La classification des roches sédimentaires

F. LES ROCHES ORGANIQUES (charbon, huile et pétrole)

La matière organique qui compose l’essentiel des organismes vivants se décompose en présence d’oxygène et donne du dioxyde de carbone et de l’eau selon la réaction suivante:

C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6 H2O

Il s’agit de la réaction inverse de la photosynthèse qui associe le dioxyde de carbone et l’eau en utilisant la lumière solaire comme énergie et la chlorophylle comme catalyseur pour fabriquer des hydrates de carbone. Les bactéries et les microbes participent à la décomposition de la matière organique et ce dans tous les environnements à l’exception des environnements anoxiques où les conditions anaérobies sont actives très tôt. Comme la plupart des environnements sont oxydants, beaucoup de roches ne contiennent que très peu de matière organique (0,05% dans les grès, 0,3% dans les carbonates et 2% dans les mudstones).

Les dépôts organiques modernes Trois types sont connus actuellement, l’humus, la tourbe et les sapropèles.

L’humus se forme dans la partie supérieure des sols (voir partie concernant les sols). La décomposition affecte la matière organique et produit des acides humiques qui sont capables de lessiver les roches et les argiles. Il ne forme pas un dépôt organique car il est complètement oxydé avec le temps.

La tourbe est une accumulation massive de débris de plantes dans des zones de marais. Les conditions anaérobiques préservent de manière extraordinaire la matière organique. La tourbe se forme à toutes les latitudes mais le climat froid ralentit encore l’activité des bactéries comme en témoigne les tourbes du Canada et du Nord de l’Europe développées au cours de l’Holocène. La classification des roches sédimentaires

Les sapropèles correspondent à du matériel organique accumulé dans les bassins peu à très profond, dans les lagons et les lacs. La matière organique dérive du phytoplancton et il faut une circulation restreinte des eaux, une stagnation et une stratification des corps d’eaux pour obtenir des conditions anaérobies.

Les dépôts organiques anciens On les classe en deux groupes principaux: les charbons humiques formés par l’accumulation de sédiments organiques de végétaux et de plantes in situ et les charbons sapropéliques constitués d’algues, de spores et de débris de plantes transportés ou déposés.

Les charbons humiques forment une série naturelle depuis la tourbe jusqu’à l’anthracite en passant par la lignite et les charbons bitumineux. La houillification [coalification or carbonification] réfère à tous les processus nécessaires pour convertir de la tourbe en charbon au cours de la diagenèse et de l’enfouissement. On utilise la catégorie de charbon (ou le rang) pour mesurer le degré de houillification. Par changement progressif du rang, la teneur en carbone augmente et la teneur en volatils diminue. Les charbons contiennent des gaz volatils comme l’hydrogène, le dioxyde de carbone, l’azote et le méthane principalement mais également de l’eau qui disparaît dès que le charbon est chauffé en l’absence d’air. Les charbons qui contiennent beaucoup de volatils produisent de la fumée pendant qu’ils brûlent par opposition à ceux dont la teneur en volatils est plus faible (rang plus avancé) qui produisent de belles flammes. Le résidu carbonisé issu de la combustion du charbon s’appelle le coke. La classification des roches sédimentaires En surface d’une tourbière, la tourbe est brun claire et devient noire en profondeur, plus compacte et stratifiée.

Plus compacte et plus homogène de couleur brune à noire 1 km soit des T° de 30-50°C

Plus de traces de végétaux visibles à l’œil nu

5 km soit des T° de 100-200°C

anchizone

métamorphisme La classification des roches sédimentaires

Les stades initiaux de la houillification: tourbe et lignite

Les composés organiques des végétaux qui sont soumis à la décomposition en présence d’oxygène sont : la lignite, la cellulose et les tanins.

•La lignite (composé fortement polymérisé à noyaux aromatiques) constitue la charpente et les tissus vasculaires des végétaux supérieurs. Sa résistance chimique est élevée et elle n’est pas attaquée par les bactéries. Elle est cependant attaquée par des champignons (jusqu’à ½ m de profondeur dans les tourbes) qui permettent sa transformation ultérieure par des bactéries aérobies en acides humiques. Cette transformation se poursuit de manière plus lente et provoque la disparition partielle de la lignite au cours du processus de houillification.

