Réalisation de la carte paléogéographique d’une région sédimentaire
Introduction :
Khouribga est une ville marocaine qui se situe à 120 km au sud-est de Casablanca. Cette cité minière est considérée comme la plus importante zone de production de phosphates du monde. le bassin de Khouribga connu sous le nom de bassin d’Ouled Abdoun est un bassin sédimentaire phosphaté.
Ce bassin est également connu comme un site important pour les fossiles de vertébrés marins, notamment des requins, des poissons osseux, des tortues, des crocodiliens et d’autres reptiles. Ce qui montre qu’il s’agit d’une région qui a été submergée par la mer à une époque géologique donnée.
À travers les âges géologiques, la disposition des masses continentales et océaniques a changé, entraînant des modifications de la surface du globe terrestre. Plusieurs phénomènes contribuent à ces modifications, notamment des facteurs tectoniques ou climatiques. En étudiant les sédiments, nous pouvons récupérer les conditions et les milieux de sédimentation ce qui permet la reconstruction théorique de la géographie passée des territoires et de leur évolution (la paléogéographie).
Qu’elles sont les techniques utilisées pour étudier les roches sédimentaires?
Comment cette étude nous permet-elle de reconstituer les conditions et les milieux de sédimentation?
I- Les techniques utilisées pour étudier les sédiments
1 – Classification des sédiments selon la taille :
Les sédiments sont constitués de particules de taille et de formes différentes. Ils sont issus de l’érosion des roches mères, le transport des particules et leur dépôt. Les tailles des particules sédimentaires sont extrêmement diverses, depuis les fines poussières transportées par les vents jusqu’aux gigantesques blocs charriés par les glaciers.
2 – L’étude statistique des constituants des sédiments
2 – 1 – L’étude granulométrique :
a – La technique du tamisage:
L’analyse granulométrique consiste à étudier la répartition des différents grains d’un échantillon de sable en fonction de la taille de ces grains, cette analyse peut se faire par la technique du tamisage :
Sous un jet d’eau, on lave un échantillon de sable placé dans un tamis dont la maille est de 0.063 mm pour se débarrasser de l’argile et du limon. On ajoute de l’acide chlorhydrique et on laisse agir pendant au moins 15 minutes pour éliminer le calcaire puis l’eau oxygénée pour éliminer la matière organique.
Après le rinçage et le séchage, les particules restantes subissent un tamisage de 15 minutes grâce à une colonne de tamis dont la maille diminue de haut en bas. A la fin de l’opération de tamisage, on pèse la masse de sédiment retenu sur chaque tamis ( le refus ) et on détermine son pourcentage par rapport à la masse totale de l’échantillon étudié.
Les résultats de l’analyse granulométrique peuvent être présentés sous forme de tableau qui consiste à inscrire les résultats du pesage des tamisats correspondant à chaque ouverture de la maille de tamis (exprimé en gramme ou en % ). On inscrit aussi les refus cumulés qui représentent la somme du refus de chaque tamis plus tous les refus des tamis de maille plus grande (exprimé en gramme ou en % ).
b – Représentation graphique des résultats
– l’histogramme et la courbe de fréquence
Les valeurs sont reportées sur un graphe comportant ; en abscisse, l’échelle logarithmique des dimensions des mailles des tamis et en ordonnée, l’échelle arithmétique de la fréquence des masses des grains.
On réalise l’histogramme composée de rectangles, chacun représente une classe de grains ayant un diamètre compris entre deux tamis successifs, et dont l’aire est proportionnelle au pourcentage de la classe qu’il représente. On trace la courbe de fréquence en reliant successivement les médianes des rectangles.
En exploitant la courbe de fréquence, on peut déterminer le « mode » qui représente la dimension des grains les plus abondants ;.
La courbe peut en effet présenter un ou plusieurs modes :
- S’il y a un seul mode, on dit que la courbe est unimodale, et l’échantillon est homogène
- Si la courbe présente 2 ou plusieurs modes, la courbe est bi ou plurimodale, il y a un mauvais classement des sables donc l’échantillon est hétérogène. Il peut indiquer différents apports et/ou des processus dynamiques variables.
