Dans le dernier numéro de Wat On Earth, j’ai abordé la classification des roches ignées (ou formées par le feu). Dans ce numéro, je voudrais explorer le sujet des roches sédimentaires. Il s’agit de la deuxième grande famille de roches et elles présentent un intérêt pour l’homme car elles ont fourni de nombreux outils dans le passé et nous offrent aujourd’hui la plupart des ressources agrégées, tout en fournissant (ou en abritant) un grand nombre de nos minéraux énergétiques, ainsi que certains minéraux essentiels d’une importance économique majeure. Les roches sédimentaires sont également importantes car elles abritent le registre fossile de la vie sur la planète Terre.
Comme leur nom l’indique, les roches sédimentaires sont issues de sédiments préexistants. Il y a deux numéros de WAT ON EARTH, j’ai décrit le cycle des roches ; comment les roches sont décomposées à partir de roches encore plus anciennes par la météorisation et l’érosion. Les grains libérés sont portés ou transportés par divers mécanismes jusqu’à un endroit où ils s’accumulent en séquences de sédiments. Il existe de nombreux lieux de repos transitoires, mais en définitive, la plupart des sédiments finissent dans un environnement de dépôt marin. Les roches sédimentaires peuvent donc être composées de grains de différentes tailles, formes et compositions qui ont été cimentés ensemble ou comprimés et recristallisés. Ce sont les roches sédimentaires clastiques. D’autres roches sédimentaires peuvent être formées de dépôts sécrétés par des solutions chimiques (précipités chimiques), ou de dépôts constitués de restes d’organismes morts (animaux et végétaux). Ce dernier groupe forme des roches sédimentaires d’origine largement biologique. La transformation post-dépôt des sédiments en roches sédimentaires est appelée diagenèse, et le résultat final est généralement la lithification, où l’ancien sédiment non consolidé est transformé en roche. Deux processus sont courants : la compaction (où les sédiments sont comprimés et l’eau est chassée des espaces interstitiels entre les grains) et la cimentation. La cimentation est le processus par lequel certains minéraux (par exemple, la calcite, les oxydes de fer et la silice) sont transportés par la percolation des eaux souterraines dans les espaces interstitiels. Là, ils précipitent et finissent par cimenter les grains ensemble.
Comme dans le dernier exemplaire de Wat On Earth, la page centrale de ce numéro est consacrée à une illustration de plusieurs de ces différents types de roches. La page ci-contre illustre plusieurs caractéristiques associées aux roches sédimentaires.
Dans le sens des aiguilles d’une montre autour de la page : en haut à gauche – photographie d’un groupe d’étudiants de Waterloo examinant une section de lits carbonifères à Mullaghmore Head, en Irlande du Nord. La section est constituée d’une alternance de grès, de siltstones et de schistes. Les schistes plus tendres ont été plus facilement érodés tandis que les grès se distinguent comme des lits résistants. En haut à droite, le diagramme illustre la position des roches sédimentaires (2) dans le cycle des roches. Notez qu’il y a un apport de l’espace qui s’ajoute, en particulier, aux sédiments marins. Immédiatement sous le diagramme du cycle des roches se trouve un tableau illustrant la classification de Wentworth en termes de taille des grains et la façon dont les sédiments forment différentes roches sédimentaires clastiques. Comparez ce diagramme avec les deux premières colonnes (Sédiments et Roches) qui constituent la partie « Roches clastiques » du tableau central. Le troisième diagramme, le plus bas, illustre certaines des roches sédimentaires les plus importantes qui sont d’origine chimique ou biologique. La plupart d’entre elles sont également illustrées sur la page centrale. La photographie du bas illustre l’Arche Délicate dans le Monument National des Arches dans l’Utah. Cette structure de 26 m de haut sur 20 m de large est constituée de grès d’Entrada datant du Jurassique supérieur. L’élément a été produit par l’érosion des « ailettes » du substrat rocheux local qui ont été découpées par l’action du vent et du gel. Immédiatement au-dessus se trouve une vue de la gorge du Niagara, où l’eau du lac Érié tombe sur le bord de la dolomie silurienne de Lockport, sur l’escarpement du Niagara. Chacune des photographies illustre la géomorphologie associée à des formations sédimentaires d’âges divers.
