sédimentologie des mudrocks dépôts volcanoclastiques lst 3 · bentonit e analyses chimiques ......
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Sédimentologie des mudrocks& dépôts volcanoclastiques
LST 3
Pierre PellenardUniversité de Bourgogne
I – Sédimentologie des mudrocks
II – Les dépôts volcanoclastiques
Partie TD (3h)
Partie TP (3h)
- Observation de siltite/argilite (macro/LM)
- Observation de produits volcanoclastiques (macro/LM/frottis)
Les sédiments
détritiques
(silicoclastiques
terrigènes)
Les sédiments
volcano-
clastiques
Les sédiments
biogéniques,
biochimiques et
organiques
Carbonates,
roches
biosiliceuses,
phosphates,
pétroles,
charbons
Evaporites,
roches
ferrugineuses
Les sédiments
chimiques
Conglomérats,
sables,
grès,
siltites
argilites
Tufs,
cinérites,
bentonites,
hyaloclastites,
coulées :
Altération
Resédimentation
80-85%
10-15%
65%
Matériel sédimentaire apporté à l’océan en fonction de la granulométrie
Valeur exprimées en milliard de tonnes et %
Rudite
Arénite-silt
Argile
Tot.
Arctique Tempéré-humide Aride Equatorial Tot.
0.75(50)
0.68(45)
0.08(3-5)
1.5(100)
0.9(30)
1.5(50)
0.6(20)
3.0(100)
0(0)
0.64(40)
0.96(60)
1.6(100)
0(0)
3.8(20)
15.2(80)
19.0(100)
1.65(7)
6.62(26)
16.84(67)
25.1(100)
Dutkiewicz et al., 2015 Geology
1ère carte mondiale digitale des sédiments océaniques
I - Sédimentologie des mudrocks
A – Caractéristiques et méthodes
B – Formation et transport
C – Néoformation et diagenèse
D – Exemple d’utilisation en sédimentologie
• Les mudrocks (ou mudstone) correspondent aux roches sédimentaires silicoclastiques à grains fins : lutite (pélite à éviter), siltite, argilite, shale (black shale), « schiste »
• La taille des particules est inférieur à 0,0625 mm et sont trop petites pour être étudiées facilement sur le terrain
• À première vue, ces sédiments se ressemblent beaucoup mais il existe des différences importantes dans la composition et le mode de formation
• Il n’existe pas de classification univoque acceptée par les géosciences
• Les mudrocks sont les sédiments et roches sédimentaires les moins bien compris et étudiés à ce jour en dépit de leur importance économique et sociale (roche-mère, exploitation hydrocarbures non conventionnelles, couverture, stockage, céramique et autres produits industriels, impacts environnementaux …)
Qu’est ce que les mudrocks?
Dépôts éoliens (lœss)
Environnement continentaux
périglaciaires et/ou désertique
Des environnements variésQuels environnements?
Dépôts fluviatiles et lacustres : décantation (lac alpin vidangé)
Dépôts lacustres permiens (Autun)
=> « shistes bitumineux »
Baies, estuaires, lagunes
Flaser bedding
Lenticular bedding
Environnement côtiers (tidaux) :
Environnements marins plate-forme externe (Jurassique moyen, France)
Environnements pélagiques – hémi-pélagiques (Crétacé inférieur Allemagne)
Exemple de laminations dans
le domaine marin profond
Textures Caractéristiques texturales
Exemple de laminations dans
le domaine lacustre
Radioscopie RX
Nodules et septaria
« Beef » et « cone in cone structure » : surpression de fluides
Couleur
Rôle de l’oxydo-réduction (Fe2+ vs Fe3+)
Teneur en MO
Importance des circulations tardives
Argilites de la
carrière de
Belmont
(Beaujolais)
Composition minérale
Quartz
Feldspath
Carbonate
Pyrite
MO
Argiles
Nature des composants
Les classifications utilisées?
