2.1.2. PROCESSUS CHIMIQUES
Les processus chimiques affectent les composants des roches sédimentaires tout au long de leur histoire, depuis leur mobilisation à partir de la roche mère jusqu'aux dernières phases de diagenèse. Cependant, c'est au cours de l'altération de la roche mère et de la diagenèse que ces processus auront l'impact le plus marquant. Les procédés qui entrent en jeux conduisent soit à une disparition apparente de matière (dissolution), soit à de la création apparente de matière (précipitation) auxquels s'ajoutent les phénomènes de transformation. Le milieu dans lequel se produisent ces processus est essentiellement aqueux. L'équilibre entre ces différents processus est variable, et l'évolution peut s'inverser si les conditions physico-chimiques du milieu changent. Nous allons examiner ces procédés en détail.
L'altération
C'est une mise en solution dans l'eau ou hydrolyse. L'eau d'imbibition est en contact étroit avec les faces cristallines des éléments constitutifs des roches ou du sédiment. C'est au niveau de ces faces cristallines que vont s'effectuer les réactions physico-chimiques de l'hydrolyse.
La molécule d'eau est considérée comme un dipôle : positif à une extrémité, négatif à l'autre. A la surface des minéraux, certaines molécules sont en partie brisées et libèrent un certain nombre de valences. Ces valences attirent les dipôles d'eau qui vont pouvoir arracher des ions à la charpente cristalline. Cette extraction dépend du potentiel ionique e/r des ions. e/r est le rapport entre la charge e et le rayon ionique r. Dans des conditions de pH et de température normales, la force d'arrachage et donc la solubilité des ions dépend, avant tout, du potentiel ionique. Le diagramme de Goldschmidt représenté ci-dessous permet de distinguer trois domaines :
Le domaine (I) des cations solubles ou cations basiques [e/r < 3] comprend les cations dont la faible charge permet l'attraction des dipôles d'eau et le maintien de la liaison une fois l'extraction faite : ces cations passent facilement en solution dans l'eau et le reste, ils sont dits « ions migrateurs ». Ces cations comprennent, entre autre, le sodium (Na), le calcium (Ca) et le magnésium (Mg). Le premier se retrouve dans l'eau de mer puis dans le sel gemme des roches évaporitiques, les deux autres sont des constituants essentiels des roches sédimentaires carbonatées. Une particularité pour le potassium (K) qui appartient à la catégorie des cations antistockes. Ce cation qui se caractérise par sa très faible charge, entre facilement dans des structures minérales variées et sont beaucoup moins mobiles et altérables que les autres. C'est pour cette raison que les feldspaths potassiques (orthose) sont moins altérables que les plagioclases.
Le domaine (II) des cations précipitants ou hydrolysats [3 < e/r < 10]. Les cations de ce domaine (Fe, Al, Si pour les plus communs) ont une forte charge, ils sont plus attractifs vis-à-vis du dipôle mais il y une rupture d'une liaison O—H et donc tendance à la covalence de l'autre liaison O—H avec formation d'un hydroxyde :
Dans les conditions naturelles de pH, les hydroxydes d'alumine, de fer et de silicium Fe(OH)3, Al(OH)3, Si(OH)4, sont peu solubles et précipitent rapidement après leur extraction. L'hydrolyse de ces cations est d'autant plus importante que le climat est chaud et humide. La précipitation des hydroxydes peu solubles et peu transportables est à l'origine des formations résiduelles riches en fer, alumine et silice (type latérites, cuirasses et alios...) et des concentrations métallifères tel que la bauxite.
Le domaine (III) des oxyanions solubles [e/r >10] comprend des cations (P, S, C pour les plus communs) à très fort potentiel ionique. Ce dernier exerce une très forte attraction sur les liaisons O—H et provoque la rupture des deux liaisons du dipôle avec libération de 2H+ :
On obtient la formation d'un oxyanion soluble comme CO3--, SO4--, PO4--.
Dans les conditions naturelles de pH, les oxyanions sont acides et très solubles, ils migrent dans la phase aqueuse avec les cations basiques du domaine (I) et se retrouvent en solution, plus loin, dans le bassin sédimentaire. Ils peuvent alors éventuellement précipiter sous forme de carbonates (calcaire, dolomie), de sulfate (gypse) ou de phosphate.
Si on résume les processus de dégradation chimique, on a constaté que trois types de produit d'altération peuvent se retrouver en solution avec des devenirs variables :
- les ions très peu solubles (Fe, Al, Si) précipitent très rapidement, parfois sur place, pour donner des hydrolysats qui peuvent s'organiser en argile. La silice peut être transportée sous forme de SiO2 colloïdal et intervenir dans la diagenèse.
- Les ions solubles (Ca, Mg) peuvent précipiter en fonction de la teneur en CO2 dissous et de la température du milieu. Cette précipitation donnera les carbonates et notamment les ciments carbonatés au moment de la diagenèse.
- Les ions très solubles (Na, K) ne peuvent précipiter que dans des solutions saturées ou sursaturées en milieu évaporitique.