Page centrale pliée : La compréhension des roches sédimentaires est assez simple puisqu’elles se rapportent à des matériaux que nous voyons au quotidien. En haut, une vue panoramique sur l’une des expositions les plus spectaculaires de roches sédimentaires au monde, dans les niveaux supérieurs du Grand Canyon. Pratiquement toutes les roches que vous pouvez voir sont des grès, des calcaires et des schistes horizontaux déposés pendant environ 250 millions d’années dans les mers de l’ère paléozoïque. Ces mêmes mers étaient occupées ailleurs par les trilobites géants illustrés dans un autre article de ce numéro.
En descendant plus bas sur la page centrale, j’ai essayé d’illustrer la plupart des types de roches communes. Quelques-uns sont plus « exotiques » mais ils sont aussi importants. Le tableau est divisé en trois sections qui concernent les roches sédimentaires clastiques, précipitées chimiquement et biologiques. Le bloc de gauche est constitué d’une double colonne. La première colonne illustre des exemples du type de sédiment (reportez-vous au diagramme 2 de la page précédente), et la deuxième colonne leur équivalent lithifié. Les clastes anguleux (fragments de roche) sont généralement issus de l’éclatement du gel. Les fragments n’ont pas voyagé loin et sont généralement déplacés par gravité, tombant des montagnes pour s’accumuler sous forme d’éboulis ou de cônes d’éboulis au bas des pentes. Leurs homologues se trouvent dans le type de roche connu sous le nom de brèche. Lorsque les agents de l’érosion interviennent et que le transport a lieu, en particulier par l’eau, les clastes angulaires sont abrasés et forment des blocs ou des galets arrondis. L’équivalent rocheux est appelé conglomérat. Le transport sur de longues distances réduit progressivement la taille des clastes en passant des granules aux particules de la taille du sable. L’équivalent rocheux est le grès. Ceux-ci sont fréquemment cimentés par différents minéraux, calcite, oxydes de fer ou silice. Le grès acquiert alors un descripteur secondaire, tel que « grès calcaire », ou « grès ferrugineux ». Un grès est normalement constitué de grains de silice. Lorsque ces grains sont cimentés par de la silice, un nom différent est donné – quartzite (voir l’image à droite du grès). Un type de roche qui n’est pas illustré est l’arkose – un grès dont plus de 25 % de la roche est constituée de feldspath. Ces roches sont généralement formées dans des environnements montagnards, relativement secs. Sèches, car les clastes ne se sont pas trop détériorés (dans des conditions chaudes et humides, le feldspath est souvent facilement altéré). La nature angulaire des grains indique que le transport n’a pas été si important.
Cependant, si le sédiment continue à être transporté, la taille des grains est encore réduite et il se forme du limon. La taille des particules atteint maintenant le point où elles peuvent facilement être transportées par le vent aussi bien que par l’eau. Les sédiments transportés par le vent qui s’accumulent sous forme de loess entrent dans cette catégorie. Le type de roche connu sous le nom de siltstone, est formé de quartz très fin, de mica et d’autres minéraux divers, et est l’équivalent lithifié du limon. Enfin, la fraction la plus fine de la gamme de tailles clastiques est l’argile. Ces fragments sont si minuscules qu’ils restent longtemps en suspension et ne se déposent généralement qu’après s’être agglomérés pour former de plus grosses particules. Lorsqu’ils s’accumulent, le type de roche lithifiée est appelé schiste. Les équivalents hautement organiques peuvent former des schistes très noirs avec des odeurs distinctives « huileuses » ou « pétrolifères », car ils sont très riches en carbone et en composés aromatiques. Ils forment des schistes fossilifères et des « schistes bitumineux », qui pourraient être de futures sources de pétrole.
