ANNEXE SCIENTIFIQUE – Roches et environnements sédimentaires
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1. La zonation des environnements marins
 
Il existe différentes subdivisions verticales et horizontales des environnements marins basées sur des critères biologiques, océanographiques ou géologiques.

On distingue tout d’abord:
- les environnements marins benthiques correspondant aux fonds marins ;
- les environnements marins pélagiques correspondant à la masse d’eau.

La topographie des fonds marins (fig.1) permet de différencier :
- le domaine marin profond situé au delà de la bordure de plate-forme et englobant le talus continental, le bassin et les rides médio-océaniques ; le domaine pélagique associé est qualifié de zone pélagique océanique ;
- le domaine marin peu profond correspondant au plateau continental (ou plate-forme) ; le domaine pélagique néritique constitue la masse d’eau sus-jacente.




Fig.1: Les environnements marins de dépôts (d'ap. Flügel 2004)

 

Une zonation verticale plus précise prend en compte un certain nombre de facteurs contrôlant la répartition des organismes et/ou la composition et la texture des sédiments :

- la hauteur des marées (contrôlant la distribution des organismes) ;
- la lumière (contrôlant la répartition des organismes photosynthétiques) ;
- l’action des vagues, des courants et des tempêtes (contrôlant les phénomènes d’abrasion, de tri et de cimentation des sédiments) ;
- l’oxygénation de l’eau (limitant la vie dans et sur le fond marin) ;
- la température de l’eau (thermocline limitant la production de carbonates) ;
- la salinité de l’eau (pycnocline limitant la distribution des organismes).

Ainsi la répartition des interfaces définies par ces facteurs permet de proposer une subdivision bathymétrique (= en fonction de la profondeur) des environnements marins benthiques utilisée en sédimentologie (fig.2 et 3) :



 

- La zone supratidale (ou supralittorale) est la zone des embruns située au-dessus de la limite supérieure des marées (limite de haute mer). Cette zone n’est envahie par la mer qu’à l’occasion des marées de vives eaux ou des tempêtes. Selon le climat, dans cette zone se développent des marais côtiers à salinité variable. En climat aride ou semi-aride, des évaporites peuvent se former dans des marais sursalés appelés sabkhas (ou sebkhas). La rencontre d’eaux douces d’origine continentale et d’eaux salées d’origine marine fait également de la zone supratidale, un milieu favorable à la diagénèse précoce. L’extension horizontale de cette zone dépend du relief et de la déclivité de la côte : cet espace correspond à l’arrière-plage ou backshore des anglo-saxons.

- La zone intertidale (ou littorale ou eulittorale) est située dans la zone de balancement des marées. Du fait de sa situation entre continent et océan, cette zone présente des conditions de milieux très variées : eaux saumâtres ou sursalées entrecoupées de criques subtidales. L’alternance émersion-immersion impose également, aux organismes vivants spécialement adaptés, des conditions de vie très difficiles : variations de température, de salinité, de pH, d’insolation, etc. Les conditions climatiques influent également sur la mise en place de milieux caractéristiques de cette zone : plages, chenaux de marées, levées, mangroves… Ces différents milieux sont à l’origine d’une diversité biologique, sédimentologique et diagénétique dont les éléments (ex. : tapis algaires, beach rocks ou grès de plage) constituent de bons marqueurs paléoenvironnementaux dans les séries anciennes. L’étendue spatiale de cette zone définit la plage et l’estran ou foreshore.

- La zone subtidale (ou sublittorale ou circalittorale) s’étend depuis la limite inférieure de basse mer jusqu’à la limite inférieure de la zone photique (= limite de pénétration de la lumière), ce qui correspond généralement à la bordure et la rupture de pente du plateau continental, soit une profondeur comprise entre quelques dizaines de mètres et une ou deux centaines de mètres. Cette zone regroupe aussi bien des milieux de haute énergie (environnements peu profonds subissant l’action des vagues et des courants) que des milieux calmes. Des subdivisions plus fines de la zone subtidale reposent à la fois sur la distribution et la composition des communautés d’organismes benthiques et sur la limite d’action des vagues.
Ainsi le milieu situé entre la limite de basse mer et la limite inférieure d’action des vagues de beau temps (= LAVBT) et soumis à une agitation permanente des eaux, constitue l’avant-plage ou shoreface.

