Bassins sdimentaires facis sdimentaires et paloenvironnements Herv GILLET

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

Bassins sédimentaires, faciès sédimentaires et paléoenvironnements 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 A. Origine des bassin : déformation de la lithosphère A. Diversité des bassins : genèse et remplissage A. Evolution des bassins : contenant / contenu

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenant / contenu • Classification / grands types de bassins Vision statiques des bassins • Il s'agit ici de montrer que les bassins Entités dynamiques (perpétuelle évolution au cours des temps géologiques) Évolution spatio-temporelle du : • Contenant (socle du bassin) • Contenu (remplissage sédimentaire)

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenant Evolution de la morphologie du "contenant" vers un nouveau type de bassin est contrôlée par l'évolution des conditions géodynamiques dans le temps. Evolution géodynamique des bassins Le passage d'un type de bassin vers un autre peut se faire dans 2 contextes différents : (1) Contraintes et contexte géodynamique ne changent pas. (2) Contraintes et contexte géodynamique changent complètement.

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution (1) Contraintes et contexte géodynamique ne changent pas. Rift continental Exemple : Contexte d'extension, du rift à l'océan. Marges passives + Océan étroit Marges passives + Bassins océaniques EXTENSION C. Evolution des bassins : contenant

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenant (2) Contraintes et contexte géodynamique changent complètement. Exemple : Inversion tectonique Marge passive EXTENSION (failles normales) Inversion tectonique Chaînes de montagnes + Bassin flexural COMPRESSION (failles inverses)

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenant (2) Contraintes et contexte géodynamique changent complètement. Exemple : Du bassin cratonique au bassin d'avant-pays Rocheuses Grandes plaines Plaines nord-américaines / Rocheuses

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenant (2) Contraintes et contexte géodynamique changent complètement. Exemple : Du bassin cratonique au bassin d'avant-pays Bassin cratonique Chaînes de montagnes + Bassin flexural Héritage structurale COMPRESSION (failles inverses) Plaines nord-américaines / Rocheuses

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenant (2) Contraintes et contexte géodynamique changent complètement. Exemple : Du bassin cratonique au bassin d'avant-pays Bassin Aquitain / Pyrénées

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenant (2) Contraintes et contexte géodynamique changent complètement. Exemple : Du bassin cratonique au bassin d'avant-pays Bassin cratonique Chaînes de montagnes + Bassin flexural Héritage structurale COMPRESSION (failles inverses) Bassin Aquitain / Pyrénées

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenant Evolution des bassins sédimentaires / cycles orogéniques ( "cycle Wilson") Déchirure continentale Bassin de rift Bassin cratonique Equilibrage thermique Erosion continentale Divergence Océanisation Marge passive Bassin océanique Collision Orogénèse / érosion reliefs Bassin flexural Convergence Subduction Bassin avant et arrière arc

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Dans les bassins, l'évolution du remplissage dans le temps (nature des environnements sédimentaires, le volume et la géométrie des accumulations) va répondre à 2 grands types de variations : Variations du niveau marin Variations des apports sédimentaires (volume et nature) - Contrôle - Enregistrement

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations du niveau marin : Contrôle Variations du niveau marin contrôlées essentiellement par : Tectonique des plaques : • Variations de vitesse d'expansion des dorsales Cycle de 1 à 100 Ma Climat / perturbations orbitales : • Cycle de Milankovitch Cycle de 20 à 100 Ka

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations du niveau marin : Contrôle tectonique • Variations de vitesse d'expansion des dorsales Bas niveau Haut niveau Cycle de 1 à 100 Ma

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations du niveau marin : Contrôle tectonique • Variations de vitesse d'expansion des dorsales sont à l'origine de grandes transgressions/régressions. Transgressions sur les domaines épicontinentaux, fonctionnement de ces bassins sédimentaires (mer épicontinentales). Exemples des grandes transgressions Mésozoïques des bassins parisiens et aquitains. Cycle de 1 à 100 Ma

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations du niveau marin : Contrôle climatique • cycle de Milankovitch et glacio-eustatisme Cycles orbitaux Cycles climatiques (variation insolation) alternance période froide période chaude Stockage d'eau sous forme de glace sur les continents (Glaciers et calotte) Glace stockée sur les continents relâchée dans les océans Bas niveau n. b : effet thermique qui dilate ou contracte directement les océans Haut niveau Cycle de 20 à 100 Ka

