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Le grès : sédimentation et diagenèse

Dossier - Tourisme en Corrèze
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Département de transition entre le Massif central et l'Aquitaine, la Corrèze se compose de trois ensembles géologiques : une zone de montagne, des plateaux et le bassin de Brive, au sud-ouest, avec des collines de grès. Ces paysages d’une grande diversité sont émaillés de villages de toute beauté. En somme, c’est un endroit rêvé pour des vacances mêlant à la fois sciences de la Terre et patrimoine.

  
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Le grès, omniprésent dans le village de Collonges-la-Rouge, est une roche à la couleur fascinante. Une bonne occasion pour parler érosion, sédiments, transport et dépôt.

Le grès est une roche détritique, cohérente et dure, issue de la diagenèse de grains de sable. Ces grains sont composés de silice, mais peuvent avoir d'autres compositions. Si les grains sont carbonatés, on parle alors d'arénite.

Connaissez-vous bien le grès ? Ici, l'Antelope Canyon, en Arizona, aux États-Unis. © PatternPictures, Pixabay, DP

Les dépôts successifs se retrouvent dans la stratification du grès. La cimentation se fait par précipitation et cristallisation des sels dissous dans l'eau interstitielle. On appelle ce processus « la grésification ». La roche prend des couleurs en fonction de la présence d'oxyde de fer. Les grains et le ciment peuvent avoir une composition et une origine différentes. Si les grains sont peu cimentés, le grès est très poreux et peut former de bons réservoirs d'eau, de pétrole ou de gaz.

Une arkose est un grès feldspathique, souvent issu d'une arène granitique. Un psammite est un grès micacé. Un grès quartzeux est composé uniquement de quartz.

L’érosion du grès peut donner lieu à des modelés pittoresques, comme ici, à l'Antelope Canyon (Arizona, États-Unis). © Moondigger, CC by-sa 2.5

Un peu de sédimentologie 

Les phénomènes qui régissent le transport et le dépôt des sédiments sont déterminés par les facteurs suivants :

  • le cadre géotectonique (chaînes de montagnes, rifts, marge active ou marge passive) ;
  • le climat, qui agit sur l'altération ;
  • les mécanismes de transport et de dépôt.

Des transformations importantes se produisent entre le moment du dépôt des sédiments et les roches indurées. Les calcaires sont créés sur place par des processus biologiques et chimiques. Les grès et les argiles proviennent de la désintégration des roches et sont transportés.

L'altération et le transport

Les torrents montagneux, les fleuves, les deltas, les plages, les plateformes marines, jusqu'aux abysses, font subir des transformations aux sédiments. La quantité de matériaux libérés par l'érosion dépend de la superficie des bassins de drainage, du relief, du contexte tectonique, de la nature des roches, de leurs sources et du climat, qui préside au type d'altération et a son importance. La température agit sur la vitesse des réactions d'altération et la solubilité des minéraux. Les vents sont à la fois des agents d'érosion et de transport.

Les glaciers, de puissants agents d'érosion

La désagrégation mécanique due au vent, aux variations de températures, à l'érosion par les eaux courantes et à l'action des glaciers est réduite par une couverture végétale dense. Les végétaux et les micro-organismes produisent une altération chimique en sécrétant des acides qui attaquent les minéraux. Le gaz carbonique contenu dans l'eau dissout les calcaires et les dolomies. Les minéraux formés à très haute température seront plus instables aux conditions de surface. Les particules des argiles et des sédiments fins ont une cohésion plus importante que les particules plus grossières et résistent mieux à l'érosion.

L’érosion varie selon l’évolution du relief

La figure ci-dessous montre que l'érection de la chaîne dure 2 à 5 millions d'années et qu'au début le taux de soulèvement est égal à l'érosion. L'évolution du relief sera la résultante de deux facteurs antagonistes : l'érosion et le soulèvement. L'eau joue de nouveau, dans le transport, un rôle capital, variant avec la vitesse du courant. En fonction de leur taille, les éléments seront transportés ou mis en suspension. Le vent transporte les parties fines sur de grandes distances et déplace les dunes. Le transport par gravité se produit dans les régions à relief et à désagrégation mécanique sur une distance assez courte. Les épisodes glaciaires transportent d'énormes quantités de matériaux.

L’érection de la chaîne dure 2 à 5 millions d’années. Au début, le taux de soulèvement est égal à l’érosion. © DP

Le dépôt

Lorsque la vitesse du courant diminue, les particules en suspension se déposent. Cette chute de vitesse se produit lorsque la pente et le débit des cours d'eau diminuent vers l'embouchure des fleuves. C'est la position relative des roches par rapport au niveau de base à un moment donné qui déterminera leur comportement : érosion, transport ou dépôt. Le niveau de base correspond au plus bas niveau en dessous duquel il ne peut plus creuser ; ce peut être le niveau de la mer ou celui d'un lac. Ce niveau peut évoluer au cours de l'histoire géologique.

Selon le contexte, le dépôt et l'accumulation se feront à des endroits différents : failles des rifts, bassins d'avant-pays, etc.

La diagenèse

Il s'agit des transformations subies par le sédiment depuis son dépôt. L'épaisseur originelle est fortement réduite par la compaction lors de l'expulsion de l'eau : plus de 50 % pour les sédiments argileux. Des dissolutions ou des cimentations modifient le réseau poreux et la composition de la roche ; ainsi, par dissolution des feldspaths, on aboutira à un grès appauvri en feldspaths.

Des cimentations précoces préservent le sédiment d'une compaction importante et une dissolution tardive produit des porosités.

Lors de la compaction, l'eau est expulsée et la porosité réduite au fur et à mesure de l'enfouissement.

Voici des exemples de compaction en pourcentage de sédiment originel :

  • tourbe : 5-10 % ;
  • boue argileuse : 10-25 % ;
  • calcaire : 40-50 % ;
  • sable : 65-75 %.

Cimentation et dissolution améliorent ou détériorent le réseau poreux et modifient la composition de la roche. Précoces, elles préservent le sédiment d'une compaction importante. Selon leur composition, les sédiments verront leur réseau plus ou moins affecté par des minéraux secondaires.

Voici des exemples de porosité :

  • un grès quartzeux enfoui à 3.000 m montre une porosité de 25 % ;
  • un grès feldspathique, de 15 % ;
  • un grès dit « sale », de 10 %.

Cycles sédimentaires et dépôts

Les paysages dépendent des conditions liées à la tectonique et des variations du niveau des océans. Le temps de dépôt d'une couche sédimentaire est très variable :

  • une seconde pour une lamination de 1 mm de dépôt de plage ;
  • quelques heures pour une couche turbiditique ;
  • une année pour des varves glaciaires ;
  • 1.000 ans pour 1 cm de sédiments pélagiques.

Le potentiel de préservation des dépôts dépend du niveau de base : les dépôts profonds seront mieux préservés que ceux des crues fluviales.

Les puissants épandages sableux des océans sont déclenchés par des catastrophes, des séismes qui déstabilisent les dépôts meubles accumulés sur la côte et le plateau continental, et qui dévalent le talus. Des crues catastrophiques peuvent aussi déclencher ces processus.

Les plus grandes accumulations de sédiments se produisent au pied des failles des zones tectoniques actives. Les accumulations fluviales importantes sont caractéristiques des bassins à subsidence rapide adjacents aux zones de soulèvements tectoniques. L'ordre dans lequel les dépôts marins se présentent obéit aux mouvements de transgression et de régression qui constituent l'histoire des bassins sédimentaires.