Courbes de fréquences unimodale (E1) et bimodale (E3) des sables
– La courbe cumulative
Les résultats sont reportés sur un graphe comportant ; en abscisse, l’échelle logarithmique des mailles des tamis, et en ordonnée, l’échelle arithmétique de la fréquence des masses cumulées. La courbe cumulée se présente de la manière suivante :
Sur la courbe cumulative on détermine les quartiles :
Q1 : le diamètre convenable pour 75% des fréquences cumulées.
Q3 : le diamètre convenable pour 25% des fréquences cumulées.
Les valeurs de Q1 et Q3 sont utilisés pour calculer l’indice de classement (indice de Trask = So) selon la formule suivante:
On utilise les valeurs de So pour évaluer le classement du sable étudié.
On peut aussi déterminer l’origine du sable étudié en comparant sa courbe cumulative avec des courbes cumulatives de référence.
A: gravier fluviatile; B: gravier glaciaire ; C: sable marin côtier; D: sable fluviatile; E: loess; F: argile à blocaux.
Application :
L’analyse granulométrique a été faite sur un échantillon de 3500 g d’un sédiment préalablement séché à l’aide d’une série de tamis. On donne au tableau les refus pesés et diamètres des tamis correspondants.
1 – Calculez les pourcentages des refus et des refus cumulés.
2 – Tracez l’histogramme et la courbe de fréquence et décrivez les résultats obtenus.
3 – Tracez la courbe cumulative.
4 – Calculez l’indice de Trask S0, et déduisez le degré de classement du sédiment.
5 – En se basant sur le document des courbes cumulatives de référence, déterminez l’origine du sédiment étudié.
1 – Le calcul des pourcentages.
2 – L’histogramme et la courbe de fréquence .
On observe que la courbe de fréquence est unimodale, donc on peut supposer que l’échantillon est homogène.
3 – La courbe cumulative.
4 – L’indice de Trask So.
Le degré de classement du sédiment est moyen
5 – En comparant la courbe cumulative aux courbes cumulatives de référence, on peut dire que le sédiment étudié représente un sédiment de rivière.
2 – 2 – L’étude morphoscopiques des sédiments
Dans cette étude, on s’intéresse à l’observation de la morphologie (la forme et l’aspect) des grains du quartz du fait qu’ils sont les grains les plus résistants et ainsi pouvant conserver des indices des conditions de transport et de sédimentation des roches étudiées.
On procède au lavage de l’échantillon avec de l’eau pour éliminer les éléments argileux. Puis on fait agir H₂O₂ pour éliminer la matière organique et HCl pour éliminer le calcaire. Après action totale et séchage, on observe le sable par la loupe binoculaire.
Les documents suivants montrent les principaux types de grains de quartz observés à la loupe binoculaire.
On peut classer l’ensemble des grains de quartz en trois catégories :
Non Usés (N.U) : grains anguleux, ayant subi un faible transport hydrique (transport par l’eau : vallées), un sable proche de sa source de matériel.
Les émoussés luisant (EL) : grains brillants avec des sommets et des arêtes émoussés, caractéristique d’un transport par voie aquatique.
Les ronds mats (RM) : La forme arrondie, à peine plus longue que large et surface entièrement mate, du fait de marques de choc, sous l’effet du vent. (dynamique éolienne : désert )
En établissant pour un échantillon donné le pourcentage de chaque type, on arrive à déterminer l’histoire des grains et, par conséquent, les actions qui se sont exercées sur eux ( la durée et le mode de transport ).
Application :
L’étude statistique des grains de quartz de trois échantillons de sable a donné les résultats suivants :
1 – Calculez le pourcentage des types des grains de quartz pour chaque échantillon.
2 – A partir de ces résultats, réalisez pour chaque échantillon un diagramme circulaire,
3 – Déterminez la durée et le mode de transport subis par les trois échantillons.
