Formation des Couches de Roches : Un Aperçu Détaillé

L'observation des roches révèle que certaines sont constituées de couches parallèles et horizontales, témoignant de leur nature sédimentaire et de la diversité de leurs aspects. Cet article explore les raisons de cette diversité et l'origine de ces formations.

I. Processus de Formation d'une Roche Sédimentaire

Les roches sédimentaires se forment à la surface de la Terre à partir de particules d'origines variées.

1. L'Origine des Particules

• Les particules composant les roches sédimentaires peuvent provenir d'éléments arrachés aux roches par l'érosion.
• Elles peuvent aussi provenir de restes d'êtres vivants.
• Ou encore de minéraux présents en solution (carbonate et calcium) et se transformant en un corps solide (précipité) dans des conditions particulières.

2. Les Dépôts Sédimentaires

Les particules sont le plus souvent transportées par l'eau, mais le vent les déplace également. Elles s'accumulent dans les creux du relief ou au fond de l'eau. Quel que soit le milieu (marin, lacustre, fluviatile ou terrestre), l'ensemble des particules finit par se déposer en couches superposées, formant des dépôts sédimentaires.

Les dépôts sédimentaires se présentent donc sous forme de couches successives, les plus basses couches correspondant aux dépôts les plus anciens.

3. Passage du Sédiment à la Roche

Les dépôts sédimentaires, par leur propre poids, exercent une pression sur les particules. Les couches se compactent et se stabilisent, et l'eau est chassée (déshydratation). Cet ensemble d'actions, appelé diagenèse, donne aux matériaux un aspect stratifié (en couches), compact et une unité. Après cette transformation, le dépôt sédimentaire devient une roche sédimentaire.

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Parfois, la roche reste meuble, comme c'est le cas du sable. Mais le plus souvent, elle se cimente sous l'effet de la diagenèse, comme c'est le cas des calcaires et des grès.

II. La Formation des Roches Détritiques (Sables, Argiles et Grès)

Les roches détritiques sont des roches sédimentaires qui peuvent contenir des fossiles. Les matériaux qui les composent proviennent de la destruction d'autres roches, principalement des granites et des gneiss. Ces particules (grains de taille variable), arrachées par l'érosion, sont entraînées par les eaux de ruissellement jusqu'aux rivières. Lorsque le courant diminue, elles se déposent et forment un milieu de sédimentation. L'empilement de ces matériaux, qui se compriment sous l'effet de la pression exercée par leur poids, constitue une roche détritique.

1. Les Sables

L'altération (transformation chimique) et l'érosion de la roche préexistante forment un sable grossier ou arène, composé de grains de quartz, de feldspaths et d'argile. Les grains de quartz sont facilement entraînés par l'eau ou par le vent et ont une apparence qui dépend de leur mode de transport et du milieu dans lequel ils se déposent.

2. Les Grès

Ils sont composés de grains de quartz (le constituant le plus dur de l'arène) transportés par l'eau sans être dégradés. Ces grains finissent par se déposer. Pendant la diagenèse, l'eau est chassée. Sous l'effet de la pression exercée sur les couches de dépôts, un ciment constitué de silice ou de carbonate de calcium se forme. Les grains de quartz sont ainsi liés les uns aux autres et forment une roche appelée grès.

3. Les Argiles

Les particules argileuses de l'arène sont facilement transportées par l'eau ou par le vent jusqu'à la mer en raison de leur finesse. Elles forment des boues qui, en se déshydratant, donnent un matériau friable.

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III. La Formation des Roches Calcaires

La majorité des roches sédimentaires sont des calcaires composés principalement de carbonate de calcium. Le calcium provient de l'altération d'autres roches comme le basalte ou le gneiss. Les carbonates sont présents dans les solutions qui ont dissous du gaz dioxyde de carbone.

Les roches des massifs calcaires sont altérées par l'action chimique du dioxyde de carbone contenu dans les eaux de ruissellement. De grandes quantités de calcaire sont ainsi dissoutes. Les minéraux en solution sont entraînés par l'eau vers les lieux de dépôts.

La diversité des calcaires (nature et aspect) provient des conditions dans lesquelles ils se sont déposés, des êtres vivants fossilisés qui les composent mais aussi de l'origine chimique ou biologique des dépôts.

1. Les Dépôts d'Origine Chimique

Lorsque l'eau contient du calcaire dissous en très grande quantité, il peut précipiter lorsque le dioxyde de carbone s'échappe. Les particules de calcaire deviennent alors insolubles.

