2. LA GRANULOMETRIE DES SEDIMENTS
2.1. Introduction
La granulométrie d'un sédiment renseigne évidemment sur la nature et la vitesse de l'agent de transport, par l'intermédiaire de la loi de Stokes. Il faut cependant tenir compte d'un élément important: le stock sédimentaire disponible à la source. Pour prendre un exemple, on pourrait observer un dépôt de sable très bien trié, dû non pas aux caractéristiques de l'agent de transport, mais tout simplement au fait que c'était le seul matériau disponible dans le bassin de sédimentation. On peut donc dire que quelle que soit la compétence des courants (leur capacité de transport), ils ne pourront pas véhiculer de grains plus grossiers que ceux disponibles à la source. Un cas particulier est celui des carbonates. La taille des fossiles ne renseigne sur la compétence des agents de transport que s'ils ont été déplacés. De nombreux organismes sont incorporés dans le sédiment sans avoir subi aucun déplacement.
Granulométrie des sédiments: exemples: galets, graviers et sable, région de Ploumanach, Bretagne.
2.2. Analyses granulométriques
A l'origine, les analyses granulométriques étaient effectuées par tamisage à l'aide de tamis à mailles carrées dont les ouvertures croissent suivant une progression géométrique de raison 21/2. Ces tamis étaient secoués manuellement ou à l'aide de dispositifs mécaniques tels le système Ro-TAP, recommandé par les comités de normalisation. Lorsque l'on tamise, on classe les grains d'après leur largeur et les fréquences des grains d'une classe déterminée sont évaluées en pesant les fractions retenues sur les tamis successifs. Pour les fractions les plus fines, les méthodes de décantation ou de sédimentation sont utilisées: on disperse un sédiment dans un récipient rempli d'un liquide (en général de l'eau dont la température est connue) et l'on mesure, à des intervalles de temps bien déterminés, la quantité de matière restée en suspension (méthode de la pipette, laser,...) ou celle déjà sédimentée (principe de la balance de sédimentation). Actuellement, des appareils de plus en plus perfectionnés (granulomètre laser) facilitent les analyses.
Pour représenter les distributions granulométriques, on peut utiliser:
des histogrammes ou diagrammes à colonnes (Fig. V.1A), formés de rectangles jointifs dont les bases respectives représentent les intervalles de classes et dont les hauteurs correspondent aux fréquences des différentes classes (poids exprimés en % des fractions récoltées sur les différents tamis). Si l'on pouvait réduire l'intervalle de classe de manière à le faire tendre vers zéro, le contour en escalier limitant l'histogramme se rapprocherait d'une courbe continue, la courbe de fréquence. On se hasarde parfois à tracer une courbe de fréquence en joignant le milieu des gradins de l'histogramme;
des courbes cumulatives (Fig. V.1B): on cherche ici à connaître la proportion du sédiment qui est supérieure -ou inférieure- à une valeur donnée du diamètre granulométrique. Dans le cas d'un tamisage, on porte en abscisse les ouvertures linéaires des mailles des tamis et en ordonnée, le pourcentage en poids de sédiment traversant le tamis (% de passant) ou ne le traversant pas (% de refus). Les ingénieurs portent généralement les ouvertures des tamis dans un ordre croissant tandis que les sédimentologues adoptent presque toujours une disposition inverse. Lorsque l'intervalle de classe diminue, le diagramme cumulatif se transforme en courbe cumulative; on peut construire cette courbe en joignant les rentrants du diagramme cumulatif;
des courbes cumulatives à ordonnée de probabilité (Fig. V.1C): les courbes de fréquence, construites avec une échelle logarithmique des diamètres des grains ressemblent aux courbes en cloche de Gauss exprimant les distributions log-normales. On admet souvent, comme un postulat, que les dimensions des grains de sable étaient originellement distribuées suivant une courbe log-normale. Par conséquent, il est utile de connaître dans quelle mesure la courbe granulométrique d'un sable donné s'écarte de la courbe théorique. Pour cela, on a calculé une échelle spéciale des ordonnées, dites ordonnées de probabilité, grâce à laquelle une distribution log-normale se traduit par une droite au lieu d'une courbe en forme de S étiré. Grâce à une telle représentation, on peut juger si un sédiment a été remanié ou non, s'il résulte d'un mélange de plusieurs phases granulométriques, déposées suivant différents processus de transport (traction, saltation, suspension), etc.
Figure V.1: courbes granulométriques d'un gravier. A: histogramme et courbe de fréquence; B: diagramme et courbe cumulative; C: diagramme cumulatif à ordonnée de probabilité.
La Figure V.2 montre une série de courbes granulométriques représentant différents types de dépôts.
Figure V.2: courbes granulométriques cumulatives de quelques sédiments. A: gravier fluviatile; B: gravier de la Fig. 7; C: sable marin côtier; D: sable fluviatile; E: loess; F: argile à blocaux.
