Bassins sdimentaires facis sdimentaires et paloenvironements Herv GILLET

Bassins sédimentaires, faciès sédimentaires et paléoenvironements Hervé GILLET UMR 5805 – EPOC Université de Bordeaux 1

Bassins sédimentaires, faciès sédimentaires et paléoenvironements CM TD TP - Les bassins sédimentaires : moyens d'étude 1 2 - I. Les bassins sédimentaires Initiation au pointé Sismique réflexion, principe et méthode -I. Les bassins sédimentaires (suite) - Pétrologie sédimentaire: Roches, faciès et environnements de dépôt - II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements (échantillons macro. et microscopiques)

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution Définition : Les bassins sédimentaires sont des dépressions présentes à la surface de l'écorce terrestre où s'accumulent, et où se sont accumulés dans le passé, des sédiments. On y distingue : - Le réceptacle, ou contenant, délimité par le substratum du bassin, généralement appelé socle. - Le remplissage, ou contenu, qui correspond à l'accumulation de dépôts (couverture sédimentaire) qui repose sur le socle. . Bassin fonctionnel . Bassin résiduel • Dépressions souvent remplies d'eau : Sédimentation ou lacustre marine • Sédimentation continentale si seulement cours d'eau sédimentation éolienne où Variation niveau d'eau : Variation des dimensions du bassin

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution Définition : Les bassins sédimentaires sont des dépressions présentes à la surface de l'écorce terrestre où s'accumulent, et où se sont accumulés dans le passé, des sédiments. On y distingue : - Le réceptacle, ou contenant, délimité par le substratum du bassin, généralement appelé socle. - Le remplissage, ou contenu, qui correspond à l'accumulation de dépôts (couverture sédimentaire) qui repose sur le socle. A. Origine des bassins : déformation de la lithosphère A. Diversité des bassins : genèse et remplissage A. Evolution des bassins : contenant / contenu (prochain CM)

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution A. Origine des bassins : déformation de la lithosphère Les bassins sédimentaires ne pourraient se former et fonctionner durablement sans une aptitude de la lithosphère à se déformer en creux : création d'espace disponible Subsidence Comprendre la subsidence : • Présenter caractéristiques thermo-mécanique de la lithosphère • Présenter les mécanismes de déformation

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution A. Origine des bassins : déformation de la lithosphère Comportement thermo-mécanique de la lithosphère continentale • Croûte sup. 0 – 20 km Comportement cassant • Croûte Inf. 20 – 40 km Comportement ductile • Manteau sup. 40 – 50 km Comportement cassant • Manteau sous 50 km Comportement ductile

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution A. Origine des bassins : déformation de la lithosphère Les mécanismes de déformations de la lithosphère Trois principaux mécanismes de déformation de la lithosphère : • Fracturation : déformation cassante • Fluage : déformation ductile (sans fracturation) • Flexuration : déformation à grande longueur d'onde affectant toute l'épaisseur de la lithosphère.

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution A. Origine des bassins : déformation de la lithosphère Les mécanismes de déformations de la lithosphère Trois principaux mécanismes de déformations de la lithosphère : • Fracturation : • Fluage : • Flexuration :

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution A. Origine des bassins : déformation de la lithosphère Les mécanismes de déformations de la lithosphère Trois principaux mécanismes de déformations de la lithosphère : • Fracturation : Surcharge • Fluage : • Flexuration : Flexuration

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution A. Origine des bassins : déformation de la lithosphère La subsidence est l'enfoncement progressif du fond d'un bassin au cours du temps. Elle est à l'origine de la création du bassin et permet son fonctionnement, si elle se poursuit dans le temps, en permettant la création d'espace disponible pour la sédimentation. Contrôlé par trois phénomènes : - Phénomènes géodynamiques - Phénomènes thermiques - Surcharge sédimentaire Subsidence tectonique Subsidence totale

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution A. Origine des bassins : déformation de la lithosphère La subsidence Phénomènes géodynamiques : tout les phénomènes tectoniques (distension, compression, cisaillement) qui sont à l'origine soit de la fracturation et de l'effondrement de la partie supérieur de la lithosphère (rift, pull-apart), soit à l'origine de sa flexuration (collision - chevauchement). Phénomènes thermiques : échauffement localisé par remonté du manteau (bombement) suivie d'un refroidissement, ou "point froids" du manteau (sous les grands craton stable). Réajustement thermique / isostasique subsidence thermique Surcharge sédimentaire : flexuration de la lithosphère sous le poids des sédiments.