1 – Sable 1 : Le nombre total des grains est 500
% NU = 65/500 . 100 = 13 %
% EL = 375/500 . 100 = 75 %
% RM = 60/500 . 100 = 12 %
Sable 2 : Le nombre total des grains est 500
% NU = 360/500 . 100 = 72 %
% EL = 100/500 . 100 = 20 %
% RM = 40/500 . 100 = 8 %
Sable 3 : Le nombre total des grains est 450
% NU = 45/450 . 100 = 10 %
% EL = 70/450 . 100 = 15,56 %
% RM = 335/450 . 100 = 74,44 %
2 – Représentations graphiques
3 – Sable 1 : Le pourcentage des grains EL est élevé, le sable a subit un long transport aquatique ( par l’eau) , il s’agit donc d’un sable marin.
Sable 2 : Le pourcentage des grains NU est élevé, le sable a subit un faible transport fluviatile.
Sable 3 : Le pourcentage des grains RM est élevé, le sable a subit un long transport éolien ( par le vent) , il s’agit donc d’un sable désertique.
2 – 3 -Étude morphoscopique des galets
Les galets sont des produits d’érosion qui sont transportés par divers agents, de par leur origine, ils peuvent être répartis en plusieurs types: galets fluviatiles, marins, éoliens et glaciaires.
Galets fluviatiles: d’aspect émoussé et le degré d’émoussé témoigne de l’intensité, de la durée et de la distance du transport.
Galets marins : de forme globulaire dans les plages rocheuses avec la présence de traces de chocs ( trous arqués ) dues à la force des vagues, et aplatie dans les plages caillouteuses.
Galets éoliens : présentant plusieurs facettes et arêtes finement émoussées avec des surfaces gravées.
Galets glaciaires : peuvent êtres de forme arrondie avec des surfaces striées témoignant des frottements avec les murs rocheux au cours de leur transport.
Le document suivant montre des photos et des schémas des différents types de galets.
1 – A partir des données précédentes, identifiez chaque type de galet.
A : Galets glaciaires
B : Galets éoliens
C : Galets marins
D : Galets fluviatiles
3 -Les figures sédimentaires
Les structures ou figures sédimentaires constituent un important indicateur des conditions de transport et de dépôt des sédiments. Leur interprétation est facilitée d’une part par l’étude de la nature actuelle et d’autre part par l’expérimentation en laboratoire. Certaines structures sédimentaires sont caractéristiques d’un environnement bien particulier (glaciaire, désertique,…) mais la plupart sont communes à plusieurs milieux de dépôt et nécessitent l’utilisation de critères complémentaires pour l’interprétation des paléoenvironnements (autres figures sédimentaires, fossiles, contexte général).
Les rides
De quelques cm de haut on les trouve dans les environnements de dépôt où le courant est de faible intensité et la tranche d’eau (profondeur) est importante. Grâce à elles ont peut retrouver le sens du courant passé.
Rides dans un environnement de dépôt actif ou actuel
une fossilisation de rides datant de plusieurs millions d’années.
https://www.osi-explorearth.org/Sedimentologie-Reconnaissance-des-figures-sedimentaires.html
les fentes de dessiccation se forment lorsque des sédiments boueux gorgés d’eau sont émergés. Ceux-ci s’assèchent et la perte en eau génère des craquelures/fentes/fissures à la surface du dépôt sédimentaire. Idéalement, ces fentes de dessiccation forment des hexagones.
fentes de dissection actuelles
fentes de dissection fossiles
Les traces d’activité biologique : l’activité des êtres vivants (trous, terriers de vers … ) peut renseigner sur la nature de vie et par conséquent le milieu de sédimentation.
terriers attribués à des crustacés
II – dynamique et agents du transport des sédiments :
1 – L’action du courant sur les rives d’un méandre :
Le document suivant montre un méandre qui est une sinuosité d’un cours d’eau ( un fleuve ou rivière ).
1 – A partir du document, comparez les deux rives du méandre, puis interprétez les différences notées.
1 – La rive convexe a une pente douce alors que la rive concave a une pente raide, on peut interpréter cette différence par la dominance de l’érosion suite à la grande vitesse à l’extérieur de la courbure (rive concave) qu’à l’intérieur ( rive convexe ) qui est caractérisée par le dépôt d’éléments détritiques.
