MODULE SEDIMENTOLOGIE ANALYTIQUE ET ENVIRONNEMENTS

SEDIMENTAIRES

Élément de Module:Environnements Sédimentaires

6 x 3h = 18h Examen = 2h

Prof. Boumedien CHBANI

Introduction

Les éléments érodés et transportés sont véhiculés par les agents de transport pour sédimenter dans des bassins de sédimentation.

Milieux de sédimentation

Un milieu de sédimentation est une unité géomorphologique de taille variable(flaque, lac, mer, océan) et de forme déterminée où règne un ensemble de facteursphysiques, chimiques et biologiques suffisamment constants pour former un dépôtcaractéristique.Les dépôts ne sont qu'en transit dans les milieux continentaux du fait de l'action dela gravité. Tôt ou tard, ils sont repris et transportés finalement jusqu'au point le plus bas,la mer. Les milieux sédimentaires continentaux sont locaux et transitoires par rapportaux milieux marins qui fournissent la majeure partie des roches sédimentaires. La reconnaissance et la répartition des milieux anciens de sédimentation constituentune des bases de la paléogéographie. Pour les schématiser on fait toujours référenceaux milieux actuels quoique cette méthode est loin d’être exacte. Actuellement on Distingue dans la nature deux grands domaines : milieux continentaux et marins.

Milieux de sédimentation

Continentalsubaérien

Continentalsous aquatique

Marin

Erosion

Dominante

Localisée1

Rare2

Equilibre

PénéplaineRoches résiduelles

Transitsédimentaire

Surface durcie

Sédimentation

Rares 3

Localisée4

Dominante5

1 : Rives concaves des méandres2 : Action des vagues, érosion des parois des canyons3 : Cônes de déjection, glaciers (moraines), éolienne (dunes dans les déserts)4 : Varves, travertins, terrasses fluviatiles5 : Deltas, estuaires, sebkha, cônes sous marins (turbidites), récifs, pélagique

1 - Domaine continental

Les moraines (ou tills) sont caractéristiques des milieux glaciers.Dans les milieux désertiques, ce sont les dépôts éoliens qui constituent la majeurePartie des sédiments actuels. Les dépôts de sables forment les dunes (nebka,barkhanes, ergs...).Les dépôts fluviatiles torrentiels ou cônes de déjection et méandriformes sont caractérisés par des sédiments détritiques grossiers et mal classés.Les dépôts lacustres sont caractérisés par la présence de varves ou sédimentationsaisonnière rythmique (alternance centimétrique de laminations sombres et claires).

Les milieux évaporitiques continentaux sont surtout les lacs salés éphémères (playas, chotts, sebkhas). Dans ces milieux, les sédiments se caractérisent par une disposition des minéraux évaporitiques en couches peu épaisses associées à des dépôts terrigènes.

2 – Domaine marin

Les dépôts mixtes, littoraux, deltaïques et estuariens, se font par progradation dela sédimentation terrigène au sein des bassins marins. Les dépôts détritiques de plate-forme sont classés, répartis, étalés par les marées,les vagues et les courants littoraux et de plateaux. Les dépôts au niveau du talus et du glacis sont principalement détritiques (maiségalement planctoniques et biochimiques). C'est à ce niveau qu’a eu lieu la Sédimentation turbiditique issue de transports gravitaires et les glissementssynsédimentaires (slumps).

Les dépôts de plateforme carbonatés ou mixtes et les constructions d'organismesou récifales à des profondeurs, températures et conditions hydrodynamiques bienprécises et des milieux marins ouverts où la sédimentation du plancton abonde.

Environnements glaciaires

La couverture glaciaire actuelle occupe près de 10 % de la surface de la Terre,et renferme environ 75 % des eaux douces. Lors des maximum glaciaires du Quaternaire,environ 30 % de la surface terrestre étaient recouverts de glaces. Cinq grandes périodes glaciaires au moins se sont succédées au cours des temps géologiques :

Protérozoïque inférieur (Amérique du Nord); Précambrien supérieur (témoins sur tous les continents a l'exception de l'Antarctique); Ordovicien supérieur (Afrique, Amérique du Sud); Paléozoïque supérieur (terres gondwaniennes, hémisphère sud); Cénozoïque supérieur, à partir de l'Oligocène, avec extension maximum au Pléistocène (hautes latitudes, et montagnes des régions tempérées) (cf. Flint, 1971; Goldthwait, 1975; Frakes, 1979).

La cause des glaciations parait résider principalement dans des variations cycliques de la quantité d'énergie solaire transmise vers les hautes latitudes, par suite de changements dans l'inclinaison de l'orbite terrestre (Hays et al., 1976; v. Kennett, 1982).

