La diagenèse regroupe la série de transformations physiques, chimiques et biochimiques que subissent les sédiments après leur dépôt et menant à la formation de roches sédimentaires consolidées. Une fois déposés et au fur et à mesure de leur enfouissement, les sédiments vont subir une augmentation progressive de la pression et de la température. En association avec ce phénomène de compaction, plusieurs facteurs vont influencer la diagenèse.
Facteurs biologiques
Citons en premier lieu les facteurs biologiques, qui interviennent précocement dans le processus de diagenèse, dès le dépôt des sédiments : plantes, animaux et bactéries jouent un rôle important dans la diagenèse superficielle. Les racines notamment modifient l'acidité des sédiments, les animaux fouisseurs (coquillages, crustacés...) les remanient en creusant des tunnels (bioturbations) et les bactéries sont à l'origine de nombreuses transformations comme la dolomitisation, la formation de carbonates, de pétrole ou de charbon, qui participent largement au processus diagénétique de surface.
Facteurs physiques : la compaction
La compression et la compaction mécanique interviennent ensuite en diminuant la porosité au sein des dépôts sédimentaires et en favorisant leur déshydratation. Cette dessication entraîne un durcissement des sédiments et modifient leurs propriétés physiques. La compaction mécanique peut s'associer à une compaction chimique. Il s'agit du mécanisme de pression-dissolution. Les points de contact entre les grains subissent alors une dissolution sous l'effet de l'augmentation de la pression. Ce processus est particulièrement important pour les sables et les calcaires. Associé au phénomène de cimentation, il contribue à réduire nettement la porosité de la roche.
À titre d'exemple, une boue argileuse devient compacte vers 2.000 mètres d'enfouissement et durcit vers 3.000 mètres pour former une roche appelée argilite ou mudstone. Vers 5.000 mètres, les effets de la température et de la pression transforment les argilites en schistes. Si la pression et la température continuent d'augmenter, on entre alors dans le domaine du métamorphisme, qui engendre la recristallisation de certains minéraux.
Facteurs chimiques : l’importance de l’eau
L'infiltration et la circulation de l'eau dans les sédiments encore non compactés peut entraîner la solubilisation de certains minéraux et leur re-précipitation entre les grains, entraînant la formation d'un ciment. Ce processus est également appelé lithification. La cimentation représente le processus diagénétique principal pour le passage d'un dépôt sédimentaire à une roche consolidée. Le degré de cimentation peut être très variable. Dans le cas d'une cimentation faible, la roche finale sera friable. À l'inverse, en présence d'un fort degré de cimentation, la roche sera très solide. La cimentation peut démarrer très tôt dans le processus diagénétique, sur le fond marin (diagenèse précoce) ou plus tardivement lorsque le sédiment est déjà enfoui sous plusieurs centaines ou milliers de mètres (diagenèse tardive).
L'action de l'eau est également responsable du phénomène de concrétionnement : il s'agit d'une accumulation de minéraux particuliers, qui vont donner les sphérolites, les nodules, les géodes ou encore les septarias.
On parle d'épigénisation lorsqu'il y a recristallisation d'un minéral préexistant en un autre de composition similaire (l'aragonite se transforme ainsi en calcite). La métasomatose correspond au remplacement d'un minéral par un autre, consécutivement à la circulation de fluides réactifs dans la roche, avec apport externe et départ de certains éléments chimiques (le carbonate calcique est ainsi parfois remplacé par du sulfate de fer).
Phases de la diagenèse
Ces différents facteurs peuvent agir de manière simultanée ou successive. Ils peuvent être d'intensité variable en fonction de la durée et de la profondeur de l'enfouissement. De manière générale, la diagenèse peut se décomposer en quatre phases principales.
- La phase I est essentiellement représentée par la diagenèse biochimique et la pédogenèse (formation des sols par dégradation de la matière organique), faisant intervenir les facteurs biologiques. Il s'agit de processus de surface.
- La phase II est associée à la circulation de l'eau, à la mobilité des ions dans les sédiments et aux processus chimiques (épigenèse). Début de la compaction.
- La phase III est caractérisée par les processus dissolution, de cimentation des roches (lithification) et de concrétionnement. Augmentation de la compaction.
- La phase IV correspond à une phase de déshydratation intense, de recristallisation et de métasomatose. La compaction se termine. L'augmentation de la température et de la pression mène à l'anchimétamorphisme.
Lorsque la pression et la température deviennent trop importantes on parle alors de métamorphisme.