2 – les facteurs influençant le comportement des particules sédimentaires:
Le document suivant montre le diagramme de Hjulström (simplifié) illustrant le comportement des particules en fonction de certains facteurs.
1 – Dégagez du document, les facteurs influençant le comportement des particules sédimentaires.
2 – Déduisez le comportement des particules de 0,1mm de diamètre dans les cas suivants :
a – Lorsque la vitesse de l’eau est égale 70 cm/s ,
b – Lorsque la vitesse est égale 10 cm/s ,
c – Lorsque la vitesse du courant est égale 1cm/s .
1 – Les conditions de transport et de sédimentation des particules dépendent de la vitesse du courant et de la taille des particules sédimentaires.
2 – a – Lorsque la vitesse de l’eau est égale 70 cm/s, l’érosion domine; le courant est suffisamment puissant pour altérer et éroder la roche, libérant des particules sédimentaires ;
b – Lorsque la vitesse est égale 10 cm/s, le transport domine; l’eau transporte les particules.
c – Lorsque la vitesse du courant est égale 1 cm/s, la sédimentation domine; les particules ne peuvent plus être transportées et se déposent sur place.
3 – Le transport des particules issues de l’altération des roches
Le transport des produits issus de l’érosion peut être assuré par différents agents (ex : l’eau, le vent, les glaciers). Il faut bien distinguer alors :
– Le transport des éléments en solution : c’est un aspect souvent négligé. Mais, en climat tempéré, une rivière de plaine transporte plus de matériaux en solution qu’en suspension.
– Le transport des éléments solides : la quantité d’éléments transportés dépend des caractéristiques du fluide (propriétés hydrodynamiques) et de celles des éléments eux-mêmes (taille, forme, densité…).
Plusieurs modes de transport ont été observés: il s’agit du roulement et de la traction le long du fond ou du substrat, de la saltation (transport par bonds, suite à des chocs successifs) et du transport en suspension.
III – Les milieux sédimentaires actuels :
Les milieux sédimentaires actuels sont nombreux et divers, la connaissance des caractéristiques des dépôts de ces milieux peut nous aider à reconstituer les conditions ayant régné dans un milieu ancien.
1. Les milieux continentaux
– Le milieu fluviatile :
Le document suivant montre les types de sédiments observés le long d’une rivière
1 – A partir du document, décrivez l’organisation des sédiments le long du milieu fluvial.
2 – Déterminez les facteurs qui contrôlent cette organisation des sédiments.
1 – On observe que les particules les plus grosses ( blocs , graviers ) se déposent en amont de la rivière alors que les éléments les plus fins ( pélites et argiles) sont transportés plus loin en aval, on parle d’un granoclassement horizontal des sédiments.
2 – Cette organisation des sédiments est, essentiellement, soumise à : la vitesse du courant d’eau (force du courant) et à la taille et poids des particules (force de la pesanteur). Le déplacement de la particule augmente quand la valeur de la force du courant augmente et quand la taille de la particule diminue.
N.B : On assiste aussi à un autre type de granoclassement vertical, les dépôts les plus lourds se déposent avant les dépôts plus fins et légers.
– Le milieu désertique : Le facteur du transport qui règne dans les déserts est le vent. Le sable désertique se caractérise par l’abondance de particules de quartz du type RM, est forme des dunes éoliennes.
– Le milieu lacustre : Les lacs sont des réservoirs d’eau douce, de profondeur et d’étendu variables. La circulation de l’eau dans les lacs est faible, et sont alimentés par les : rivières, les précipitations, les sources souterraines.
Généralement les sédiments se déposent en couches continues et parallèles. On trouve dans les lacs des sédiments de différents types, dont on cite :
• Les sédiments détritiques : sable, galet…
• Les sédiments chimiques et biochimiques :comme les calcaires lacustres
2. Les milieux mixtes
Certain nombre de milieux peuvent être considérés comme mixtes, reflétant des influences à la fois marines et continentales: c’est le cas notamment des lagunes, des estuaires, des deltas.