Plus au large et plus profonde, la zone située en-dessous de la limite inférieure d’action des vagues de beau temps et au-dessus de la limite inférieure d’action des vagues de tempêtes (= LAVT) définit l’offshore supérieur.

L’offshore inférieur est le domaine situé sous la limite inférieure d’action des vagues de tempêtes et la limite de la zone photique ; il est le siège d’une sédimentation en eaux calmes.

Lorsqu’une barrière ou un vaste lagon protègent une partie de la plate-forme des vagues du large, les zones supratidale, intertidale et subtidale peu profonde deviennent le siège d’une sédimentation en eaux calmes à l’origine de dépôts particuliers formés sous l’influence des courants de marées (= tidal flats). Cette vaste zone est alors appelée zone péritidale.

En dessous de la zone subtidale et de la limite de la zone photique débute la zone bathyale jusqu’au pied du talus continental. La zone abyssale correspond aux profondeurs des plaines éponymes. La zone hadale débute aux alentours de 5500 mètres de profondeur et correspond aux fosses océaniques.

2. Les environnements marins de dépôts carbonatés

Aujourd'hui comme dans le passé, au cours des temps géologiques, le plateau continental demeure un environnement favorable à une sédimentation carbonatée biogénique.
Cette sédimentation, très dépendante des conditions du milieu, est à l'origine d'une grande diversité de faciès et de microfaciès dont l'analyse permet une reconstitution des environnements et des conditions de dépôts pour les séries anciennes.

On distingue deux principaux types de plate-forme carbonatée:

- La rampe carbonatée est caractérisée par une pente régulière déclinant progressivement, sans rupture de pente ni talus, vers le bassin. Les rampes carbonatées se rencontrent en eaux tempérées à froides, depuis la limite de la zone tropicale jusqu'aux latitudes polaires. La production carbonatée est surtout assurée par des organismes hétérotrophes.

- La plate-forme carbonatée sensu stricto est caractérisée par une bordure marquée par une rupture de pente (= talus). Cette plate-forme peut ou non posséder une barrière récifale. Les plate-formes carbonatées sont caractéristiques des zones tropicales à subtropicales abritant des eaux chaudes. La production carbonatée est principalement le fait d'organismes phototrophes.

La nature et la répartition des faciès et des microfaciès carbonatés ont permis à Wilson de proposer des modèles d'environnements de dépôts correspondant à chaque type de plate-forme.

2.1. Zonation et description des faciès de rampe carbonatée (d’après Wilson, 1975)

 



La rampe externe correspond à la zone située sous la limite d’action des vagues de tempêtes (LAVT). La profondeur peut varier de quelques dizaines de mètres à plusieurs centaines de mètres. Cette zone se caractérise par un faible hydrodynamisme dans laquelle se déposent des calcaires fins mêlés à des apports terrigènes. Les dépôts sont lités. Les roches carbonatées montrent une texture mudstone ou wackestone et alternent avec des niveaux marneux ou argileux (RF3). Cette sédimentation peut être interrompue par des intercalations de tempestites (RF3) (minces niveaux grossiers granoclassés). La faune comprend majoritairement des organismes benthiques (foraminifères, éponges, bryozoaires, brachiopodes, mollusques et échinodermes) auxquels peuvent être associées quelques formes nectoniques ou planctoniques. La bioturbation est courante. Les bioconstructions (RF2) à éponges et micro-organismes, lorsqu’elles sont présentes, forment des mud-mounds (= monticules micritiques). La sédimentation pélagique (boues à organismes planctoniques) marque l’entrée dans l’environnement de bassin (RF1).
 
La rampe médiane est située entre la limite d’action des vagues de beau temps (LAVBT) et celle des vagues de tempêtes (LAVT). La profondeur est de quelques dizaines de mètres. Les sédiments sont souvent remaniés par les tempêtes (RF5, RF6) et conservent les traces de ces événements (brèches et intraclastes, structures de type HCS, packstone granoclassés, gouttières de ravinement…). Les bancs sableux (= shoals) oolitiques et bioclastiques à stratifications entrecroisées sont courants (RF5). En dehors des épisodes de tempêtes, l’hydrodynamisme est peu élevé et favorable à une sédimentation fine constituée de boues calcaires ou terrigènes à l’origine de calcaires micritiques ou de marnes. Les bioconstructions (RF4) montrent une communauté bien diversifiée: éponges, bryozoaires, coraux, échinodermes, algues rouges…
 