La diagenèse
Elle correspond aux transformations physiques, chimiques et biochimiques que subit le sédiment, après son dépôt, pour le conduire à une roche consolidée. La diagenèse comprend trois procédés qui peuvent agir conjointement ou séparément. Ce sont la compaction, la cimentation, les transformations minérales.
La compaction
Elle correspond à un tassement du sédiment sous l'effet de son propre poids. Elle s'accompagne d'une diminution du volume (qui peut aller de 20 à 90 % du volume initial) qui se marque par une diminution des espaces libres (pores). On constate souvent une évacuation de l'eau interstitielle. On constate aussi parfois, une compression qui agit sur les grains, notamment de quartz, entraînant des phénomènes complexes d'interpénétration et de pression dissolution qui participent à la cimentation de ces grains.
La cimentation
Elle correspond à la précipitation à partir des ions présents en solution dans les fluides qui circulent entre les grains. Cette précipitation s'effectue dans les espaces libres en colmatant progressivement ces espaces : pores, espaces intergranulaires, vacuoles, fractures etc..., c'est une poronécrose. Les ciments les plus fréquents sont les carbonates, la silice (quartz), le fer, les argiles. La cimentation n'est pas un phénomène irréversible, il peut se produire le phénomène inverse : la dissolution avec création d'espaces libres = porogenèse. Les ions passés en solution peuvent être éliminés par la percolation des eaux (lessivage), transportés plus loin, ou bien précipiter à nouveau à proximité. Les exemples sont nombreux : dissolution d'éléments figurés carbonatés puis précipitation de la calcite sous forme de ciment ; altération des feldspaths et/ou des micas suivi d'une cimentation par la silice libérée ou bien par le fer libéré ou bien synthèse d'argile par l'aluminium et la silice libérés.
Les transformations
Des réactions chimiques produites au sein du sédiment conduisent à modifier la nature des éléments minéraux. Plusieurs types de phénomènes interviennent, ils seront détaillés plus loin avec l'étude des microfaciès.
- L'épigenèse est le remplacement d'un minéral par un autre, molécule à molécule. La transformation est lente, elle gagne progressivement tout l'élément affecté. Elle conserve fréquemment la morphologie de ces éléments (exemple : silicification de fragments de végétaux, pyritisation de fossiles). C'est un phénomène qui est limité et qui s'étudie surtout en microfaciès. L'apparition d'un nouveau minéral dans un sédiment ou une roche est appelée authigenèse, elle donne un nouveau minéral qui est dit authigène ou néoformé. Il est souvent difficile de distinguer la part qui revient àl'épigenèse de celle de l'authigenèse.
- La pseudomorphose est une épigenèse avec conservation de la structure cristalline ancienne. Exemple: transformation d'une calcite en pyrite qui conserve la forme rhomboédrique d'origine (la pyrite est normalement cubique); fréquent également pour la dolomite transformée en calcite.
- La métasomatose est une substitution à grande échelle d'un minéral en un autre, sans changement de volume. Cette transformation s'observe à plus grande échelle que l'épigenèse, par exemple à celle d'un massif ou d'une formation, le type en est la dolomitisation. En général, une métasomatose se produit à la suite d'apports extérieurs (hydrothermaux ou pneumatolytiques).
- L'épitaxie (ou syntaxie) est la croissance d'un minéral par cristallisation en continuité avec le réseau cristallin d'un élément support. Nous verrons que ce phénomène intervient fréquemment dans la cimentation par « nourrissage » des grains de quartz ou des fragments d'Echinodermes.
L'évolution diagénétique d'une roche est un phénomène relativement lent et variable dans le temps. Cette évolution peut en effet s'inverser si les conditions physicochimiques du milieu changent. Les paramètres intervenant sont principalement : la température, la concentration en ions dissous, le pH. Les molécules entrant en jeux dans la diagenèse sont principalement des carbonates (CaCO3 et Ca,MgCO3) et la silice (SiO2). En général, on constate que l'eau de mer est sursaturée en CaCO3 et l'eau douce en SiO2. On devrait donc avoir précipitation systématique de carbonate dans le milieu marin et de silice en eau douce. Ce n'est pas ce que l'on observe. Ce blocage est principalement dû à la présence de composés organiques ou de phosphates ou de sulfates. Par ailleurs, des travaux expérimentaux ont montré le rôle primordial du pH dans la mise en solution ou la précipitation des carbonates et de la silice. Le diagramme ci-dessous extrait de « Géologie : objets, méthodes et modèles » (DERCOURT et al., 2006) montre qu'il existe des domaines de stabilité pour CaCO3 et SiO2 en fonction des concentrations et du pH.
Le facteur qui fait croître le pH est surtout représenté par l'activité bactérienne et la photosynthèse algaire. Ainsi, les bactéries réductrices des sulfates peuvent faire monter le pH jusqu'à 9.5. On comprend mieux que l'activité des algues, et notamment des Cyanophycées, peut provoquer la précipitation de carbonates et la dissolution de la silice.
Notons que l'intensité de l'hydrolyse augmente rapidement avec l'augmentation de température.
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