Les bassins sédimentaires

Partie VI de géologie - Le phénomène sédimentaire Les bassins sédimentaires! calcul simple de taux de subsidence et analyse de l évolution de la subsidence d un bassin ;! étude des séries sédimentaires à l échelle d un bassin ;! analyse de différents forages et diagraphies associées ;! analyse d une coupe-profondeur et d une coupe-temps associées à un cycle eustatique ; 1

1. La subsidence d un bassin sédimentaire 2

Profil bathymétrique d une marge passive distance à la côte Royaume-Uni France 0 50 100 km profondeur en m Echelle verticale exagérée 35 fois MARGE PASSIVE Espagne 3

Marge passive sud-armoricaine 4

Profil sismique 5

Blocs basculés et sédimentation associée A : failles normales B : limite des dépôts pré-rift C : éventail de sédiments syn-rift D : dépôt actuel, quasi horizontal, post-rift Sédiments «ante-rift» Sédiments «syn-rift» Sédiments «post-rift» Affectés par les failles normales Basculés comme le socle auquel ils sont solidaires Affectés pas les failles normales Épaisseur variable (géométrie en éventail éventuellement) car ils comblent les dépressions, fossés ou demi-fossés 6 Non touchés par les failles Horizontaux ou subhorizontaux soit discordants ; légères ondulations possibles s il y a poursuite de la subsidence différentielle de certains compartiments

Sondage diagraphique Charte stratigraphique internationale PLIOCÈNE Lithostratigraphie norvégienne Groupe Norland Radioactivité Gamma Lenteur de propagation des Profondeur photons par seconde (m) ondes acoustiques ($s/m) #!" 0 300!" 300 400 MIOCÈNE 500 CENOZOÏQUE OLIGO. EOCÈNE Groupe Hordaland 600 700 PALEOCÈNE Groupe Rogaland 800 900 1000 CRETACE SUP. Groupe Shetland 1100 1200 CRETACE INF. Groupe Cromer Knoll 1300 MESOZOÏQUE JURASSIQUE SUPERIEUR MALM 1400 1500 1600 JURASSIQUE MOYEN DOGGER Groupe Viking 1700 1800 1900 JURASSIQUE INFERIEUR LIAS Groupe Brent Groupe Dunlin Groupe Statfjord 2000 2100 2200 TRIAS Groupe Hegre Figure 2 : Sondage diagraphique réalisé au puits A. La ligne rouge marque la limite entre les roches radioactives et celles non-radioactives. L étoile indique la mise en évidence de kérogène dans la roche-mère pétrolière (source : www.npd.no). 7

Sondage diagraphique Charte stratigraphique internationale Lithostratigraphie norvégienne Radioactivité Gamma 0 photons par seconde 300 Lenteur de propagation des Profondeur #!" ondes acoustiques ($s/m)!" (m) 300 PLIOCÈNE Groupe Norland 400 MIOCÈNE Groupe Hordaland 600 EOCÈNE 700 PALEOCÈNE CENOZOÏQUE 500 OLIGO. Groupe Rogaland 800 900 1000 CRETACE SUP. Groupe Shetland 1100 1200 MESOZOÏQUE CRETACE INF. Groupe Cromer Knoll 1300 1400 JURASSIQUE SUPERIEUR MALM 1500 forte radioactivité donc argiles JURASSIQUE MOYEN DOGGER 1600 Groupe Viking 1700 1800 JURASSIQUE INFERIEUR LIAS 1900 TRIAS Groupe Brent 2000 Groupe Dunlin 2100 2200 Groupe Statfjord Groupe Hegre Figure 2 : Sondage diagraphique réalisé au puits A. La ligne rouge marque la limite entre les roches radioactives et celles non-radioactives. L étoile indique la mise en évidence de kérogène dans la roche-mère pétrolière (source : www.npd.no). 8

Espace disponible pour la sédimentation Eustatisme = variations du niveau marin Flux sédimentaire 3 1 profondeur ACCOMODATION = espace disponible pour la sédimentation 2 Subsidence du substratum Subsidence totale = subsidence stricte + surcharge sédimentaire subsidence tectonique subsidence thermique subsidence sédimentaire 9

Subsidence en mer du Nord eau 1.03 A 1.89 B 2.26 0.075 0 0.86 1.49 S T eau 1.03 e 2.32 C 2.40 D 2.47 E 2.48 F G 2.49 2.48 socle = croûte continentale 2.75 2.58 3.12 3.70 3.85 4.64 z en km e - S T socle = croûte continentale 2.75 manteau sup. 3.30 surface d égale pression 10

Evolution dans le temps 1. état actuel 2. retrait de A 3. décompaction de B à G eau A B B 4. correction isostatique (effet de charge de A) S TA 5. subsidence tectonique enregistrée par A B G e G e dc SsA S TA G S TA SsA socle = croûte continentale S TA S TA manteau sup. S sa surface d égale pression SsA Figure TP6.9 Principe de la méthode des retraits successifs pour reconstituer l histoire de la subsidence totale. Un seul retrait est réalisé ici, celui de l unité A. Les termes plus anciens (B à G dans ce cas) sont alors en partie décompactés (on soustrait l effet de compaction de l unité A) et la nouvelle masse volumique moyenne ρ M déterminée. La rééquilibration isostatique est alors appliquée, ce qui fournit l effet de charge de l unité A ou S SA ; l espace restant entre la couche d eau et le toit des sédiments correspond à la composante S TA ou subsidence vraie (tectonique ou thermique) contemporaine de l unité A. 11