- Les dépôts lagunaires : Ce sont des étendues d’eau généralement peu profonde, séparé de la mer par un cordon littoral, la communication avec le milieu marin se fait par une ou plusieurs passes. Les sédiments peuvent être carbonaté (exemple CaCO3 ) ou gypseux ( du gypse, CaSO4 2H2O, se dépose puis si le phénomène continue il peut se déposer du NaCl).
- Les dépôts estuaires : Un estuaire (embouchure ) correspond à l’entrée d’eau de mer dans un fleuve, aussi loin que la marée pénètre dans ce cours d’eau. Le sédiment caractéristique est la vase. La vase est formée de particules fines de la classe des lutites (limons, argiles), de sulfures et d’hydroxydes de fer et de colloïdes organiques.
- Les dépôts de deltas : La partie distale du bassin versant d’un fleuve est généralement une large plaine alluviale où s’accumule une grande partie des matériaux transportés. Arrivé en mer, le courant décélère et le reste de la charge se dépose et forme le delta. L’apport continu des sédiments dans le delta fait avancer ce dernier dans le domaine marin: c’est la progradation deltaïque.
Un delta se décompose en 3 parties.
– Plaine deltaïque
Les sédiments sont des faciès de plaine alluviale affectés par l’influence des marées. Des barres sableuses et des galets se déposent dans les chenaux. Les zones interdistributaires sont constituées de limons et argiles, riches en matière organique sous climat humide, en évaporites sous climat sec et suffisamment chaud. En climat semi-aride se développent des encroûtements calcaires, en climat aride peuvent se former des dunes éoliennes à partir des sables fluviatiles. Des dépôt sableux de rupture de levée accidentent la sédimentation fine dans les plaine de deltas à dominance fluviatile.
– Front de delta
C’est le lieu de rencontre des eaux douces chargées de sédiments et des eaux salées. Les barres sableuses progradent vers le large. Dans les deltas à dominance de vagues, les sables sont remobilisés par la mer et étalés en barres parallèles à la côte constituant une plage ou un cordon isolant une lagune. Dans les deltas à dominance de marées, les barres sableuses forment des îles allongées séparant les chenaux tidaux: elles montrent des litages bidiredtionnels typiques de l’action tidale.
– Prodelta
Il s’y dépose des sédiments fins généralement bioturbés car très riches en matière organique d’origine continentale.
3. Les milieux marins
– milieux littoraux (plage et plate-forme littorale) :
– sédimentation à dominance silico-clastique quand l’apport détritique est fort
– sédimentation à dominance carbonatée là où l’apport détritique est faible et le climat favorable au développement des organismes constructeurs.
– milieux de talus sous-marin :
sédiments détritiques rythmés mis en place en bas du talus par les courants de turbidité
– bassin et fosse océanique :
détritiques fins venant du talus auxquels s’ajoutent les particules fines tombant de la surface: débris planctoniques, poussières volcaniques…dépôt de boues pélagiques ou hémi-pélagiques.
Les carbonates sont en équilibre avec les autres paramètres physico-chimiques de l’eau de mer. La dissolution des carbonates est fonction de la pression donc de la profondeur.
Au-delà d’une certaine profondeur, ils auront tendance à se dissoudre. Au-dessus de cette même profondeur, ils auront, au contraire, tendance à précipiter.
Cette profondeur est appelée seuil de compensation des carbonates ou CCD (Carbonate Compensation Depth)
Connaître un milieu de sédimentation actuel permet aux géologues de reconstituer un milieu de sédimentation ancien grâce au principe de l’actualisme, qui énonce que des évènements se déroulant actuellement ont dû le faire également par le passé, dans les mêmes conditions, et en provoquant les mêmes conséquences, car les lois physiques et chimiques restent les mêmes.
III – Les conditions de sédimentation dans un milieu ancien (Bassin des phosphates)
1 – Caractéristiques des bassins des phosphates Marocains
Le Maroc possède les plus importants gisements des phosphates dans le monde, soit plus de trois quarts des réserves mondiales. Le document 1 montre les principaux gisements phosphatés du Maroc alors que le document 2 montre une colonne stratigraphique simplifiée illustrant la répartition des niveaux caractérisant les dépôts phosphatés dans le bassin d’Ouled Abdoun. Le document 3 montre certains fossiles trouvés au niveau du bassin bassin phosphatés d’Ouled Abdoun.