Diffraction des RX
Méthodes d’étudeLes techniques d’étude
- Poudre
- paramètre b
- Indice de cristallinité
- Modélisation
Diffraction raie (060)
Paramètres b maille
Dioactaèdrique vs trioactaèdrique
Analyse thermique différentielle
ΔT
Augmentation temps et T°C
100°C 500°C 900°C+
-
déshydratation
déshydroxylation
recristallisation
ATD/ATG
spectroscopie IR – Raman - Mössboer
Position bande absorption
dépend :
-Type feuillets (dioctaèdrique –
trioctaèdrique)
- Nature cations octaèdre
- Taux de remplissage
Imagerie MEB
Illites détritiques
Illites authigènes
Kaolinites authigènesSmectites authigènes
Imagerie MET
Détail fautes empilement
par HRMET
Kaolinites néoformées
Al Fe
Mg
0.8
0.6
0.4
0.2
0.2 0.4 0.6 0.8
0.8
0.6
0.4
0.2
OT
CH
TA
Fe-M
Fe-BIWY
BI
Fe=0.3
Bentonite
Analyses chimiques (XRF – ICP-AES-MS)
Diagramme de
Güven pour la
caractérisation
des smectites
Profils de REE normées
Pédogenèse – profil d’altération – types d’altération
Origine des minéraux argileuxMécanismes de formation
Feldspaths Micas
Muscovite Biotite Chlorite
Illite
Vermiculite Smectite
Chlorite secondaire
Kaolinite
Gibbsite
(Hydroxides d’Al)
Bisialitisation (2/1)
Monosialitisation (1/1)
Allitisation
Minéraux originels
Altération continentale et répartition des argiles en fonction du climat
Kaolinite
Oxydes fer
aluminium
Argile Iaire
Smectite
Vermiculite
Interstratifiés
Argile Iaire
Principaux facteurs de contrôle de formation des types de minéraux argileux
Kaolinite
+
Gibbsite
+
Oxydes fer
Illite
Chlorite
(minéraux Iaire)
Smectite
Argiles fibreuse
(palygorskite,
sépiolite)
TOPOGRAPHIE
NATURE ROCHE MERE
CLIMAT
acide basique
Cycle et processus impactant les minéraux argileux depuis leur formation sur les
continents jusqu'à leurs dépôts dans les sédiments océaniques "clay Toolbox"
Fagel (2007)
Les différents processus liés à la formation des différents types d’argiles
Podzol
Bisiallitisation
Monosiallitisa-
tion
Allitisation
Répartition latitudinale des minéraux argileux
Sur les continents…
Dans les océans…
Les argiles du milieu océanique reflètent majoritairement les
conditions de formation sur les continents
Utilisation en paléoclimatologieUtilisation des argiles pour les reconstitutions paléoclimatiques
Variations climatique à « court » terme, effet du climat et du ruissellement
kaolinite
Illite
chlorite
Smectite et IS
palygorskite
sepiolite
Sédimentation différentielle des argiles
Direction du transport sédimentaire
Transport des argiles
Les transformations argileuses
Smectites « lattées »
= transformation progressive
de smectites détritiques
Smectites détritique Fe-Al « floconeuse »
Exemple de transformation argileuse
Transformations minéralogiques au cours de la diagenèse d’enfouissement
70°C
140°C
Utilisation en diagenèse
La minéralogie des argiles couplée à la MO
renseigne sur les conditions d’enfouissement
et les paléothermicités
Les néoformations argileusesLes environnements propices à la néoformation
Cénozoïque Antarctique
Néoformation de smectites à partir de matériel volcanique
Glauconite ou mica glauconitique (10 Å, illite riche en Fe-K)
Smectite glauconitique (interstratifiés)
Smectite verte (dioactaèdrique entre montmorillonite et nontronite)
Verdine (phyllite V, phyllite C, granules sédiments récents d’environnements