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations du niveau marin : Enregistrement Ces variations du niveau marin (en plus de la subsidence) vont contrôler la quantité d'espace disponible pour la sédimentation dans les bassins. • Contrôle le fonctionnement ou l'arrêt de certains bassin (bassins epicontinentaux) • Séquençage des dépôts, contrôle de la géométrie des dépôts et contrôle de la migration des dépôts vers l'aval ou l'amont du bassin (marge passive) stratigraphie séquentielle

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations du niveau marin : Enregistrement Stratigraphie séquentielle Définition : La stratigraphie séquentielle est une méthode dérivée des concepts de stratigraphie sismique développés au cours des années 80 [Vail et al. , 1987; Posamentier et al. , 1988; Posamentier et Vail, 1988]. Le principe de base est que les séries sédimentaires s'organisent en une succession logique d'unités de dépôts isochrones contrôlées par des variations relatives du niveau de la mer (relatives par rapport au fond du bassin) Ces variations relatives sont contrôlées par : • l'eustatisme (variation absolue du niveau marin) • la tectonique au sens large (subsidence ou soulèvement du bassin)

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations du niveau marin : Enregistrement Stratigraphie séquentielle Accommodation : L'empilement des séries sédimentaires dans un bassins n'est rendu possible que par la création permanente d'espace ouvert à la sédimentation entre le fond du bassin (substratum) et le niveau de la mer. Cette création d'espace est appelée accomodation [Vail et al. , 1987]

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations du niveau marin : Enregistrement Stratigraphie séquentielle Séquence de dépôt : • comme en stratigraphie sismique, la séquence de dépôt est composée d’une suite relativement conforme de strates génétiquement liées, limitée à son mur et à son toit par des discontinuités. • Dans le modèle de stratigraphie séquentielle, on considère une séquence de dépôt comme l'ensemble des sédiments déposés lors d'un cycle complet de variations du niveau relatif de la mer (bas niveau / haut niveau relatif)

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations du niveau marin : Enregistrement Stratigraphie séquentielle Point d'inflexion Chute relative du niveau marin Discontinuité Une séquence = un cycle bas-haut niveau

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations du niveau marin : Enregistrement Régression Sédimentation continentale Stratigraphie séquentielle Trait de côte Sédimentation marine Transgression Régression Séquence • Prisme de bas niveau • Cortège transgressif • Prisme de haut niveau • Prisme de rebord de plateau (type 2)

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Dans les bassins, l'évolution du remplissage dans le temps (nature des environnements sédimentaires, le volume et la géométrie des accumulations) va répondre à 2 grands types de variations : Variations du niveau marin Variations des apports sédimentaires (volume et nature) - Contrôle - Enregistrement

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations des apports sédimentaires : contrôle Dans un bassin sédimentaire, les variations des apports sédimentaires, en termes de quantité et de nature des apports, vont être contrôlées essentiellement par trois facteurs : • La tectonique • Le climat • Les variations du niveau marin

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations des apports sédimentaires : contrôle • La tectonique • Contrôle de la quantité des apports sédimentaire : Relief créer = potentielle zone à éroder potentielle source de sédiments détritiques • Contrôle de la nature des apports sédimentaire : Diversité des écailles tectoniques (croûte granitique, croûte océanique obductée, ancien bassin sédimentaire, …) Diversité des sédiments détritiques

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations des apports sédimentaires : contrôle • Le climat • Contrôle de la quantité des apports sédimentaire : Eau = principale agent d'érosion Apport terrigènes d'autant plus forts (ou plus faible) Erosion d'autant plus forte que la pluviométrie est forte (et inversement) • Contrôle de la nature des apports sédimentaire : Climat froid ou tempéré + érosion Climat intertropical + faible apports terrigènes sédimentation détritique terrigène possibilité de sédimentation carbonatée biogénique

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations des apports sédimentaires : contrôle • Les variations du niveau marin En un point donné du bassin, ces variations vont contrôler : • la nature des apports sédimentaire: Continental Sable grossier Silt et argile • la quantité des apports sédimentaire Ex : Cônes turbiditiques fonctionnant en bas niveau marin

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations des apports sédimentaires : contrôle Dans un bassin sédimentaire, les variations des apports sédimentaires, en termes de quantité et de nature des apports, vont être contrôlées essentiellement par trois facteurs : • La tectonique • Le climat • Les variations du niveau marin Facteurs interdépendants