Les calcaires oolithiques sont presque entièrement composés de matériaux qui proviennent de la précipitation chimique du calcaire. Leurs conditions de formation sont très particulières. Dans une mer chaude (27 à 28 °C), très peu profonde (moins de 10 mètres), agitée et riche en calcaire dissous, le carbonate de calcium précipite. Il se dépose autour d'un grain central qu'il enrobe, formant des enveloppes concentriques (appelées oolithes). Les oolithes grossissent puis tombent au fond de la mer. Le sable oolithique finit par chasser l'eau et par se cimenter.

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Dans le sous-sol des bassins sédimentaires, les géologues ont retrouvé d'importantes formations de calcaires oolithiques. On peut actuellement observer la formation de ce type de calcaire sur la plate-forme des Bahamas dans l'océan Atlantique.

2. Les Dépôts d'Origine Biologique

De nombreux animaux et végétaux qui vivent dans l'eau utilisent le calcaire dissous pour fabriquer leur propre squelette. Lorsqu'ils meurent, les squelettes calcaires qu'ils ont produits s'accumulent dans les dépôts sédimentaires. Les fossiles ainsi formés peuvent constituer la presque totalité de la roche calcaire.

• On distingue : les calcaires récifaux contenant principalement des coraux fossiles ;
• les calcaires coquilliers contenant des restes de coquilles de mollusques bivalves et de mollusques gastéropodes ;
• les calcaires à globigérines composés d'animaux microscopiques.

La craie est essentiellement constituée de l'accumulation de fossiles. C'est une roche calcaire très répandue. Elle présente des propriétés qui la distinguent des autres calcaires. Elle est friable, poreuse et perméable. La craie est presque entièrement constituée de squelettes d'algues microscopiques appelées coccolites. C'est dans une mer chaude, riche en phytoplancton (plancton végétal) et peu profonde (quelques dizaines mètres) que se forment les dépôts de craie. La roche contient aussi des rognons de silex alignés. Le silex est une roche très dure qui apparaît au moment de la compaction de la craie. Il est composé de silice.

IV. La Formation d'un Bassin Sédimentaire

Pendant des millions d'années, les sédiments se sont déposés au fond de la mer pour former des bassins sédimentaires.

Les facteurs extérieurs comme le climat ou l'érosion ont modifié les conditions de dépôt des sédiments. L'observation d'une colonne stratigraphique (succession de roches sédimentaires représentées en coupe) fait apparaître de nombreuses roches sédimentaires différentes qui s'empilent les unes au-dessus des autres. On peut en conclure que différents milieux sont intervenus de façon successive. Les dépôts marins et lacustres peuvent se succéder et former des colonnes stratigraphiques de plus de mille mètres par endroit. L'étude de ces colonnes permet de reconstituer les conditions dans lesquelles les roches se sont formées.

Datation des Roches et Fossiles

La datation des roches et des fossiles qu’elles contiennent est une affaire importante en géologie et en paléontologie. Les géologues ont d’abord utilisé une datation relative basée sur les roches sédimentaires, issues de l’érosion des continents et de l’activité d’organismes aquatiques. Le principe de superposition stipule qu’une strate située sur une autre lui est postérieure. Les orogenèses peuvent plisser ou failler les strates. Le principe de continuité indique que deux strates ayant les mêmes caractéristiques sont contemporaines, même si elles sont éloignées. Le principe de l’identité paléontologique stipule que des strates comportant les mêmes fossiles sont contemporaines. La synthèse de ces données a permis d’établir une chronologie relative découpée en éons, ères, périodes, époques et âges.

La datation absolue est basée sur la radioactivité. La méthode de datation la plus connue est celle utilisant le carbone 14, utilisée principalement en archéologie. En paléontologie, on utilise le potassium 40, qui se transforme en calcium 40 et en argon 40. La demi-vie du potassium 40 est de 1,248 milliard d’années. On examine des micas (biotite et muscovite) et des feldspaths potassiques. On utilise aussi le couple rubidium/strontium pour dater les roches les plus anciennes. Il arrive que des strates soient intercalées entre deux coulées de lave solidifiée, qui sont toutes les deux datables. Cela donne un intervalle de temps pour les strates.