peu profonds, proche des serpentines, 7.2 Å)
Berthierine (Al-Fe proche serpentine trioctaèdrique, 7 Å)
Chamosite (Fe chlorite trioctaèdrique, 14 Å)
Céladonite (Fe-K mica Fe octaédrique)
KMg(Fe,Al)(SiO3)6.3H2O
KFe3+(Mg,Fe2+,Al)Si4O10(OH)2
Néoformation d’argiles ferrifères en granules
A - Typologie des produits
B - Mode de mise en place
C - Altération et néogenèse
II – Les dépôts volcanoclastiques
Dépôts pyroclastiques : au sens strict dépôts composés d’éléments
fragmentés au cours d’une éruption explosive et non remaniées (définition
génétique et non lithologique) = dépôts volcaniques primaires
Terme à éviter si l’on n’est pas sûr de l’origine du dépôt
Dépôts volcanoclastiques (aucune connotation génétique)
Composés majoritairement de particules volcaniques définies par
Leur granulométrie
La nature des éléments
Tephra : terme plus général, incluant tous les produits de l’éjection
Typologie des produits
Granulométrie :
Taille (mm)
64 mm
2 mm
63 µm
Pyroclaste/particule Dépôts volcanoclastiques
consolidéNon consolidé
Bombe, bloc
Lapilli
Cendre grossière
Cendre fine
(poussières)
Horizon/téphra à blocs
Horizon/téphra à lapilli
Cinérite grossière
Cinérite fine
Brèches
pyroclastiques
Tuf/tuffite de lapilli
Tuf cendreux grossier
Tuf cendreux fin
RU
DIT
E
ARENITE
AR
EN
O-L
UT
ITE
Tuf/tuffite volcaniques
Nature des produits
Bombes volcaniques par projection
Blocs de ponces issus d’une
coulée pyroclastique
Typologie des produits
Brèches volcaniques
Plateau de tufs en Cappadoce (Turquie)
Typologie des produits
Dépôts de cinérite et tufs de la Caldeira de Maule (Chili)
Dépôt de cinérite pliocène dans la province de Malargüe (Argentine)
Classification des tufs : d’après la proportion de fragments lithiques, minéraux
pyroclastiques, ponces, verres volcaniques
particule lithique
Particule vitreuse, dense ou vésiculée
(débris de verre, ponces)
Cristaux ou
Fragment de cristaux
TV
TC TFL
Typologie des produits
Tuf vitreux à verres non
vésiculés
Tuf vitreux
rhyolithique à ponces
et phénocristaux de
quartz et feldspaths
Typologie des produits
Magma basique: bubble shard et Pele’s tears
Magma acide : verres vésiculés,
anguleux, opaques LPA
Verres volcaniques Ponces
Typologie des produits
Morphologie des verres volcaniques au MEB
Débris de verre lié à la vésiculation
des magmas acides (bubble wall shards, cupsate shards)
Débris plat (platy shards)Débris vésiculé (pumice shards)
Typologie des produits
Morphologie des lapilli accrétionés
Tuf vitreux (matrice vitreuse) à lapilli accrétionés
formés d’un nucléus à débris de verres grossiers
et débris plats de verres formant la périphérie
Lapilli constitué d’un nucléus de fragment lithique
de lave basaltique (clinopyroxène et olivine)
entouré par une bordure de fines cendres
Typologie des produits
Niveau de cendres volcaniques récents
Cinérites du Kilauea
Cinérites de Lipari
Typologie des produits
La granulométrie des dépôts : blocs (bombes), lapilli, cendres, poussières…
fonction de l’éloignement (dispersion) des sources et du type d’éruption
(degré d’explosivité : indice de fragmentation)
Diagramme de Walker
Typologie des produits
La granulométrie des dépôts volcanoclastiques dépend du type d’éruption et
donc du contenu en éléments volatils (H2O, CO2)
éruptions explosives : phréatomagmatique, plinienne, ignimbrite
