Les sédiments constituent de véritables archives de l’histoire de la Terre : leur étude minutieuse, sur le terrain comme au laboratoire, permet de reconstituer les milieux et les climats du passé, d’établir des chronologies, et présente également un intérêt économique considérable (hydrocarbures, eau souterraine, matériaux de construction). Ce chapitre présente les principales méthodes utilisées pour étudier les sédiments et en tirer des informations paléogéographiques et pratiques.
L’étude sur le terrain : colonne stratigraphique et structures sédimentaires
Sur le terrain, le géologue établit la colonne stratigraphique d’un affleurement, en notant l’épaisseur, la nature et la couleur de chaque couche, ainsi que la présence de fossiles. Il relève également les structures sédimentaires visibles, précieux indicateurs du milieu de dépôt : les stratifications entrecroisées (dépôt par des courants unidirectionnels, milieu fluviatile ou éolien), les rides de courant (agitation en milieu peu profond), les figures de charge (déformations liées à une surcharge sédimentaire rapide) ou encore les fentes de dessiccation (traces de retrait par assèchement, indiquant une émersion temporaire).
L’étude granulométrique au laboratoire
Au laboratoire, l’analyse granulométrique consiste à séparer, par tamisage à travers une série de tamis de mailles décroissantes, les différentes classes de taille de grains d’un échantillon sédimentaire, puis à construire une courbe cumulative représentant le pourcentage de grains passant à travers chaque tamis. Cette courbe permet de déterminer la taille médiane des grains et le degré de tri (bon tri = courbe raide, sédiment homogène en taille ; mauvais tri = courbe étalée, sédiment hétérogène). L’observation à la loupe de la morphoscopie des grains (grains anguleux ou au contraire arrondis et émoussés, aspect mat ou brillant de la surface) renseigne sur la nature et la durée du transport subi.
L’étude paléontologique
L’étude des fossiles contenus dans un sédiment mobilise à la fois les macrofossiles (coquilles, os, empreintes visibles à l’œil nu) et les microfossiles (foraminifères, par exemple, observables au microscope), particulièrement utiles lorsque les échantillons disponibles (carottes de forage) sont de petite taille. On distingue les fossiles de faciès, caractéristiques d’un milieu de dépôt précis mais peu utiles pour la datation, des fossiles stratigraphiques, à évolution rapide et large répartition, utilisés pour dater les terrains. L’analyse des assemblages fauniques et floristiques permet en outre de reconstituer les conditions paléoclimatiques de l’époque considérée.
L’étude minéralogique et géochimique
L’analyse minéralogique permet d’identifier la nature des minéraux constitutifs d’un sédiment (quartz, minéraux argileux, carbonates, minéraux caractéristiques comme la glauconie, dont la présence indique un milieu marin peu profond à sédimentation lente). Des analyses géochimiques complémentaires (teneur en carbonate de calcium, en matière organique) fournissent des indications supplémentaires sur les conditions de dépôt, notamment sur l’oxygénation du milieu et la productivité biologique.
Intérêt appliqué de l’étude des sédiments
Au-delà de son intérêt scientifique fondamental pour la reconstitution de l’histoire de la Terre, l’étude des sédiments présente un intérêt économique et pratique majeur. Elle est essentielle à la recherche d’hydrocarbures, qui nécessite d’identifier une roche mère (riche en matière organique), une roche réservoir (poreuse et perméable) et une roche couverture (imperméable) au sein d’un même bassin sédimentaire. Elle permet aussi de localiser les aquifères souterrains (nappes d’eau contenues dans des roches poreuses), d’évaluer les gisements de matériaux de construction (sables, calcaires, argiles) et de mieux prévenir certains risques naturels liés à l’érosion ou aux inondations.
Exercices
Exercice 1 — Citer trois structures sédimentaires observables sur le terrain et préciser, pour chacune, ce qu’elle renseigne sur le milieu de dépôt.
Exercice 2 — Expliquer le principe de l’analyse granulométrique par tamisage et préciser ce que révèle une courbe cumulative très raide par rapport à une courbe très étalée.
Exercice 3 — Distinguer un fossile de faciès d’un fossile stratigraphique en donnant, pour chacun, un critère qui permet de le reconnaître.
Exercice 4 — Un échantillon sédimentaire est tamisé et l’on obtient les pourcentages cumulés passants suivants : 2 mm → 5 % ; 1 mm → 20 % ; 0,5 mm → 55 % ; 0,25 mm → 85 % ; 0,125 mm → 98 %. a) Ce sédiment est-il plutôt bien trié ou mal trié ? Justifier à partir des valeurs données. b) Donner un ordre de grandeur de la taille médiane des grains (taille correspondant à 50 % de passants).
Exercice 5 — Un sédiment contient des grains de quartz anguleux et non usés, associés à des minéraux argileux abondants et à des débris de plantes terrestres mal conservés. Proposer un milieu de dépôt et un type de transport (distance, énergie) compatibles avec ces observations, en justifiant chaque indice.