Le Cycle des Roches

Bien que nous en connaissions aujourd'hui le fonctionnement, ce cycle est si lent qu'à l'échelle humaine, nous ne pouvons pas voir toutes ses étapes se succéder sur une même roche. Tout part du manteau terrestre : la roche qui le compose y est à l'état visqueux. Sa viscosité est très élevée, mais permet quand même des mouvements très lents (à l'échelle de millions d'années). Dans le manteau et la croûte terrestre, il y a des poches de magma. La roche y est dans un état plus "liquide" : la viscosité y est moins élevée. Lorsque le magma refroidit, il se solidifie et devient une roche dite ignée (du latin igneus qui signifie feu). Une fois en surface, une roche ignée est soumise aux éléments : le vent, l'eau, la pluie, la chaleur, le gel, le dégel... Autant d'éléments qui vont altérer la roche suivant deux phénomènes : l'érosion mécanique (l'alternance gel/dégel induit la formation de fractures par exemple) et l'altération chimique (l'acidité des eaux de pluies dissout la roche). Les sédiments sont ensuite transportés et regroupés dans des endroits (généralement le fond des lacs, des mers et des océans). Ils sont progressivement enfouis, les conditions de pression et de température augmentent, les fluides interstitiels (entre les interstices) induisent la formation de ciment entre les grains : ils s'indurent, c'est la diagenèse. Enfin, les roches métamorphiques peuvent également subir une fusion et retourner à l'état de magma, ce qui relance un cycle des roches complet.

Environnements Géologiques de Formation des Roches Magmatiques

Dans le cas des enveloppes internes, à l’échelle de la Terre, les roches magmatiques se forment dans trois environnements géologiques différents :

• les dorsales médio-océaniques,
• les points chauds,
• et les zones de subduction.

Dans les dorsales, il se produit une remontée de matériel asthénosphérique : comme ce matériel remonte, il est décompressé, et comme il remonte vite, il est décompressé sans avoir le temps de refroidir : cela permet de traverser la courbe du solidus et de produire du magma. On parle de décompression adiabatique dans les dorsales. Les points chauds sont des endroits de la Terre où le géotherme est plus important que la normale parce que du matériel très profond remonte. Dans les zones de subduction, la plaque plongeante se réchauffe et se déshydrate. En se réchauffant, ils se produisent des transformations minérales liées au métamorphisme : ces transformations libèrent de l’eau.

Cycle des Roches et Enveloppes Externes

Dans le cas des enveloppes externe, le cycle des roches passe par la production de sédiments puis de roches sédimentaires, qui sont enfouies puis déformées et métamorphisées. Lorsque les chaînes de montagnes sont érodées, elles sont remises en surface et repartent dans un nouveau cycle. Au niveau des zones de subductions, les sédiments, roches sédimentaires, et la croûte océanique redeviennent magma.

Constitution de l'Écorce Terrestre

Épaisse de 30 à 70 km, l’écorce terrestre des continents est constituée de roches magmatiques, métamorphiques et sédimentaires, dont les âges se comptent en millions à milliards d’années.

• Les roches magmatiques résultent de la cristallisation de magmas qui refroidissent en surface (basalte) ou en profondeur (granite).
• Les roches métamorphiques sont issues de la transformation, à l’état solide, de roches sous l’effet de l’augmentation des températures et pressions (marbre, schiste). Leur affleurement à la surface terrestre résulte autant de la tectonique que des processus d’érosion qui les ont dénudées.
• Les roches sédimentaires sont d’origine marine ou continentale. Celles formées dans les fonds océaniques à mesure de l’accumulation de particules minérales sont les plus nombreuses. Elles recèlent des traces de vie marine (calcaire fossilifère), dont les plus anciennes remontent à plus de 2 milliards d’années. Elles sont stratifiées et compressées sur des épaisseurs pouvant excéder 100 m. Comme les autres roches, ce sont les mouvements de la lithosphère qui les ont propulsées à la surface des terres émergées actuelles.
• Moins fréquentes, moins puissantes (10 à 50 m d’épaisseur) et plus récentes (moins de 2 millions d’années), les formations sédimentaires d’origine terrestre se sont accumulées selon des processus d’altération et d’érosion affectant les surfaces continentales. Les plus communes sont les alluvions.

Exploitation des Ressources Minérales et Archéologie

Les conditions de formation des roches magmatiques, métamorphiques et sédimentaires d’origine marine ainsi que leur chronologie bien antérieure à l’émergence de l’Homme sur la Terre excluent de rechercher en leur sein des traces de vie de nos ancêtres Homo. Mais l’exploitation de ces ressources minérales présente toutefois un intérêt archéologique certain. Aussi les carrières dédiées à la pierre de bâti et aux granulats concassés font l’objet d’une surveillance souple, principalement pour documenter les modalités d’extraction.