La rampe interne est la zone limitée par la ligne de rivage et la limite d’action des vagues de beau temps (LAVBT). Le fond marin et les sédiments sont constamment soumis à l’action des vagues. Cette zone est dominée par des bancs sableux oobioclastiques (RF9) ou des récifs barrières (RF7) entre lesquels se forment des dépôts de shoreface (RF8).
En arrière des shoals ou des récifs, dans des environnements peu profonds, se mettent en place des dépôts de lagons ou de plage (beach rocks) voire d’évaporites sous climat aride (RF10 et 11).
Les sédiments caractéristiques correspondent à des bancs calcaires sableux formés en milieu agité, avec prédominance des oolites et différents types de grains squelettiques (foraminifères benthiques, algues calcaires, mollusques, entroques). Les tempêtes peuvent également être à l’origine de la formation de grainstone / packstone de plage bien triés à stratification plane pouvant évoluer en dunes éoliennes. En milieu abrité (lagon), des mudstones et wackestones à peloïdes se mettent en place. Les bioconstructions correspondent à des récifs de type biostrome ou patch-reef (RF7) à faune peu diversifiée (coraux, rudistes ou huîtres).


2.2. Zonation des faciès standards de plate-forme carbonatée (d’ap. Wilson, 1975)

 



ZFS 1 - Bassin de mer profonde
Zone située en dessous de la limite d’action des vagues de tempêtes et de la zone euphotique. La profondeur varie de quelques centaines de mètres à plusieurs milliers. Les dépôts sont constitués de boues pélagiques argileuses, siliceuses ou carbonatées (mudstones et wackestones). Les organismes sont essentiellement planctoniques (ex. foraminifères, radiolaires, calpionelles…) ou nectoniques (ex. ammonites).

ZFS 2 - Plate-forme profonde
Zone éclairée située sous la limite d’action des vagues de tempêtes. La profondeur est comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de mètres. Les alternances calcaires wackestones-marnes (souvent très fossilifères) caractérisent la sédimentation. La bioturbation est fréquente. Les organismes benthiques (endobiontes et épibiontes) sont dominants (ex. brachiopodes, échinodermes…).

ZFS3 – Base de talus
Zone située sous la limite d’action des vagues de tempêtes. C’est le lieu de formation des turbidites résultant d’écoulements gravitaires de matériaux provenant de la bordure de plate-forme, le long de la pente. Ces dépôts granoclassés s’intercalent dans les sédiments pélagiques (mudstones) contenant des organismes planctoniques ou benthiques profonds.

ZFS 4 – Talus
Dépôts de pente constitués de matériaux hétérogènes remaniés provenant de la plate-forme. Des figures sédimentaires de glissement affectant les boues carbonatées (= slumping) sont fréquents et traduisent l’instabilité gravitaire des dépôts le long de la pente.

ZFS 5 – Récif
Zone correspondant à la bordure de plate-forme où s’intallent des organismes bioconstructeurs (coraux) à l’origine d’une barrière récifale. La profondeur, située au-dessus de la zone d’action des vagues de tempêtes, est généralement de quelques mètres mais peut atteindre quelques centaines de mètres. Les récifs forment des masses de grandes dimensions et l’espace entre ou à l’intérieur des constructions sont comblées par des sédiments carbonatées très purs. La texture boundstone caractérise les bioconstructions alors que les sédiments périrécifaux sont de type wackestone, floatstone, rudstone ou grainstone.

ZFS6 – Shoals sableux de bordure de plate-forme
Cette zone, située au-dessus de la limite d’action des vagues de beau temps, correspond à un milieu de haute énergie. Elle est caractérisée par la formation de barres sableuses sous-marines sous l’action des courants de marée. Les sédiments sableux carbonatés (grainstones et packstones), bien triés, sont constitués d’ooides, de grains squelettiques (bioclastes) ou de peloides. Les litages entrecroisés sont fréquents.
 
ZFS7 – Plate-forme interne
Surface plane du toit de la plate-forme normalement située au-dessus de la limite d’action des vagues de beau temps (profondeur de quelques mètres à quelques dizaines de mètres). Cette zone est appelée lagon lorsqu’elle est efficacement protégée par des shoals sableux ou un récif. Les connections avec le milieu marin plus ouvert sont régulières et permettent d’assurer une salinité constante. Les dépôts sont généralement constitués de boues calcaires (mudstones et wackestones) subissant l’action des vagues. Les organismes sont benthiques (algues, foraminifères, bivalves et gastropodes).