= matériel fin (cendres), minéraux automorphes, petits et cassés
La nature des dépôts est fonction du degré de différenciation de la chambre
magmatique
produits différenciés : ponces, verres riche en SiO2, fraction minérale riche
en quartz et feldspaths potassiques, biotites (ferromagnésiens)
produits peu différenciés : scories, verres pauvres en SiO2, fraction
minérale plus riche en ferromagnésiens (amphiboles, pyroxènes)
Typologie des produits
Les sédiments volcanoclastiques se regroupent en 5 catégories :
• Dépôts autoclastiques
• Hyaloclastites
• Dépôts de coulées volcanoclastiques
• Dépôts de retombées pyroclastiques
• Dépôts épiclastiques - alloclastiques
Modes de mise en place
Différents mécanismes de dépôts volcano-sédimentaires
Les dépôts autoclastiques
Brèche >
Brèche <
Bréchification (+ cryoclastie) d’une coulée de lave de l’Etna
Hyaloclastites:
Interaction eau-magma
Exemple de coulées pyroclastiques de la Montagne
Pelée en Martinique
Déferlantes pyroclastiques
Exemple de surge du Mount St Helens
Déferlantes pyroclastiques
Exemple de coulées pyroclastiques de l’éruption du Mayon en 1994 (Philippines).
Colonne éruptive de 15 km de hauteur, dépôts de cendres à 50km
Coulées pyroclastiques (écoulements denses, concentrés)
Colonne éruptive et coulées pyroclastiques
du Redoubt (Alaska, 04 1990)
Panache de cendres lors de l’éruption des Tavurvur/Vulcan
(caldeira Rabaul, Nouvelle-guinée, 09 1994)
Les retombées pyroclastiques
St Helens (1980, 1 km3 DRE)Toba (74 000 BP, 2800 km3 DRE, 800 km3 DRE cendres)
Dépôts Kinnekulle-Millbrig
Ordovicien 2500 km3 DRE cendres
Ignimbrite et co-ignimbrite
Écoulements pyroclastiques
Éruption plinienne
Rapport ponce/cristaux élevé
Cas le plus probable pour les dépôts
ultradistaux des plus grosses
éruptions historiques et fossiles :
Tambora (1815), Krakatoa (1883), Katmaï
(1912), Crater lake, Bishop tuff ash layer,
Aira (21 000 BP), Toba (74 000 BP)
Caldeira de Maule (Chili)
15 km
Dépôt d’ignimbrite du Pléistocène supérieur (Province de Mendoza, Argentine)
Dépôt d’ignimbrite du viséen sup.
(Gorges de la Loire)
Structure en fiamme
• minéraux volcaniques
euhédraux cassés
• Quartz avec dissolution
• Verre abondant (+ponces)
Coulées pyroclastiques (écoulements denses, concentrés)
Déferlantes pyroclastiques (=surges, écoulements moins denses)
Ecoulement cendro-ponceux de grand volume (ignimbrite)
- contrôle topographique: canalisation dans les vallées, dépressions comblées
- classement granulométrique mauvais ou moyen
- variation irrégulière de l’épaisseur avec l’éloignement
- température élevée (éléments soudés, oxydés)
- contrôle topographique: intermédiaire entre coulées et retombées
- variation d’épaisseur irrégulière et rapides
- érosion basale possible (chenaux)
- effondrement de caldeira
- volumes dégagés de plusieurs ordres de grandeur > que les autres écoulements (10-500 Km3)
- longue durée d’éruption en régime (jamais observée, mais plusieurs heures ou jours)
- capacité à couvrir de grande distance (150 km) et de franchir des barrières topographiques
- Dépôts ennoient les paysages, massif, mal trié, effet important de la compaction post-dépôt
- Formation de colonne éruptives coémises: co-ignimbrite
Retombées distales pliniennes-ultrapliniennes