L'aptitude à la conservation des sédiments issus de l'érosion et du transport glaciaires est faible, comme l'est celui des particules sédimentaires emprisonnées dans les glaces. En effet les remaniements déterminés par Ie mouvement des glaces, et l'ensemble des phénomènes gravitaires associés, se prêtent mal à la fossilisation des dépôts glaciaires. Des archives glaciaires précieuses existent toutefois à diverses échelles, soit sur les plates-formes subsidentes proches des continents (Afrique occidentale, Boeuf et al., 1971; Deynoux, 1978), soit dans l'épaisseur des calottes glaciaires de haute latitude (Antarctique, Groenland; Eyles et Miall, in Walker, 1984).

Les grandes masses glaciaires se développent principalement dans les vallées, sur les piémonts, en calotte ou inlandsis, et en banquise

Principaux environnements glaciaires (Allen ;1971)

Cirque glaciaireGlacier de

Moraines d'un glacier de montagne: (A) organisation générale; (B) coupe

transversale dans un glacier.

Dans les glaciers dits de type polaire, la température se trouve partout très en dessous du point de congélation de l'eau, Ie drainage sous-glaciaire est généralement inexistant, l'érosion s'effectue uniquement par rabotage superficiel des zones en relief du substrat, et Ie transport a lieu en I'absence de fluide, de manière rigide. Dans les glaciers épais de type tempéré, dont la localisation est indépendante de la latitude, la température approche en profondeur Ie point de fusion sous l'effet des fortes pressions, et la glace plastique de base glisse vers I'aval sur son substrat en provoquant des déformations importantes dans la masse sus-jacente. De l'eau de fonte issue des variations thermiques saisonnières, de I'augmentation du gradient géothermique et des pressions en profondeur, parvient en abondance à la base du glacier et, chargée de débris, s'ajoute à l'action de la glace pour provoquer une érosion complexe et très forte (abrasion, concassage, arrachement, fissuration). Les particules arrachées au substrat s'organisent parfois en couches saisonnières, qui sont déformées au cours des années, peuvent remonter à la surface glaciaire, ou s'accumuler en se chevauchant vers l'aval.

Principaux dépôts glaciaires Les dépôts d'origine glaciaire résultent essentiellement d'actions mécaniques

(altération physique), et constituent une accumulation de fragments rocheux et grains minéraux de toutes tailles, des blocs géants aux poussières les plus fines (farine de roche), arraches au substrat.

Les constituants des dépôts glaciaires et fluvio-glaciaires reflètent fidèlement la nature et l'origine des substrats, y compris parfois pour des périodes aussi anciennes que Ie Précambrien supérieur et Ie Paléozoïque (Charmley et al., 1980).

Les particules sont Ie plus souvent anguleuses, hétérogènes et mal classées, fréquemment striées, poinçonnées ou brisées par les forces de frottement et de pression.

Les substrats sont profondément usés par Ie travail des glaces (cf. vallées en auges, ombilics), et présentent une surface émoussée, souvent moutonnée, avec de fréquentes stries et cannelures d'abrasion, ou des cupules d'arrachement.

Les sédiments strictement glaciaires (tableau 1.1) constituent les moraines, ou tills, dont la teneur en eau au moment du dépôt est Ie plus souvent trop faible pour permettre Ie tri ou la désagrégation des matériaux.

Sous les glaciers de type tempéré se développent les moraines de fond (argile et blocaux), semelles sédimentaires d'épaisseur variable et de grande extension, très hétérométriques (= mixtites) et non stratifiées, à blocs emballés dans une matrice argilo sableuse issue de l'abrasion.

Les blocs, granules et sables sont préférentiellement orientés avec leur grand côte parallèle à la direction de transport, mais une fraction mineure est placée perpendiculairement à cette direction par les forces de cisaillement et les courants violents d'eaux sous-glaciaires.

Les tills de fond s'organisent parfois en masses allongées, appelées drumlins, notamment sur les grands boucliers continentaux recouverts de calottes glaciaires. Les drumlins sont des collines de forme allongée et orientées parallèlement à l’axe de l’écoulement de la glace. Les drumlins se retrouvent toujours nombreux et regroupés

Les moraines latérales développés en bordure des glaciers, médianes nées de la confluence de deux langues, frontales poussées à l'aval, ou sommitales issues de fontes ou chutes de blocs, sont généralement moins épaisses, moins compactées et plus grossières, parfois mieux classées que les moraines de fond.

Dans les paysages continentaux, les bourrelets morainiques frontaux marquent les stades d'avancée maximum des glaciers. Parfois la fonte continue du glacier provoque l'accumulation excessive de matériaux extraits de la glace, qui sont ensuite susceptibles de glisser vers l'aval en donnant une moraine d‘écoulement.

