuve - - lagune lac lagon DOMAINE OCÉANIQUE Domaine néritique Domaine pélagique + ++ recif m 200 m + et - : énergie relative du milieu int. Plate-forme ext. talus plaine abyssale 4000 m 18 / 37

35 Domaine continental Carbonates lacustres Précipitations inorganiques soustraction de CO 2 (via photosynthèse par exemple) mécanisme d évaporation mélange d eaux à ph différents 19 / 37

36 Domaine continental Carbonates lacustres Précipitations inorganiques soustraction de CO 2 (via photosynthèse par exemple) mécanisme d évaporation mélange d eaux à ph différents Accumulations de coquilles (gastéropodes, lamellibranches) faible proportion des carbonates lacustres 19 / 37

37 Domaine continental Carbonates lacustres Précipitations inorganiques soustraction de CO 2 (via photosynthèse par exemple) mécanisme d évaporation mélange d eaux à ph différents Accumulations de coquilles (gastéropodes, lamellibranches) faible proportion des carbonates lacustres Carbonates algo-microbiens Stromatolithes 19 / 37

38 Domaine continental Tufs et travertins Concrétions calcaires à l émergence de sources et dans des cours d eau peu profond à petites cascades précipitation de CaCO 3 activée par turbulences et perte de CO 2 aspect caverneux dû à la disparition de débris végétaux encroûtés 20 / 37

39 Domaine continental Tufs et travertins Concrétions calcaires à l émergence de sources et dans des cours d eau peu profond à petites cascades précipitation de CaCO 3 activée par turbulences et perte de CO 2 aspect caverneux dû à la disparition de débris végétaux encroûtés 20 / 37

40 Domaine continental Spéléothèmes et calcrètes Stalactites, stalagmites et autres concrétions calcaires présentes dans les grottes 21 / 37

41 Domaine continental Spéléothèmes et calcrètes Stalactites, stalagmites et autres concrétions calcaires présentes dans les grottes Calcrètes ou calcaire pédogénique 21 / 37

42 Rappel : principaux environnements sédimentaires ++ torrent DOMAINE CONTINENTAL littoral fleuve - - lagune lac lagon DOMAINE OCÉANIQUE Domaine néritique Domaine pélagique + ++ recif m 200 m + et - : énergie relative du milieu int. Plate-forme ext. talus plaine abyssale 4000 m 22 / 37

43 Domaine océanique Sédimentation biogène vs terrigène sédimentation au niveau de la marge continentale principalement terrigène contribution de l océan pour produire ses propres sédiments production biologique 23 / 37

44 Domaine océanique Carbonates de plate-forme Espèces benthiques (domaine néritique) Bivalve Échinoderme Algue rouge Gastéropode Foraminifère benthique Corail 24 / 37

45 Domaine océanique Carbonates de plate-forme Calcaires à huîtres 25 / 37

46 Domaine océanique Carbonates de plate-forme Récifs coralliens 26 / 37

47 Domaine océanique Carbonates de plate-forme Exemple des plate-formes carbonatées PF ouverte : environnements froids, absence de récifs PF barrée : environnements tropicaux, lagon, barrière récifale 27 / 37

48 Domaine océanique Carbonates de plate-forme Exemple des plate-formes carbonatées PF ouverte : environnements froids, absence de récifs PF barrée : environnements tropicaux, lagon, barrière récifale 27 / 37

49 Domaine océanique Écosystème corallien Carbonates de plate-forme plateaux continentaux calcaires / plate-formes insulaires zone tropicale : 30 N-30 S condition actuelles optimales : C profondeur max : m 28 / 37

50 Domaine océanique Écosystème corallien Carbonates de plate-forme plateaux continentaux calcaires / plate-formes insulaires zone tropicale : 30 N-30 S condition actuelles optimales : C profondeur max : m 28 / 37

51 Domaine océanique Carbonates de plate-forme - Microfaciès Écozonation des plates-formes à l Eocène basée sur la répartition : des foraminifères à test porcelané (blanc, Milioles et Alvéolines) des foraminifères à test hyalin (translucide, Nummulites et Discocyclines) orbitolite miliole nummulite alvéoline 29 / 37

52 Domaine océanique Carbonates pélagiques Restes d organismes planctoniques microscopiques (carbonatés et siliceux) ± dilués par une fraction fine d origine terrigène (argiles) 30 / 37

53 Domaine océanique Carbonates pélagiques Restes d organismes planctoniques microscopiques (carbonatés et siliceux) ± dilués par une fraction fine d origine terrigène (argiles) SiO 2 CaCO 3 Phytoplancton Diatomées Coccolithophoridés Zooplancton Radiolaires Foraminifères 30 / 37

54 Domaine océanique Carbonates pélagiques 31 / 37

55 Domaine océanique Carbonates pélagiques Lysocline : profondeur à laquelle la dissolution augmente brutalement CCD (profondeur de compensation de la calcite) : au-delà tout le CaCO 3 est dissout Zonation latitudinale et bathymétrique des sédiments pélagiques 32 / 37

56 Domaine océanique Carbonates pélagiques 33 / 37

57 Exercice m / 37

58 Exercice 1 Calcaire à Nummulites et Discocyclines 2 Conglomérat Corail Calcaire à Milioles Calcaire de démentèlement floatstone m Sable Calcaire à oolithes Gypse Grès calcaire Granite Craie 12 Calcaire fin 13 Marne argileuse 34 / 37

59 Exercice 1 Calcaire à Nummulites et Discocyclines 2 Conglomérat fluvio-estuarien barrière récifale Corail Calcaire à Milioles Calcaire de démentèlement floatstone continent sebkrah/lagune cordon littoral 4 7 plate-forme interne 3 lagon avant-récif 5 1 plate-forme externe 500 m Sable Calcaire à oolithes Gypse Grès calcaire Granite Craie 12 Calcaire fin 13 Marne argileuse 34 / 37

60 Exercice fluvio-estuarien barrière récifale Calcaire à Nummulites et Discocyclines Conglomérat Corail continent sebkrah/lagune cordon littoral 4 7 plate-forme interne 3 lagon avant-récif 5 1 plate-forme externe 500 m Calcaire à Milioles Calcaire de démentèlement floatstone Sable Calcaire à oolithes Gypse Grès calcaire 10 8 cont. lagune 6 cordon littoral 4 plate-forme interne Profil bathymétrique lagon barrière récifale plate-forme externe 11 bassin 10 Granite 11 Craie 12 Calcaire fin 13 Marne argileuse 34 / 37

61 Exercice Atoll Belize 35 / 37

62 Exercice Cordon littoral 36 / 37

63 Exercice Estuaire 37 / 37