Les gisements de phosphates du Maroc.
1 – A partir du document 1, dégagez les principaux gisements phosphatés du Maroc.
2 – En exploitant le document 2, décrivez la colonne stratigraphique du bassin d’Ouled Abdoun.
3 – Que pouvez vous déduire à partir du contenu fossilifère du bassin phosphaté d’Ouled Abdoun.
1 – Les principaux gisements de phosphates sont localisés au niveau de plusieurs bassins:
• Oulad Abdoun (Khouribga)
• Gantour (Youssoufia, Bengrir)
• Maskala (Essaouira, chichawa)
• Ouad edahab (boucraa, layoune)
2 – On observe que les roches phosphatées s’alternent avec d’autres roches comme le calcaire et le marne, et que la genèse de ces roches s’étale du Maestrichtien au yprésien
3 – Les fossiles des phosphates sont constitués de vertébrés tels les requins et les reptiles marins ainsi que d’invertébrés (Mollusques), ce qui indique que les roches phosphatées sont d’origine marine.
2 – Les conditions de formation des phosphates au Maroc
Les fossiles trouvés dans les bassins phosphatés représentent des êtres vivants qui préfèrent des profondeurs relativement faibles à moyennes et des températures moyennes (climat tropical à équatorial). Les phosphates sont donc formés en milieux marins de profondeur relativement faible et en climat tropical à équatorial.
N.B : les eaux marines contiennent des quantités très faibles de phosphore, donc il est impossible que la précipitation directe de ce phosphore a donné des phosphates au Maroc. Il a fallu l’intervention des êtres vivants (riche en P) dans le processus de formation des phosphates au Maroc.
Plusieurs théories ont été avancées pour expliquer l’origine des sédiments phosphatés, le document suivant montre un schéma de la phosphatogénèse selon la théorie d’Alexander Kazakov ( 1937 ).
L’apatite est un minéral présent dans les roches éruptives.
1 –En exploitant les documents, décrivez la phosphatogénèse selon la théorie de Kazakov.
1 – La source principale du phosphore contenu dans les roches phosphatées est l’apatite. L’altération de ces roches libère le phosphore minéral qui est transporté par les eaux superficielles vers la mer. Au niveau des eaux marines, le phosphore est intégré dans le cycle biologique, essentiellement par le plancton qui, après leur mort, restituent le phosphore de nouveau aux eaux marines par l’action des bactéries qui minéralisent la matière organique, ce qui assure la libération du phosphore et du CO2.
Les eaux froides des fonds océaniques, enrichies de phosphore remontent dans la zone des eaux chaudes, peu profondes grâce aux courants ascendants (upwelling).
Dans les eaux saturées, chaudes, peu profondes, il y a augmentation du pH et diminution du gaz carbonique CO2 (la température de l’eau augmente ce qui entraine une
diminution de la solubilité du CO2 ), cette diminution entraine la précipitation du carbonate de calcium et du phosphate de calcium.
3 – La reconstitution de la paléogéographie des bassins du phosphate au Maroc
les documents suivants présentent les modèles théoriques proposés, pour la reconstitution de la paléogéographie des bassins des phosphates au Maroc durant le Crétacé-Paléogène. (A) Boujo 1978 , (B) Trappe 1991 ( a été modifié) , (C) Salvan 1986, (D) Herbig 1986
1 –En exploitant les documents, comparez les modèles théorique proposés.
1 –
• Les modèles de Boujo et Salvan : Proposent un système de golfes de faible profondeurs en liaison avec l’océan atlantique, avec des terrains non submergés. Le golfe du nord est a l’origine des dépôts des phosphates de Oulad Abdoun.
• Les modèles de Trappe et Herbig: Proposent une mer épicontinentale qui passe par le centre et l’ouest du Maroc. Les sédiments phosphatés se sont déposé sur des fonds de faibles profondeurs (absence de sédimentation dans les zones plus profondes).