L'aspect hétérogène du dépôt résultant est proche de celui d'un flot de débris (debris-flows) (cf. Chamley, 1987). La convergence devient frappante lorsque Ie flot morainique se termine en milieu sous aquatique, du fait de la présence d'un littoral lacustre ou marin à proximité de la langue (fig 1-3 A)

Les sédiments fluvio-glaciaires déposés au sein ou à proximité immédiate des masses glaciaires sont essentiellement formés de sables et particules plus grossières, les argiles et silts étant exportés en suspension vers l'aval. Médiocrement classés, ils présentent souvent une stratification entrecroisée, des rides avec laminations, décalées verticalement dans Ie sens du courant (climbing-ripples), et des figures d'affouillement.

Les eskers (Os) constituent des reliefs sédimentaires sinueux, parfois très développés (jusqu‘à plusieurs km de long, 50-500 m de large, 5-50 m de haut), allongés dans Ie sens du transport, et susceptibles de présenter une pente inverse de celle du profil longitudinal de vallée, par suite de la pression hydrostatique sous Ie poids de glace (ex. amont d'un verrou glaciaire). Ils procèdent du dépôt de particules transportées par un torrent sous-glaciaire en charge, sous très forte énergie, particulièrement au front du glacier au cours de ses périodes de recul. L'arrivée d'un tel torrent en milieu sous aquatique (ex. lac) peut provoquer une perte de compétence et Ie dépôt en masse de particules, sous forme de bourrelets successifs lors des reculs saisonniers du glacier (figure 1.3, B).

Les amas sous-glaciaires en monticules isolés, ou kames, correspondent à des zones tourbillonnaires, des entonnoirs glaciaires, ou au cheminement forcé des eaux en bordure de glacier (terrasses de Kame).

Les éventails alluviaux, situés immédiatement à l'aval des glaciers, sont alimentés en alluvions sablo caillouteuses par des torrents divagants latéralement (cf. 1.4).

Dans les cônes d‘épandage sédimentaire, ou sandurs, qui en résultent, la finesse du grain, Ie classement et Ie litage tendent à s'accentuer vers l'aval. Le même type de gradient sédimentaire s'observe dans les alluvions fluvio-glaciaires déposées par les cours d'eau plus rectilignes qui joignent Ie domaine glaciaire au réseau fluviatile aval proprement dit.

Coupes schématiques, d’ensembleet de détail, des successions sédimentairesobservées après le retrait de glaciers développés en milieu terrestre (A) et marin (B)[d’après M.E. Edwards, in Reading 1986]

1: Association de faciès internes (amont ou domaine côtier)2: association de faciès marginaux (bordures).3: association de faciès externes (aval; ou large)

Succession sédimentaires et paléo- environnements

Les dépôts glaciaires anciens sont d'autant mieux préservés qu'ils ont été enfouis rapidement et se sont développés, en milieu sous aquatique, sur de grandes surfaces (Edwards, in Reading, 1986).

Les séquences glaciaires comprennent généralement une surface d'érosion basale, une moraine de fond contemporaine de l'avancement du glacier et secondairement consolidée (tillite, ou morainite), enfin des dépôts morainiques superficiels et des dépôts périglaciaires contemporains du recul du glacier (figure 1.4).

Des associations de dépôts typiques des milieux glaciaires sont identifiées dans les séries géologiques, et conduisent à des modèles utiles pour les reconstitutions paléogéographiques.

Ainsi en milieu terrestre se reconnaissent des associations internes à moraine (till) de fond, marginales à moraines latérales et sommitales, et externes à moraines frontales et dépôts éoliens; Ie retrait du glacier permet Ie développement de lacs à rythmites et de nappes d'épandage, en arrière des moraines frontales abandonnées (ex. Alpes; Wright, 1937).

En milieu marin dominent les laminites désordonnées et les aquatillites non stratifiées, à blocs lâchés (dropstones), développées sur d'épaisses tillites de fond dans les associations internes, sur des épandages grossiers sous aquatiques et une mince tillite de fond dans les associations marginales, et intercalées de resédiments marins dans les associations externes (ex. Mer de Weddell; Anderson et al., 1977).

Des reconstitutions paléogéographiques peuvent être établies à partir de l'étude spatiale des divers corps et figures glaciogéniques, dans des séries d‘âge divers et y compris jusque dans Ie Précambrien et Ie Paléozoique inférieur (ex. Boeuf et aI., 1971; Deynoux, 1985;figure 1.5).

1-5- Reconstitution paléogéographique de la glaciation de l’OrdovicienSupérieur en Afrique occidentale (d’après Deynoux; 1985)

Cirque glaciaire et glacier de valléeLangue glaciaire

moraine till in Svalbard, Norway (photo by Dr. Karen Kleinspehn)

Superior Lobe till of central Minnesota (photo by Dr. Karen Kleinspehn)

• Exemple de tillites de fond

Striations glaciaires

Bloc strié

Glacio-lacustre

Tectonique synsédimentaire, glacio-lacustre

dropstones

Front de glacier

Paysage périglaciaire

Collapses ou Drumling