ZFS8 – Plate-forme interne restreinte
Mêmes faciès que ceux de la ZFS7 mais les communications avec le milieu marin ouvert ne sont qu’occasionnelles et induisent de fortes variations de salinité et de température. La profondeur n’excède pas quelques mètres en général. Les apports terrigènes sont fréquents et la cimentation diagénétique affecte précocement les boues calcaires et dolomitiques qui se forment habituellement dans cette zone. Les organismes de milieu peu profond sont peu diversifiés mais forment des populations à nombre d’individus très important : milioles (foraminifères), ostracodes, gastropodes, stromatolithes.

ZFS 9 – Sabkha évaporitique et milieu côtier saumâtre
Cette zone est située dans la zone de balancement des marées. Sous climat aride, l’évaporation crée des conditions favorables à la formation d’évaporites.
Sous climat humide, le milieu est envahi par les eaux saumâtres où se forment des calcaires tantôt marin tantôt d’eau douce. Les organismes sont adaptés aux eaux douces ou saumâtres (algues characées, ostracodes, escargot d’eau douce).

Description des microfaciès carbonatés standards (d’ap. Wilson, 1975)

MFS1: mudstones ou wackestones silteux ou argileux riches en matière organique et/ spicules d'éponges.

MFS2: packstones et grainstones microbioclastiques à péloïdes.

MFS3: mudstones et wackestones à microfossiles pélagiques (globigérines, calpionnelles…).

MFS4: microbrèche ou packstones-rudstones à lithoclastes et bioclastes associés à des grains siliceux.

MFS5: grainstones, packstones ou floatstones bréchiques, riches en débris récifaux allochtones, matrice à structures géopètes.

MFS6: rudstones à éléments récifaux de grande taille, peu de matrice.

MFS7: boundstones, bioconstructions avec organismes en position de vie.

MFS8: wackestones et floatstones avec fossiles entiers bien conservés (endo- et épibiontes).

MFS9: wackestones bioclastiques bioturbés avec bioclastes parfois micritisés.

MFS10: packstones et wackestones avec bioclastes roulés et encroûtés.

MFS11: grainstones à bioclastes encroûtés.

MFS12: grainstones, packstones, rudstones bioclastiques (lumachelles), avec prédominance de certains organismes (crinoïdes, bivalves, algues dasycladales,...).

MFS13: grainstones et rudstones à oncoïdes et bioclastes.

MFS14: dépôts grossiers à grains roulés et encroûtés, parfois mêlés à des oolithes et des péloïdes, voire des lithoclastes (« lag deposits »); présence possible de phosphates, oxydes de fer.

MFS15: grainstones à oolithes, avec stratification entrecroisée.

MFS16: grainstones à péloïdes dominants et quelques bioclastes (ostracodes, foraminifères benthiques,...).

MFS17: grainstones à grains agrégés (grapestones) avec quelques péloïdes, et grains encroûtés.

MFS18: grainstones et packstones à foraminifères benthiques ou algues vertes (dasycladales) très abondants.

MFS19: mudstones, wackestones laminaires (bindstones) à péloïdes et fenestrae, passant à des grainstones à péloïdes; ostracodes, quelques foraminifères benthiques, gastéropodes et algues.

MFS20 et 21: mudstones à stromatolithes et packstones à fenestrae.

MFS22: floatstones, wackestones à oncoïdes.

MFS23: mudstones homogènes, non laminés sans fossiles; évaporites possibles.

MFS24: packstones, wackestones, floatstones ou rudstones bréchiques non fossilifères à lithoclastes micritiques.


Bibliographie et sitographie

FLÜGEL E. (2004) - Microfacies of carbonate rocks - Analysis, interpretation and application. Springer ed., 976 p.

TUCKER M. & WRIGHT P. (1990) - Carbonate sedimentology. Blackwell Scientific Publication - Oxford.

Cours de Fred Boulvain Université de Liège (Belgique)
http://www2.ulg.ac.be/geolsed/sedim/sedimentologie.htm

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Auteurs : Didier ZANY - Philippe MARTIN
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Contact : Roger CHALOT (Géologie) - Christophe MARCINIAK (Réalisation)