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution A. Origine des bassins : déformation de la lithosphère La subsidence - Phénomènes géodynamiques - Subsidence thermique - Surcharge sédimentaire Subsidence tectonique Subsidence totale

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution A. Origine des bassins : déformation de la lithosphère La subsidence Subsidence totale

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution B. Diversité des bassins : genèse et remplissage La diversité des bassins sédimentaires est liée à : - la position des bassins • Frontière de plaques • Intraplaque • Distention - Extension - leur contexte géodynamique • Compression • Cisaillement - la nature de la lithosphère • Continentale • Océanique Classification simplificatrice reposant sur ces 3 critères.

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution B. Diversité des bassins : genèse et remplissage La diversité des bassins sédimentaires : Intraplaque Frontière de plaques Position Contexte géodynamique Nature lithosphère Distension Continentale - Compression Type de bassin - Rifts avortés Océanisation -> Marges passives Subduction -> - Fosses, Prismes d'accrétion - Bassins avant-arc et arrière-arc Continentale Collision -> - Bassins flexuraux (avant et arrière pays) Cisaillement Continentale - Pull-aparts Héritage Déf. intraplaque Continentale - Bassins cratoniques / plateformes (épicontinentaux) - Océanique - Bassins océaniques Classification simplificatrice reposant sur ces 3 critères.

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les rifts continentaux Genèse La formations d'un rift fait intervenir deux phénomènes : - Etirement lithosphérique (divergence) - Amincissement crustal Conjugaison de ces 2 phénomènes aboutie à la formation en surface d'un fossé d'effondrement : Fossé d'effondrement Dépression caractérisée par : • Blocs basculés failles listriques. sur • Alternance horsts et grabens. Amincissement crustal Etirement lithosphérique Structure d'un rift continental

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les rifts continentaux Genèse Modèles de rifting basés sur 2 grandes conceptions de l'étirement lithosphérique : Cisaillement pur Cisaillement simple

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les rifts continentaux Genèse Modèles de rifting basés sur 2 grandes conceptions de l'étirement lithosphérique : Cisaillement pur Doming Croûte sup. (cassante) Fracturation Cisaillement pur homogène Croûte inf. (ductile) Fluage Etirement identique dans la croûte et le manteau Manteau sup. (ductile) Flux thermique "centrale" Evolution symétrique du rift

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les rifts continentaux Genèse Modèles de rifting basés sur 2 grandes conceptions de l'étirement lithosphérique : Cisaillement pur Soulèvement des bordure du rift Fracturation Croûte sup. (cassante) Cisaillement pur non homogène Croûte inf. (ductile) Fluage Etirement du manteau Manteau sup. (ductile) > Flux thermique latérale Evolution symétrique du rift Étirement de la croûte

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les rifts continentaux Genèse Modèles de rifting basés sur 2 grandes conceptions de l'étirement lithosphérique : Cisaillement simple Fracturation Extension non uniforme faisant intervenir un Croûte sup. Croûte inf. grande faille cisaillante (faille de détachement) Manteau sup. Faille de détachement (cisaillement) Evolution Dissymétrique du rift Ce modèle explique particulièrement la structure de la province "Basin and Range" (USA)

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les rifts continentaux Bassin and Range

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les rifts continentaux Bassin and Range

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les rifts continentaux Subsidence Modèles de rifting basés sur 2 grandes conceptions de l'étirement lithosphérique : Cisaillement pur Cisaillement simple Dans ces deux modèles, 2 phases de subsidences se succèdent dans l'évolution du rift au cours du temps : Profondeur (km) • La subsidence initiale rapide (fracturation – effondrement) • La subsidence thermique lente (rééquilibrage thermique et isostatique)

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les rifts continentaux Remplissage Rifts continentaux caractérisés par sédimentation particulière : • Phase initiale : sédimentation continentale fluvio-lacustre (cônes alluviaux s'appuyant sur les failles bordières) + dépôts volcaniques (si activité volcanique) • Début d'océanisation : sédimentation fluvio-deltaïque + formations évaporitiques dans le bassin (Ex: potasses d'Alsace)

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les rifts continentaux Exemples actuels Lac Baïkal Rift est-africain

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les rifts continentaux Exemples anciens (rifts avortés) Mer du Nord Coupe de la mer du Nord Fossé Rhénan

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Genèse Les marges passives sont issues de Rift continental l'évolution d'un rift lorsque celui-ci atteint le stade de l'océanisation (accrétion de croûte océanique). Marges continentales passives Les marges continentales passives correspondent alors aux deux bordures, désormais tectoniquement calme, de l'ancien rift qui s'écartent de part et d'autre Croûte océanique de l'océan en formation. Marge continentale passive Rift océanique Du rift continental à l'océan Accrétion océanique