Résultats : subsidence stricte Âges en Ma du toit de la série restante Épaisseur cumulée de la série restante e en km Épaisseur cumulée de la série restante partiellement décompactée e dc en km Masse volumique moyenne de la série restante ρ M en kg/dm 3 0 (A) 4,64 4,64 2,32 49 (B) 3,78 3,95 2,31 65 (C) 3,15 3,385 2,28 96 (D) 2,06 2,325 2,19 135 (E) 1,52 1,775 2,12 154 (F) 0,94 1,160 2,00 203 (G) 0,79 0,995 1,96 245 (socle) 0 0 S T en km 2 1,72 1,52 1,14 0,92 0,66 0,59 0 12

Courbe de subsidence et d enfouissement 250 (a) courbes de la subsidence totale stricte (S T ) et de l enfouissement avec surcharge sédimentaire (S T + S S ) 200 Âge en Ma 150 100 50 subsidence thermique et Subsidence tectonique ST totale S T 0 1 S T + S S Effet de charge des sédiments 2 3 4 5 profondeur L épaisseur cumulée est un marqueur de l ampleur de la subsidence d une marge, à condition de soustraire l effet de charge de ces derniers car, selon l alimentation sédimentaire, forte ou modeste, cette épaisseur est fort variable pour une même subsidence stricte. 13

Profondeur (en km) Courbe de subsidence et d enfouissement (b) Profondeur (en km) Bassin Jeanne d'arc NO 0 10 20 30 A NO 0 5 10 54 O 50 O Moho Coupe interprétative de la structure de la marge Ouest-Atlantique (c) Coupe interprétative de la structure du bassin Jeanne d'arc 20 km zone de transition océan - continent Épaisseur sédimentaire Caractère de épaisseur de sédiments atteignant 10 km atteignant 10 kilomètres marge grasse SE Remplissage sédimentaire 10 km Croûte continentale Croûte océanique Manteau lithosphérique B SE marge ouest de l Atlantique Nord (Caroline) : marge grasse marge est de l Atlantique Nord (sud Armorique) : marge maigre épaisseur de sédiments < 2 km 14

2. Les séries sédimentaires 15

Log stratigraphique de Vittel I5 : calcaire et schistes I4c : calcaire gréseux I4b : marnes à nodules calcaires I4a : calcaire à fossiles (belemnites, brachiopodes...) I3b : calcaire dur à encrines avec belemnites, ammonites, gryphées, pecten... I3a et I2 : calcaire à gryphées alternant avec des marnes I1b : marnes et argiles I1a : grès et argiles contenant quelques empreintes de lamellibranches et du bois silicifié t9 : marnes irisées sans fossiles t8b : dalle de dolomie et gros massif avec quelques débris de gastéropodes t8a : marnes contenant quelques grès à roseaux et une couche de houille t7 : marnes, dolomies et gypse t6a-b-c : dolomie et schistes alternés, contenant des dents de poisson et quelques fossiles t5c : dolomie t5b : bancs calcaires à nombreux fossiles (cératites, nautiles, moules, pecten...) t5a : calcaire à entroques t4b : dolomie au sommet (couche D), imprégnée de gypse en profondeur, et reposant sur un massif calcaire et dolomitique t4a : argiles bariolées et marnes tendres t3 : grès et argiles rouges avec quelques empreintes de lamellibranches t2b-a: grès rose à blanc avec quelques lentilles d argiles t1 : grès et poudingues 16

Notion de séquence 17

Séquence et indication d avancée ou recul du littoral DISCORDANCES SOMMITALES ou TOPLAP (biseaux sommitaux) limite sommitale de la séquence Terminaisons pour les réflecteurs internes au contact de la surface sommitale surfaces d'érosion Deux types de terminaisons pour les réflecteurs internes au contact de la surface basale limite basale de la séquence ONLAP (biseaux de rétrogradation ou d'aggradation) clinoformes des réflecteurs DOWNLAP (biseaux de progradation) Figure 8.9 Principaux types de terminaisons des réflecteurs sismiques aux limites 18 D après Chamley, sédimentologie, Dunod

Profil sismique d une marge SISMOSTRATIGRAPHIE Réflecteur = isochrone 19

Interprétation Prisme de Haut niveau Intermédiaire transgressif Prisme de Bas niveau 20

Interprétation en transgression Migration de la ligne de rivage Flux sédimentaire Nouvelle ligne de rivage 2 Ancienne ligne de rivage Transgression = montée du niveau marin dizaine à centaine de mètres 1 (a) Subsidence du substratum sédiments proximaux sédiments intermédiaires sédiments distaux dépôts sédimentaires contemporains de la transgression dépôts sédimentaires anté-transgression et substratum de la plate-forme de la marge Figure 8.7 Variations latérales de la ligne de rivage en fonction des variations globales 21 D après Peycru et coll., Dunod

De la coupe-profondeur à la coupe-temps temps réflecteurs = isochrones 3 réflecteurs COUPE-TEMPS dépôts de cône sous-marin de plus en plus large dépôts qui avancent vers le continent érosion ou lacune hiatus sous-marin 22 CSM unité = durée entre deux réflecteurs

Correction 23 D après Cojan et Renard, Sédimentologie, 2ème édition, Dunod

Reconstitution Prisme de haut niveau (PHN) cône sous-marin (CSM) Lacune avec érosion Prisme de bas niveau PBN 24 D après Robert et Bousquet, Géosciences, Belin, 2013