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations des apports sédimentaires : Enregistrement • Enregistrement de variation de quantité des apports sédimentaire Ex : Sédimentation carbonatée Variations de l'épaisseur des bancs Variations des volumes déposés au court du temps Si une situation donnée perdure marge grasse (apports forts) marge maigre (apport faibles) Bancs épais (Production biogénique forte) Bancs en "plaquettes" (Production biogénique faible)

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Variations des apports sédimentaires : Enregistrement • Enregistrement des variations de la nature des apports sédimentaire : Type de sédimentation Détritique terrigène (siliceuse, argileuse, …) Carbonatée (chimique et biochimique) Faciès sédimentaires Interprétation en termes de paléoenvironnements (environnements de dépôts, climats, source des apports, mécanismes de dépôt, …) Continentale (fluviatile, lacustre, …) Environnement de dépôts Marin littoral / Néritique Marin profond

I. Les bassins sédimentaires: genèse, diversité, évolution C. Evolution des bassins : contenu (remplissage du bassin) Dans les bassins, l'évolution du remplissage dans le temps (nature des environnements sédimentaires, le volume et la géométrie des accumulations) va répondre à 2 grands types de variations : Variations relatives du niveau marin Variations des apports sédimentaires - Contrôle - Enregistrement (volume et nature) Evolution des sédiments après sédimentation DIAGENESE (compaction, cimentation, dissolution/recristallisation)

Bassins sédimentaires, faciès sédimentaires et paléoenvironnements 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)

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Définition : la notion de faciès correspond à la description de l'ensemble des caractères lithologiques (lithofaciés), paléontologiques sédimentologique ( marin, continental, littoral, …) d'un dépôt. Echelle : • Macroscopique : litho. / biofaciès • Microscope : microfaciès • Sismique réflexion : sismo-faciès (faciès sismiques) • Diagraphie : electrofaciès … (biofaciès) et

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Définition : la notion de faciès correspond à la description de l'ensemble des caractères lithologiques (lithofaciés), paléontologiques sédimentologique ( marin, continental, littoral, …) d'un dépôt. (biofaciès) Interprétation en termes de : • Mécanismes de dépôt • Environnements de dépôt Analyse de la succession verticale des faciès Paléoenvironnements Evolution des paléoenvironnements et

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Interprétation en termes de : • Mécanismes de dépôt • Environnements de dépôt Paléoenvironnements Plate-forme interne Exemple du Kimméridgien d'Aquitaine : • Cartographie pour une période donnée des faciès (cartes faciologiques) • Zones isopiques (zone de faciès comparables) Bassin évaporitique Plate-forme externe Reconstitution du paysage / paléogéographie

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Analyse de la succession verticale des faciès Association verticale de faciès selon un ordre déterminé Evolution des paléoenvironnements Séquence On parlera par exemple de séquence transgressive ou de séquence régressive selon, qu'en un point donné, l'enchaînement des faciès devient de plus en plus marin ou de plus en plus continental.

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Analyse de la succession verticale des faciès Evolution des paléoenvironnements Succession longitudinale / verticale Strati Séquencielle Séquence régressive

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Sédimentologie : structure sédimentaires Lithologie (lithofaciès) Paléontologie (Biofaciès) Composition minéralogique Taille et morphologie des éléments figurés Roches détritiques terrigènes Nature des éléments figurés Relations éléments figurés / phase de liaison Roches carbonatées

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Sédimentologie : structure sédimentaires Les figures sédimentaires sont des figures géométriques observables au sein ou aux limites d'une couche. • Strates homogénes + grannulo fine Interprétation en termes de dynamique du milieu de dépôt Sédimentation en milieu calme (pélagites, hémipélagites, …) • Grannoclassement Ecoulement événementiel (crues, turbidité, …. ) • Contourites Courants de contour • Stratification entrecroisées Ecoulement fluviatile, courant de plateau • Rides hydrauliques Courant + détermination sens déplacement • …. .