Pour caractériser ces courbes et pour les comparer les unes aux autres, on peut utiliser des paramètres statistiques et notamment:
la tendance centrale de la distribution granulométrique peut être définie par le grain médian (Md). Il correspond au diamètre lu en abcisse sur la courbe cumulative, en regard de l'ordonnée 50% des fréquences pondérales cumulées. C'est donc le grain tel que 50% en poids du sédiment étudié est plus gros et 50% plus petit. On estime que le grain médian est une mesure de la dépense moyenne d'énergie développée par l'agent de transport;
la dispersion des valeurs de la distribution autour de la tendance centrale traduit le bon ou le mauvais classement du sédiment: elle exprime la constance ou l'irrégularité du niveau énergétique de l'agent de transport. Cette mesure est donnée, notamment, par le coéfficient de classement de Trask: So = Q3/Q1)1/2 où Q1 représente le premier quartile de la distribution (c-à-d. la valeur de D correspondant à l'ordonnée 75% des fréquences cumulées) et Q3 représente le troisième quartile de la distribution (correspondant à l'ordonnée 25%). Dans l'exemple du sable fluviatile de la figure 8, on lit Md= 2,82 mm, Q1= 0,71 mm et Q3= 2,82 mm, d'où So= 1,99. Dans l'échelle proposée par Fuchtbauer (1959), le classement de ce sable est mauvais.
Echelle de Fuchtbauer
-
Degré de classement
|
So = Q3/Q1)1/2
|
très bon
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<1,23
|
bon
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1,23 à 1,41
|
moyen
|
1,41 à 1,74
|
mauvais
|
1,74 à 2,00
|
très mauvais
|
>2,00
|
Tableau V.1: évaluation du degré de classement d'un sédiment suivant l'échelle de Fuchtbauer (1959).
Pour décrire et caractériser les courbes granulométriques, les sédimentologues utilisent souvent des paramètres graphiques construits à partir de certains percentiles. Il existe un grand nombre de ces paramètres (presqu'autant que de sédimentologues). Voici ceux définis par Inman en 1952 et qui ont au moins le mérite d'avoir résisté au temps. Les valeurs indicatives choisies sont les diamètres correspondant aux fréquences pondérales de 5, 16, 50, 84 et 95 % que l'on note f5, f16, etc. Les paramètres de Inman sont calculés de la façon suivante:
- médiane: Mdf= f50;
- moyenne: xf= 1/2(f16+f84);
- écart-type: sf= 1/2(f84-f16);
- asymétrie: A1f= (xf-Mdf)/sf A2f= (f5+f95-2Mdf)/2sf;
(l'asymétrie -skewness- d'une distribution traduit un meilleur/moins bon classement des particules fines par rapport à celui des grosses particules. Le premier coéfficient A1f concerne la partie centrale de la distribution, tandis que le second A2f considère plus spécialement les queues de la distribution, c-à-d. les fractions les plus fines et les plus grossières de celle-ci);
- acuité: B= (f95-f5-2sf)/2sf;
(l'acuité -curtosis- d'une distribution traduit un meilleur/moins bon classement des particules de la médiane par rapport au classement des queues de la distribution).
En conclusion, on peut dire que les analyses granulométriques sont de bons descripteurs des sédiments meubles, mais l'utilisation des résultats pour reconstituer la nature des agents de transport et de dépôt, le type de source s'est jusqu'à présent soldée par des semi-échecs: pourquoi?
(1) D'autres facteurs que la granulométrie conditionnent le transport et le dépôt des grains: la densité (quartz par rapport aux minéraux lourds, par exemple) et la forme des grains (sphériques, anguleux, allongés... souvent directement liée à la minéralogie) ont une influence déterminante.
(2) L'analyse des distributions granulométriques est basée sur le postulat que les agents de dépôt agissent sur des populations de grains de type log-normale, ce qui n'est pas forcément le cas.
L'analyse morphoscopique: pour compléter l'analyse granulométrique, on peut étudier la forme des grains en envisageant le degré de sphéricité, le degré d'émoussé (voir fascicule TP) ainsi que l'aspect des surfaces: grains impressionnés, grains non usés, ronds mats, émoussés luisants, etc. Ces études cherchent à préciser la nature de l'agent de transport. Il faut cependant faire la part des caractères déjà acquis par des grains qui peuvent être recyclés plusieurs fois.
2.3. Le granoclassement
Un caractère important (et facile à observer) des sédiments est la présence éventuelle de granoclassement ("graded bedding"). On distingue le granoclassement normal ("fining upwards") où les sédiments deviennent de plus en plus fins vers le haut et le granoclassement inverse ("coarsening upwards") où les sédiments sont de plus en plus grossiers vers le haut. Ces phénomènes sont évidemment liés à la diminution (l'augmentation) progressive de la compétence de l'agent de transport. Ils sont fréquents et bien développés dans les turbidites et dans les dépôts de fin de crue. A l'échelle millimétrique, on les observe aussi dans certains types de rythmites et de laminites (voir ci-dessous).