Alluvions et Sédiments

Les sables et graviers utilisés aujourd’hui pour le bâti et les équipements proviennent surtout de sédiments déposés par les cours d’eau. Composées de particules minérales arrachées par les rivières aux terrains qu’elles traversent, les alluvions s’accumulent peu à peu dans les fonds de vallées, où leur épaisseur dépasse souvent la dizaine de mètres.

Les matériaux les plus grossiers (cailloutis) se mettent en place lorsque le régime moyen d’un cours d’eau est élevé pendant une durée de l’ordre de 100 000 ans. Au cours des phases glaciaires, la débâcle est à l’origine de dépôts sédimentaires épais qui fournissent aujourd’hui l’essentiel des matériaux extraits dans les carrières de granulats. La grande vigueur des courants n’étant pas favorable à la conservation de sites humains anciens, ces couches sont généralement écartées des recherches archéologiques.

Lorsque le régime moyen des rivières est plus calme, pendant les phases tempérées d’une durée de 10 000 à 20 000 ans, des matériaux plus fins (limons et sables) recouvrent les cailloutis déposés précédemment. Ils ensevelissent peu à peu les sites installés sur les rives, sans les bouleverser outre mesure. De ce fait, les limons de débordements sont prospectés avec soin à la recherche de vestiges archéologiques. En revanche, ils n’intéressent pas les carriers, qui les décapent afin d’atteindre le granulat, puis les stockent pour réaménager le site après son exploitation.

Caractères Généraux des Roches

L'observation géologique montre l'existence de roches variées dans leur manière d'être, c'est-à-dire dans leurs conditions de formation. Les roches exogéniques prennent naissance à la surface de l'écorce terrestre. Certaines se forment sur place, par évolution des roches préexistantes sous l'action principale des agents atmosphériques : ce sont les roches résiduelles. Mais elles résultent en majorité d'un transport de matériaux issus de la dissolution ou de la désagrégation en surface des formations antérieures. Ces matériaux se déposent ensuite par gravité, précipitation chimique ou action des organismes en couches successives de « sédiments » qui évoluent eux-mêmes (diagenèse) pour donner les roches sédimentaires.

Les roches endogéniques se constituent à l'intérieur du globe. Les plus remarquables, comme les basaltes, sont issues de matières fondues éjectées en surface à partir du manteau supérieur ou de la base de la croûte lors des phénomènes volcaniques : ce sont les roches volcaniques. D'autres, comme les granites, ont cristallisé en profondeur et ne sont visibles que grâce à l'érosion consécutive à des déformations de l'écorce : ce sont les roches plutoniques. Toutes, volcaniques ou plutoniques, proviennent de la cristallisation de matières fondues, ou magmas, issues du manteau supérieur ou formées par fusion (anatexie) de l'écorce elle-même. Aussi groupe-t-on toutes ces roches, auxquelles il faut ajouter les roches filoniennes), en roches magmatiques.

En fait, l'écorce est en continuelle évolution. Dans le mouvement des plaques lithosphériques, les sédiments et les roches entraînés en profondeur subissent des transformations métamorphiques pouvant aller jusqu'à la fusion, avec formation de migmatites ou même individualisation de nouveaux magmas, puis retourner en surface suivant des cycles liés à l'orogenèse. Cependant, les roches conservent des traces des états antérieurs, dans leur composition ou leur organisation, comme une sorte de « mémoire » de leur vie passée, et c'est ce qui permet de déchiffrer une partie de leur histoire.

Les caractères essentiels des roches concernent leur composition (chimique et minéralogique) et leur architecture ; ils sont nécessairement en rapport avec les circonstances de leur formation et de leur évolution. Mais ils diffèrent selon l'échelle d'observation, parce que l'agencement de la matière change fondamentalement pour des niveaux d'organisation différents.

Les niveaux d'organisation correspondant à l'atome et au cristal ne sont pas du domaine de la pétrographie, bien que leur connaissance soit indispensable. C'est l'échantillon de roche qui constitue le niveau d'organisation essentiel et permet de définir des types pétrographiques, base des classifications. En pétrographie, on qualifie de « roches acides » celles qui contiennent plus de 65 p. 100 en poids du constituant SiO2 (la silice).

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