- caractéristiques proches des ignimbrites
- couverture de très grande surface (>1000 km)
- niveaux isopaques centimétriques dans sédiments lacustres ou marins
Cinérites permiennes
du Bassin de Lodève
Dépôts épiclastiques
Volcanic glass + H2O Smectites + H2O + Hydrated silicaHydrated silicate gel
(Ca2+, Mg2+)
Réaction générale:
Tuf, cinérite Tuf, cinérite altérés Bentonites, tonsteins
Particules
Dépôt
Spectre DRX verres volcaniques
Spectre DRX du même
échantillon altéré en argiles
Altération & néogenèses
Processus d’altération:
1 Diffusion H2O et d’ions de la solution
2 Dissolution congruente
3 Précipitation de phase intermédiaire: allophane (hydrosilicate alumineux hydraté mal cristallisé) comme
précurseurs (site de nucléation)
4 Précipitation de nouvelles phase minérales: zéolites, argiles néoformés, silice hydratée sous ≠ forme
Verre dérivant de magma basique et ultrabasique (sidéromélane):
Altération en palagonite
-verre jaunâtre à brun hydraté
- basse température<50°C
ou conditions hydrothermales
- gain H2O (10-30%) TiO2, FeO→Fe2O3
- perte Na, Ca, Mn
Altération des verres acides :
- Plus résistants mais facilement dissous à pH>9
- Pertes des alcalins et oxydation du Fe
- Formation de montmorillonite/beideillites-Al
et de zéolites (heulandites/clinoptilolites) et SiO2, H2O
Verres altérés en cristoballite Verres altérés en clinoptilolite
Verres frais
- Formation d’illite, halloysite (proche kaolinite) dans rares cas
- Formation de kaolinite et de feldspaths potassiques si lessivage important (taux de solubilité
important de la SiO2), pH acide des solutions, faible salinité : conditions réunies en domaine
continental (acides liés à la dégradation de la MO) importance majeur des fluides de
porosité
- En milieu lacustre, les conditions d’évaporation>précipitation engendrent saumures (forte
salinité et alcalinité) susceptibles de transformer tuf/cinérite en dépôt quasi pure de zéolites
(phillipsite, eriorite, clinoptilolite) → intérêt économique
Altération d’un tuf : précipitation de
zéolites « en bulles »
Niveau de tonstein dans le Permien de Muse (Morvan)
Niveau de bentonite (niveau van Gogh) dans l’Aptien du bassin subalpin
K-bentonites intercalées dans la formation de la Vaca Muerta (Jurassique sup, Argentine)
Caractérisation minéralogique des bentonites - fraction néoformée argileuse
Counts/s
0
300
200
100
Essai naturel
Essai glycolé
Essai chauffé
37 25 19 15 12 10 9 8 7 6 5
15,6
17,3
5,75,1 4,9
9,9
Dominé par des smectites (95-98%)
dioctahèdriques (raie 060)
Essai naturel
Essai glycolé
Essai chauffé
17,3 15,8
10,0
7,4
5,15,6
3,7
0
1000
2500
2000
1500
500
20 15 3410 8 6 5 d-spacing (Å)
Mélange de smectite et kaolinite
bien cristallisées
Caractérisation minéralogique – minéraux pyroclastiques (30-250 µm)
→ Préservation, transformation, pseudomorphose, dissolution, précipitation…
<1% du volume des bentonites
Minéraux lourdsFerromagnésiensSilicates légers
Quartz →
Feld-K (sanidine)
→ kaolinite
Biotite → kaolinite
et levérriérite
Px, Amph → carbonates Zircon
Apatite Rutile (TiO2)
Observations TP
1. Siltite & argilite : macro
2. Siltite : LM
3. Roches volcano-sédimentaire macro (cinérite, tuffite,
coulées altérées, bentonite, ignimbrite)
4. Tuf Cappadoce : frottis sédimentaire (observation verres)
5. Roches volcano-sédimentaire LM