3. LES STRUCTURES SEDIMENTAIRES
3.1. Introduction
Les structures ou figures sédimentaires constituent un important indicateur des conditions de transport et de dépôt des sédiments. Leur interprétation est facilitée d'une part par l'étude de la nature actuelle et d'autre part par l'expérimentation en laboratoire. Certaines structures sédimentaires sont caractéristiques d'un environnement bien particulier (glaciaire, désertique,...) mais la plupart sont communes à plusieurs milieux de dépôt et nécessitent l'utilisation de critères complémentaires pour l'interprétation des paléoenvironnements (autres figures sédimentaires, fossiles, contexte général).
Plusieurs types de classification des structures sédimentaires ont été suggérés. Relevons surtout les classifications basées sur la position des figures dans les sédiments (au mur, au toit ou dans la couche sédimentaire), sur leur genèse (formées par des courants, des organismes, etc) et sur leur époque de formation (avant, pendant ou après le dépôt de la couche sédimentaire). De fait, la plupart des structures sédimentaires peuvent être réparties entre structures pré-, syn- et post-dépôt.
Les structures pré-sédimentaires sont observées à la surface supérieure des bancs constitués auparavant (et à la surface inférieure des nouveaux bancs sous la forme de contre-empreintes) avant le dépôt de nouveaux sédiments. Elles sont à rapporter le plus souvent à des processus d'érosion. Exemple: traces de glissement d'objets sur le fond. Beaucoup de ces structures fournissent des indications sur la direction et le sens des courants.
Les structures synsédimentaires se forment au cours du dépôt des sédiments et témoignent de la vitesse, nature, sens, direction des agents de transport. Un bon exemple est la stratification entrecroisée. La bioturbation, due aux agents biologiques, est généralement contemporaine ou légèrement postérieure au dépôt des sédiments. On la retrouvera généralement associée aux phénomènes syn-dépôt.
Les structures post-sédimentaires se développent dans le sédiment après son dépôt. On relève les réarrangements hydrostatiques (figures de charge), les structures dues aux déplacements latéraux de masses de sédiments (slumps), les structures de dessiccation, les structures dues à la pédogenèse, etc. Le cas particulier des figures diagénétiques fait intervenir des processus liés à la modification physico-chimique des sédiments dans les conditions de pression et température de subsurface.
Enfin, il faut rappeler que certaines structures sédimentaires servent, dans les séries plissées, à déterminer la polarité des couches (voir cours de cartographie).
3.2. Description et genèse de quelques structures sédimentaires
Le but de ce paragraphe est de décrire, figurer et interpréter les figures sédimentaires les plus susceptibles d'être observées dans les dépôts, principalement détritiques. Interpréter signifie que par analogie avec des observations réalisées dans la nature actuelle, on essaie de faire correspondre un type d'environnement à une gamme de figures sédimentaires.
3.2.1. Figures formées par érosion à la face supérieure des bancs
Les "flute casts" (Fig. V.4) sont formés par affouillement du fond par les courants (vortex). Ils sont reconnaissables par leur forme oblongue, allongée ou triangulaire dont la "queue" indique le sens du courant. En section, ils sont asymétriques avec la partie la plus profonde pointant vers l'amont. Ce sont donc d'excellents indicateurs des paléocourants. Ils sont souvent accompagnés d'autres figures comme les tool marks et les groove marks (voir ci-dessous). On les observe souvent à la base des turbidites et également dans certains chenaux fluviatiles.
Flute casts dans un grès fin de la Formation de Pepinster, Emsien, Colonster. La flèche indique le sens du courant. Les flutes apparaissent en moulage à la base du banc surincombant.
Les figures en croissant ("crescent marks") (Fig. V.4) prennent naissance lorsqu'un objet posé sur le fond provoque une déflexion des lignes de courant. Il en résulte une érosion à l'avant de l'objet et un dépôt à l'arrière. La forme de la figure est contrôlée par la géométrie de l'objet. Cette figure est très fréquente en milieu littoral.
Figure en croissant formée autour d'un fragment de tourbe; la flèche indique le sens du courant. Verdronken Land van Saeftingen.
A beaucoup plus grande échelle, on peut rapprocher les tombolos, forme d'accumlulation littorale, des figures en croissant. Les tombolos se développent en arrière d'îlots rocheux à la faveur de zones plus calmes (Fig. V.3).
Figure V.3. A: développement d'un tombolo par accumulation de sédiments en arrière d'un îlot rocheux. B: tombolo de gravier derrière l'Ilot Saint-Michel, Bretagne.
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