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Genèse Rift continental IMPORTANT : • On parle de marge continentale dès la croûte continentale est "déchirée" et quelle laisse place à de la croûte océanique • La marge continentale correspond au domaine de transition entre la croûte continentale et la croûte océanique Du rift continental à l'océan Marges continentales passives Croûte océanique

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Subsidence Apports sédimentaires Comblement de l'espace disponible Création d'espace disponible Charge sédimentaire Dérive Refroidissement Subsidence thermique Flux thermique

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Subsidence thermique Subsidence totale = subsidence thermique + charge sédimentaire Subsidence totale Sur une marge passive :

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Structure profonde : la structure profonde d'une marge passive reflète celle d'une bordure de rift (héritage de la phase de rifting): Couverture sédimentaire Faille listrique Blocs basculés Amincissement crustal

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Structure superficielle : Les sédiments s'organisent en séries dites anté-rifts, syn-rifts et post-rift Post-Rift Syn-Rift Anté-Rift

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Structure superficielle : Les sédiments s'organisent en séries dites anté-rifts, syn-rifts et post-rift : Anté-rifts : séries déposées sur le craton avant la phase de rifting Reconnaissance : séries affectées par la déformation cassantes Syn-rifts : séries déposées durant la phase de subsidence initiale (effondrement) Reconnaissance : séries disposé en éventail sur les blocs basculés Post-rifts : toutes les séries déposés après la fin de la phase de rifting continental Reconnaissance : séries recouvrant les têtes de blocs basculés

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Remplissage Selon l'importance des apports sédimentaires, on va distinguer 2 types de marges passives : • Les marges maigres (affamées), où les dépôts post-rifts sont peu épais soit parce que les apports sont faibles et/ou le taux de sédimentation faible soit que l'érosion ou le transit (by-pass) sont forts. charge sédimentaire faible Les marges grasses (nourries), où les dépôts post-rifts sont très épais (plusieurs km) avec des apports détritiques et/ou une production biogène importante qui constitue une marge progradante et/ou aggradante. charge sédimentaire forte

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Remplissage Exemple de marge maigre : La Marge Nord-Gasgogne

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Remplissage Exemple de marge grasse : Le delta du Niger 0 10 km

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Remplissage Apports détritiques prédominants : - Progradation deltaïque sur la marge - Système turbiditique en pieds de pente Progradation

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte divergent : les marges passives Remplissage Zone intertropicale et faible apport terrigène : - Forte production biogéne -> plate-forme carbonatée aggradante - Implantation de récifs en bordure de plate-forme Récif Aggradation Dépôts carbonatés

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte convergent / subduction : Diversité des bassins Arc volcanique Bassin arrière-arc Bassin avant-arc Prisme d'accrétion

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte convergent / subduction : Bassin arrière-arc Bassin distensif en relations avec trois phénomènes pouvant interagir : - Anomalie thermique - Distention - Amincissement crustale Pouvant aboutir à rifting / accrétion océanique

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte convergent / subduction : Remplissage Les bassins arrière-arc sont comblés essentiellement par des sédiments volcanoclastique et accessoirement par des calcaires de bordure déstabilisés.

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte convergent / subduction : Exemple L'arc des petites Antilles

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte convergent / collision : les bassins flexuraux Genèse Les bassins flexuraux se forment en contexte de collision continentale. Leur formation est liée au chevauchement successif d'écailles crustales et au ploiement (flexuration) de la lithosphère sous l'effet de surcharge. Collision Surcharge Chevauchements successifs d'écailles crustales Subsidence (création du bassin)

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte convergent / collision : les bassins flexuraux Structure profonde La structure profonde d'un bassin flexural se caractérise par la présence de faille inverse (chevauchement) et d'empilement d'écailles tectoniques au front de la zone subsidente. Ecailles Chevauchements

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte convergent / collision : les bassins flexuraux Remplissage Déplacement du dépôt centre Bassin flexural bassin d'avant pays (foreland, fordeep) bassin d'arrière pays (hinterland) Déplacement du dépôt centre vers l'avant pays

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte convergent / collision : les bassins flexuraux Remplissage La sédimentation des bassins flexuraux résulte de l'érosion des reliefs générés par les chevauchement tectoniques. Il s'agira donc essentiellement de sédimentation détritiques. Cette sédimentation peu être extrêmement varié : des faciès continentaux jusqu'aux turdidites. Molasses : dépôts détritiques continentaux ou marin peu profond. Flysch : dépôts turbiditiques profonds

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte convergent / collision : les bassins flexuraux Exemples Bassin molassique péri-alpins