Le deuxième bloc à double colonne illustre les roches qui sont formées par des dépôts chimiques. De telles roches sont formées lorsque des matériaux sont transportés en solution à l’endroit, le plus souvent un bassin marin ou un lac dans une zone désertique, où l’eau s’évapore. Les solutions de certains ions sont précipitées et forment des roches riches en calcium, magnésium, silice, sodium et (plus anciennement) en fer. Certains de ces éléments sont illustrés, en commençant par les précipités riches en calcium. Les calcaires en sont un exemple important. Tous les calcaires s’effritent facilement lorsqu’on applique de l’acide chlorhydrique dilué (solution à 10 %), car l’acide réagit avec le carbonate de calcium. L’exemple illustré est un calcaire gris à grain fin traversé par des veines blanches de calcite. Dans les eaux tropicales chaudes, le calcium abondant en solution dans l’eau de mer soumise à de forts mouvements de courant peut être précipité autour de minuscules fragments de coquilles. Ceux-ci peuvent former des calcaires oolithiques, lorsque des petits grains de carbonate de calcium ont des couches de calcite déposées de façon concentrique autour d’un noyau.
La dolomie, une roche composée de calcium et de magnésium, est étroitement liée au calcaire généralement avec le magnésium de l’eau de mer remplaçant une grande partie du contenu original en calcium d’un calcaire préexistant. La réaction acide est plus lente. On peut voir des dolomies près de Waterloo dans certaines séquences rocheuses le long de l’affleurement de l’escarpement du Niagara. Le travertin et le tuf (réaction acide forte) sont des roches chimiquement précipitées formées de carbonate de calcium. Le travertin est généralement dense et bandé, tandis que le tuf est plus spongieux. Le travertin (sous forme de spéléothèmes) est le plus fréquemment observé dans les dépôts de grottes, en particulier dans les formations spectaculaires connues sous le nom de dripstone, flowstone, stalactites, stalagmites, hélictites et colonnes.
Au sein des calcaires et des dolomies, on peut fréquemment voir des couches ou des nodules composés de silice. Ce sont des couches de chert, ou, dans le cas de la craie, de silex. Les silex sont utilisés depuis le paléolithique, avec des sites de production de masse bien connus pour les pointes de lance, les racloirs, les pointes de flèche et les trousses à outils décrits dans la littérature archéologique de l’est de l’Angleterre. Ils étaient également utilisés jusqu’à récemment dans les armes à feu (fusils à silex) et dans la construction de bâtiments où ce type de roche est courant. Les cherts provenant des lits de calcaire et de dolomie le long de l’escarpement du Niagara étaient utilisés par les chasseurs paléo-indiens de caribous, de mastodontes et de mammouths dans le sud-ouest de l’Ontario. Les silex et les cherts sont généralement de couleur grise (bien qu’ils puissent être presque blancs, chamois, presque noirs ou même rouges) et se fendent avec une fracture régulière ou légèrement conchoïdale. La seule chose qu’ils ont en commun est qu’ils peuvent être façonnés par des fabricants d’outils habiles et conserveront un bord incroyablement tranchant pendant une longue période.