Exercice 6 — Un forage traverse successivement, de haut en bas : une couche argileuse riche en matière organique (roche mère potentielle), une couche de grès poreux (roche réservoir potentielle), puis une couche d’argile imperméable (roche couverture potentielle) surmontant une nouvelle couche de grès. a) Expliquer pourquoi cette succession, prise dans son ensemble, présente un intérêt pour la recherche d’hydrocarbures. b) Préciser le rôle joué par chacune des trois couches mentionnées entre parenthèses dans la constitution d’un gisement.
Exercice 7 — On souhaite caractériser complètement le milieu de sédimentation ayant donné naissance à une couche sédimentaire donnée. a) Citer, en les classant en trois catégories (étude de terrain, étude granulométrique, étude paléontologique et géochimique), les principales méthodes que l’on peut mobiliser. b) Expliquer pourquoi la combinaison de plusieurs méthodes est nécessaire pour obtenir une interprétation fiable du milieu de dépôt, plutôt que de se fonder sur un seul indice.
Corrigés
Corrigé 1 — On peut citer par exemple : les stratifications entrecroisées, qui indiquent un dépôt par un courant unidirectionnel (milieu fluviatile ou éolien) ; les rides de courant, qui indiquent une agitation en milieu aquatique peu profond ; les fentes de dessiccation, qui indiquent une émersion temporaire et un assèchement du sédiment (milieu de bordure, exondé périodiquement).
Corrigé 2 — Le tamisage consiste à faire passer un échantillon sédimentaire à travers une série de tamis de mailles décroissantes, empilés du plus grand au plus petit, et à peser la fraction retenue par chaque tamis, ce qui permet de calculer, pour chaque taille de maille, le pourcentage cumulé de grains plus fins qui sont passés au travers. Une courbe cumulative très raide correspond à un sédiment dont presque tous les grains ont une taille proche (sédiment bien trié, typique d’un milieu à énergie sélective comme le littoral ou le désert), tandis qu’une courbe très étalée correspond à un sédiment mélangeant des tailles de grains très variées (sédiment mal trié, typique d’un transport peu sélectif comme un dépôt glaciaire ou une coulée torrentielle).
Corrigé 3 — Un fossile de faciès est caractéristique d’un milieu de dépôt précis (il renseigne sur l’environnement) mais peut avoir existé pendant une longue durée géologique, ce qui le rend peu utile pour dater une couche. Un fossile stratigraphique, au contraire, se reconnaît à son évolution rapide (courte durée de vie géologique) et à sa large répartition géographique, indépendante du milieu, ce qui permet de l’utiliser pour dater et corréler des terrains éloignés.
Corrigé 4 — a) Ce sédiment est plutôt bien trié : la quasi-totalité des grains (de 20 % à 98 % de passants, soit 78 % de l’échantillon) est comprise dans un intervalle de taille resserré, entre 1 mm et 0,125 mm, avec une forte proportion (35 %) concentrée entre 1 et 0,5 mm ; la courbe cumulative est donc relativement raide sur cet intervalle. b) La taille médiane (50 % de passants) se situe entre 1 mm (20 % passants) et 0,5 mm (55 % passants), donc son ordre de grandeur est d’environ 0,6 à 0,7 mm.
Corrigé 5 — Les grains de quartz anguleux et non usés indiquent un transport court et/ou peu énergique, insuffisant pour arrondir les grains par frottement ; l’abondance de minéraux argileux suggère un milieu calme, propice au dépôt de particules très fines ; les débris de plantes terrestres mal conservés confirment une origine continentale et un enfouissement rapide limitant leur décomposition. L’ensemble est compatible avec un milieu continental calme, proche de la source (par exemple un milieu lacustre ou une plaine d’inondation), avec un transport court et de faible énergie.
Corrigé 6 — a) Cette succession présente un intérêt pour la recherche d’hydrocarbures car elle réunit, dans le même système, les trois éléments indispensables à la formation et à la conservation d’un gisement : une roche capable de produire des hydrocarbures, une roche capable de les stocker, et une roche capable d’empêcher leur fuite vers la surface. b) La couche argileuse riche en matière organique joue le rôle de roche mère (elle produit les hydrocarbures par transformation de la matière organique enfouie) ; le grès poreux joue le rôle de roche réservoir (sa porosité et sa perméabilité lui permettent d’emmagasiner les hydrocarbures qui y migrent) ; l’argile imperméable sus-jacente joue le rôle de roche couverture (elle empêche les hydrocarbures accumulés dans le réservoir de s’échapper vers la surface).
Corrigé 7 — a) Étude de terrain : établissement de la colonne stratigraphique, observation des structures sédimentaires (stratifications, rides, fentes de dessiccation). Étude granulométrique : tamisage et courbe cumulative, morphoscopie des grains. Étude paléontologique et géochimique : identification des macrofossiles et microfossiles (fossiles de faciès et fossiles stratigraphiques), analyse minéralogique (nature des minéraux, présence éventuelle de glauconie) et géochimique (teneur en carbonates, en matière organique). b) La combinaison de plusieurs méthodes est nécessaire car un seul indice peut être ambigu ou insuffisant (par exemple, un même faciès lithologique peut se former dans des milieux légèrement différents) : c’est le recoupement de plusieurs types d’indices convergents (structures sédimentaires, granulométrie, faune, minéralogie) qui permet de lever ces ambiguïtés et d’aboutir à une interprétation fiable et robuste du milieu de sédimentation.