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte cisaillant : les pull-apart Génése Le long de grandes failles transformantes ou d'accidents décrochants majeurs, peuvent se développer, selon la géométrie de la frontière coulissante, des bassins rhombaédriques (rhombochasmes) qui sont des bassins en extension liée à un mouvement longitudinale. Bassin en Pull-apart

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte cisaillant : les pull-apart Structure La structure longitudinale est semblable à celle d'un rift continentale (failles transversales d'effondrement ) Structure cependant souvent dissymétrique tant longitudinalement transversalement. Largeur souvent limitée à 10 km. failles transversales d'effondrement que

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte cisaillant : les pull-apart Remplissage • De nature détritique continentale grossier (sur les bordures) à fluvio-lacustre fin voir marin (centre des bassins). • Variations latérale de faciès et d'épaisseur de sédiments abruptes • Nombreuses discontinuités liées à l'activité tectonique saccadée.

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins en contexte cisaillant : les pull-apart Exemple Faille du Jourdain

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins intraplaques continentaux : bassins cratoniques Définitions Cratons (boucliers): Vastes étendues de roche très anciennes (antérieur à 600 Ma) généralement intensément plissées, métamorphisée, granitisées. On peut les assimiler à des affleurements de la partie supérieur du socle continentale. Plateformes : ce sont des secteurs de craton recouverts par des séries sédimentaires, essentiellement marines, accumulées depuis plus de 600 Ma. Ces accumulations peuvent atteindre des épaisseurs considérables, mais la profondeur de l'environnement de dépôt n'y a jamais dépassée quelques centaines de mètres. On parle aussi de bassins cratoniques ou bassins épicontinentaux.

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins intraplaques continentaux : bassins cratoniques Génése Il s'agit de légères dépressions au sommet de la croûte en plein domaine intracontinental entretenues par de la subsidence lente et par la charge sédimentaire. - La dépression initiale peut avoir comme origine : Structures tectoniques héritées (exemple du bassin Parisien développé sur un socle hercynien découpé par des fossés distensifs permiens). Structure héritée d'un très ancien rift continental : Aulacogéne -La subsidence peut être entretenu par : • Déformations intraplaques et/ou variation de flux thermique sous la plaque continentale + Charge sédimentaire

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins intraplaques continentaux : bassins cratoniques Subsidence La subsidence y est faible (subsidence thermique modérée + charge sédimentaire). L'espace disponible pour la sédimentation reste modéré en tout temps. Si l'épaisseur de sédiments est importante, c'est que le bassin est très anciens.

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins intraplaques continentaux : bassins cratoniques Remplissage Dépressions topographiques de faible profondeur, bassin fonctionnel jamais profond. Accumulations dominées par les processus continentaux, littoraux ou plate -forme néritique : • Grands épandages fluviatiles (ex: contients des vieux grès rouges du Dévonien) • Bassins lacustres endoréiques (ex Lac Tchad, mer d'Aral, …) • Grands réseaux éoliens (ergs Sahariens) • Mers épicontinentales (grandes plaines américaines, bassin parisien)

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins intraplaques continentaux : bassins cratoniques Remplissage Variations du niveau de la mer + variations des flux sédimentaires : • Nombreuse variations de faciès sédimentaires • Discontinuités et érosion fréquentes

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins intraplaques continentaux : bassins cratoniques Exemple Bassin parisien mer épicontinentale - succession de cycles transgressifs / régressifs

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins intraplaques continentaux : bassins cratoniques Exemple Sillon Aulacogène d'Athapuscow

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins intraplaques océaniques Définitions Bassins océaniques : bassins développés au sommet d'une croûte océaniques mince, en excluant les nombreux cas de bassin marginaux (bassin arrières-arc). Ils représentent la catégorie de bassins la plus importante en surface sur le globe.

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins intraplaques océaniques Genèse Ils sont l'évolution logique d'un rift continentale -> Océanisation La cuvette océanique et due : • La densité de la croûte océanique (en contrebas des continents) • La subsidence thermique (éloignement de la dorsale) Dérive Refroidissement Subsidence thermique Flux thermique

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins intraplaques océaniques Remplissage • Environnement de dépôt profond • Les cuvettes océaniques sont séparées en deux sous-bassins de part et d'autre de la dorsale • Remplissage sédimentaire réduit en raison de l'éloignement des sources d'apports terrigènes (exception des systèmes turbiditiques puissants) Charge sédimentaires très faible

I. Les bassins sédimentaires, B. diversité Les bassins intraplaques océaniques Remplissage Nature des sédiments: • Sédiments biogéniques planctoniques (carbonatés ou siliceux) • Argiles profondes