Le gypse est un précipité chimique (sulfate de calcium hydraté) que l’on trouve fréquemment dans les lits de marne, un type de roche riche en calcium et à dominante argileuse. Les lits de marnes contenant du gypse et du sel gemme se sont déposés à l’origine dans des zones à forte évaporation qui ont été inondées par des eaux marines. De telles zones sont aujourd’hui visibles le long de certaines parties du golfe Persique subtropical. Le sel gemme (composé presque entièrement de chlorure de sodium) est un minéral économique important. En Ontario, on le trouve autour de Windsor et vers le nord jusqu’à Goderich (voir WAT ON EARTH 14 (2) Spring 2001). On trouve également des gisements de sel dans les provinces maritimes et dans l’ouest du Canada. Les séquences salines de l’Ouest canadien sont dominées par un autre sel économiquement important, de couleur rouge et blanche, riche en potassium, connu sous le nom de Sylvite. Le dernier type de roche illustré dans ce groupe est le grès sédimentaire à bandes rouges et grises, commun dans la région du lac Supérieur. Il y a une vaste littérature associée à ces dépôts (Blatt et al., 1980), mais généralement ils sont d’âge précambrien et habituellement entre 2600 et 1800 millions d’années. Certains sont considérablement plus anciens et quelques petits dépôts sont plus jeunes. Ils sont caractérisés par des bandes minces et épaisses de couches alternées de jaspe (chert rouge) et de fer riche en magnétite et en hématite. D’autres formes de fer peuvent également alterner avec les horizons chertés. Ce sont des roches économiquement importantes et sont la source des principaux gisements de fer des deux côtés de la frontière canado-américaine.
Le troisième bloc d’images comprend des roches sédimentaires communes qui ont une forte composante biologique. Comme je l’ai mentionné lors de la discussion des roches ignées, la nature a horreur d’être « compartimentée » et certaines de ces « boîtes » transgressent les frontières. Cependant, l’eau de mer contient de grandes quantités de carbonate de calcium qui non seulement précipite pour former les roches sédimentaires chimiques mais est également utilisé par les organismes qui construisent des coquilles de carbonate. Lorsqu’ils meurent, les coquilles peuvent constituer d’énormes dépôts de détritus de coquilles qui sont souvent conservés sous forme de « calcaire coquillier ». C’est ce que l’on observe aujourd’hui sous la forme de la coquine (composée presque entièrement de valves complètes ou brisées d’un pélécypode marin d’eau peu profonde, la Coquina). Autrefois, les coquilles n’étaient pas aussi courantes qu’aujourd’hui. L’illustration » Shelly Limestone » montre des brachiopodes dans un dépôt de boue carbonatée du Dévonien de la région d’Arkona, dans le sud-ouest de l’Ontario. Les calcaires crinoïdes (non illustrés), constitués de fragments de tiges de crinoïdes (Echinodermata), forment des bandes de shelly-détritiques dans certaines roches le long de l’escarpement du Niagara. Le corail, constitué des restes d’innombrables billions de polypes sécrétant du carbonate, forme des dépôts massifs aujourd’hui, comme dans la Grande Barrière de Corail, mais aussi dans un passé géologique plus lointain. De nombreuses cibles de forage pour le pétrole et le gaz naturel dans le sud de l’Ontario (et ailleurs) visent de petits récifs de coraux et de communautés d’algues, où la porosité au sein et entre les organismes fossiles a permis l’accumulation de ces minéraux énergétiques. La craie est un calcaire particulièrement pur, et l’acide chlorhydrique dilué appliqué à ce type de roche produit une réaction extrêmement vigoureuse. La craie s’est formée à l’origine sous forme d’exsudat des fonds marins, et a été constituée par les restes de milliards d’organismes foraminifères connus sous le nom de coccolithes. Des images de balayage électronique sont fournies à côté de l’image de la craie, avec l’organisme central, de couleur crème, fournissant un exemple de foraminifère calcaire moderne appelé Globigerina.