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Sédimentologie : structure sédimentaires Interprétation en termes d'évolution de la dynamique du milieu de dépôt Succession longitudinale/verticale Strati Séquencielle

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) Composition minéralogique Minéraux hérités proviennent du démantèlement de roches préexistantes + transport produit d'altération + dépôt. Paléoenvironnement • Détermination de la nature de la roche mère (et donc de la source) • Type d'altération subit pendant le transport (voir plus loin notion de maturité) Exemple des Argiles terrigénes : • Illites-chlorites : continents où circulation des eaux et fortes et temp. basses • Illites-smectites : milieux émergés drainés tempérés • Kaolinites + oxydes métalliques : milieux chaud et humide à latérisation

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) Composition minéralogique Minéraux néoformés qui s'individualisent dans le milieu de sédimentation ou au sein des sédiments eux même après leur dépôt. Paléoenvironnement Exemple de la Glauconie: C’est un oxy-hydroxyde silico-alumineux complexe (K, Na, Fe, Al, Mg), qui se forme dans les sédiments, en général sur la plate-forme continentale Préciser les paramètres physico-chimiques du milieux de sédimentation ou des eaux interstitielles

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) Taille, nature et classement des éléments figurés Roches détritiques terrigènes Meuble Eléments figurés Consolidée Phase de liaison Porosité

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) Taille, nature et classement des éléments figurés Roches détritiques terrigènes Taille des éléments figurés : 3 classes Taille Roches meubles Roches consolidées Rudite > 2 mm Blocs Galets graviers Conglomérats Arénite 2 mm - 63μm Sables Grès Lutite < 63μm Silts Argiles Siltites Argilites Classe

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) Taille, nature et classement des éléments figurés • Grannulometrie Roches détritiques terrigènes CLASSEMENT Bien classé DEPOT ISOGRANULAIRE EXPOSITION PROLONGEE A UN AGENT DE TRANSPORT Mal classé DEPOT HETEROGRANULAIRE EXPOSITION COURTE A UN AGENT DE TRANSPORT

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) Taille, nature et classement des éléments figurés Roches détritiques terrigènes • Morphoscopie (usure des éléments figurés): Court - grains très anguleux (non usés) - grains subanguleux (usés) - grains très émoussés/arrondis (très usés) Temps De transport Long

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) Taille, nature et classement des éléments figurés Roches détritiques terrigènes Profil typique d'un cours d'eau Immature Maturité Mature - Mx peu résistants (Feld, Mica, …. ) - Mal classé - Peu usé - Mx résistants (Qz, …. ) - bien classé - usé Courant fort Courant faible à nul Dépôt Courant modéré à faible Transport et trie Mobilisation Partie distale Partie médiane Partie proximale

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) Nature des éléments figurés Roches carbonatées • Les bioclastes : restes de squelettes, tests et coquilles calcaire Mollusques (Lamellibranche et Gastéropodes) Echinides (Oursin, astéries, encrines, …) Foraminifères (Milioles, Alvéolines, Nummulites, …) Algues Coraux (polypiers, …) Bryozoaires Extraclastes : clastes terrigènes (origine extérieure • Les éléments détritiques : au bassin) Intraclastes: fragments carbonatés contemporain du sédiment (érosion et redéposition sur place, origine interne au bassin) • Les Pellets : agrégats ovoïdes de nature micritique (homogène). Origine multiple, entre autre pelotes fécales d'organismes. • Les Oolithes : précipitation concentrique autour d'un nucleus

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) Nature des éléments figurés Roches carbonatées • Les bioclastes : restes de squelettes, tests et coquilles calcaire Mollusques (Lamellibranche et Gastéropodes) Echinides (Oursin, astéries, encrines, …) Foraminifères (Milioles, Alvéolines, Nummulites, …) Algues Coraux (polypiers, …) Bryozoaires Biostratigraphie Biofaciès Information sur l'âge des dépôts Paléoenvironements Exemples: Milioles, environnements lagunaire Nummulites, milieux océaniques ouvert

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) relations éléments figurés / phase de liaison Roches carbonatées Classification de DUNHAM Basé sur la texture de la roche (rapport Eléments figurés/phase de liaison). 3 critères : - Présence ou absence de matrice - Proportion des grains (éléments figurés) - Disposition jointive ou non jointive (flottante) des grains

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) relations éléments figurés / phase de liaison Classification de DUNHAM + Boundstones : calcaires construits Roches carbonatées

II. Faciès sédimentaires et paléoenvironnements Les éléments du faciès : Lithologie (lithofaciès) relations éléments figurés / phase de liaison Classification de DUNHAM Roches carbonatées Interprétation en termes d'environnement de dépôt Oolithes