Le bloc suivant de quatre images (de la tourbe à l’anthracite) illustre un autre minéral énergétique – le charbon. Le charbon résulte de l’accumulation de végétation dans des conditions anaérobies. Les détritus se forment dans les marais ou les lagunes et créent un lit organique saturé d’eau, la tourbe. Avec le temps et le tassement dû aux sédiments sus-jacents, la tourbe perd de l’eau et d’autres substances volatiles. La teneur en humidité diminue, la teneur en carbone augmente et la tourbe se transforme en lignite ou en charbon. Il s’agit de charbons de faible qualité, souvent riches en soufre, qui ne conviennent pas au transport sur de longues distances et sont sujets à la combustion spontanée. Ils forment les types de charbons que l’on trouve dans le sud-est de la Saskatchewan et une grande partie des charbons de l’Allemagne orientale. Avec un compactage et un stress supplémentaires, la teneur en carbone continue d’augmenter, davantage de substances volatiles sont perdues, le rendement énergétique potentiel augmente et un charbon terne à brillant, appelé charbon bitumineux, se forme. C’est un excellent charbon à vapeur et c’est le charbon dominant qui a alimenté le premier siècle de la révolution industrielle en Grande-Bretagne. Les provinces de l’Ouest canadien et les anciennes régions minières du Nouveau-Brunswick et de la Nouvelle-Écosse exploitent le charbon bitumineux. Il est normalement utilisé pour l’alimentation métallurgique et sert à la production d’énergie électrique. Le stade ultime du charbon en tant que minéral énergétique est l’anthracite, un charbon dur et brillant qui est difficile à brûler à moins d’être broyé. Ce charbon est exploité en Pennsylvanie et est utilisé dans la production d’électricité comme matière première lorsqu’il est mélangé à du charbon bitumineux. Les changements qui accompagnent la perte de volatiles, l’augmentation du carbone et l’augmentation de la production de chaleur sont décrits comme un changement de rang du charbon.
Les deux dernières images illustrent des roches de schiste qui ont un contenu organique élevé mais ne sont pas définies comme des charbons. Les schistes fossilifères peuvent contenir des fossiles abondants (en particulier des matières végétales, mais ils peuvent en contenir d’autres, comme des ammonites). Les schistes bitumineux (comme ceux que l’on trouve dans une ceinture allant de Bowmanville, à l’est de Toronto, à la région de Collingwood, près d’Owen Sound, en Ontario) contiennent d’abondants fossiles de trilobites et d’autres animaux de l’Ordovicien. De tels gisements, bien que n’ayant pas nécessairement le même âge, se trouvent dans de nombreuses régions du monde et pourraient constituer de futures sources d’énergie ou d’alimentation pétrochimique.
La page qui suit le pli central contient des illustrations de plusieurs des sujets mentionnés dans les descriptions de roches sédimentaires ci-dessus.
Rangée supérieure, de gauche à droite. Tous sont des exemples de silice déposée chimiquement : Hache à main en silex, Swanscombe, Kent, Royaume-Uni ; Nodule de silex (concrétion blanche noueuse) s’altérant à partir d’une matrice crayeuse plus tendre ; Trois pointes de chert de type Clovis provenant du site de Brophey près de Parkhill, Ontario. La plus grande mesure 10 cm de long.
Rangée centrale, de gauche à droite : Une grande stalagmite (note « g » Pousse à partir du sol) composée de dripstone (dépôts de carbonate de calcium précipités chimiquement) ; Stalactite (note « c » pousse vers le bas à partir du plafond d’une grotte), avec de l’eau chargée de calcium attirant la lumière sur le point de s’égoutter de la pointe ; une forme particulière, contournée, stalactique de dripstone connue sous le nom d’hélictite, également faite de carbonate de calcium. Notez que dans certaines parties, elle pousse même vers le haut !
Rangée du bas, de gauche à droite ; vug (cavité) avec du quartz tapissant le centre du vide dans le calcaire ; quelques très grandes concrétions chimiquement précipitées à Moeraki, île du Sud, NZ ; dendrites ressemblant à des mousses. Ce sont des précipités de manganèse sur un calcaire, et n’ont aucun rapport avec des croissances organiques.
Alan V. Morgan
Une nouvelle exploration de l’Arctique canadien
Ronald E. Seavoy
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