•La cellulose qui forme le composant de la majeure partie des parois cellulaires est détruite par les bactéries et donne soit des gaz (CO2, CH4 et H2) en milieu oxique soit des acides humiques en milieu anoxique. Si le milieu est très acide, l’activité bactérienne est limitée et une partie de la cellulose est préservée (marais à Sphagnum).

•Les tanins qui imprègnent certains tissus végétaux comme les écorces et les racines sont particulièrement résistants auxquels on ajoute les chlorophylles, les huiles, les cires cuticulaires et les résines.

Deux phases successives de dégradation se produisent: l’humification et la gélification.

L’humification correspond à la transformation des composés organiques en acides humiques. Elle se développe au stade des tourbes et est quasi terminée au stade des lignites tendres. Elle conduit à une concentration en carbone de 50-60% et une perte d’eau de 70-90% (par compaction essentiellement). Selon les conditions du milieu (Eh, pH, oxygénation), on distingue la tourbification et la putréfaction. La classification des roches sédimentaires

•La tourbification qui se produit en milieu oxique dans les 50 premiers cm de l’accumulation de matière organique (en milieu sec ou aqueux), permet la destruction de la cellulose et la transformation de la lignine en acides humiques.

•La putréfaction qui s’opère en conditions anaérobies (eaux stagnantes) induit la préservation de la lignine alors que la cellulose produit des acides humiques.

Ce sont ces deux processus qui induisent les variations de composition des vitrinites qui sont soit plus ligneuses soit plus cellulosiques.

La gélification constitue une seconde phase de dégradation au cours de laquelle les matières humiques prennent une forme colloïdale d’abord pendant une phase de gélification biochimique (contrôlée par le milieu de dépôt au stade tourbe/lignite tendre) ensuite par une phase de gélification géochimique (au passage entre les lignites mat/brillant). Cette dernière transformation nécessite une évolution thermique et correspond à la vitrinisation.

La houillification sensu stricto: les charbons (houilles et anthracites)

Les charbons se composent d’une fraction organique (les macéraux) et d’une fraction inorganique (les cendres).

- Les macéraux sont répartis en trois grands groupes à partir des propriétés optiques (pouvoir réflecteur) en: • exinite (ou liptinite) formée à partir des spores, pollens, résines et cuticules (peu réfléchissante) • vitrinite composée essentiellement de bois (pouvoir réflecteur moyen), • inertinite, résidu oxydé de débris de plantes est le plus réfléchissant. La classification des roches sédimentaires La classification des roches sédimentaires

Les charbons sont classés en six lithotypes en fonction de leur aspect macroscopique. On distingue les charbons humiques (lithotypes Vitrain, Clarain, Fusain et Durain) qui proviennent de débris de plantes macroscopiques >< aux charbons sapropéliques (lithotypes Cannel coals – spores et pollens, Bogheads – algues).

La majorité des charbons exploitables sont de type humiques et proviennent de la transformation de la tourbe. La présence de charbons sapropéliques au sommet de ces séquences indique la disparition de la tourbière par ennoiement graduel.

- La teneur en cendres comprend: (1) des minéraux détritiques (d’origine éolienne essentiellement) avec parfois des niveaux détritiques liés à des inondations fluviatiles des marécages en période de crue. Les tonsteins représentent des niveaux de cendres volcaniques préservés dans ces milieux. (2) des minéraux dérivés des végétaux comme l’opale des graminées amenées par voie éolienne mais leur pourcentage est difficile à estimer. (3) les minéraux authigènes se développent précocement dans la tourbe au cours de l’accumulation de matériel végétal et poursuivent leur croissance au cours de la houillification.

La houillification ou carbonification

Ce processus correspond à un enrichissement en carbone et à l’élimination des éléments volatils (gaz + eau) depuis la tourbe jusqu’au graphite. On observe également une augmentation du pouvoir de réflectance de la vitrinite. Le passage lignite/houille correspond à la formation de la micrinite. Elle correspond au stade de la genèse des hydrocarbures (fenêtre à huile des pétroles) ou zone de bituminisation pour les charbons.

La majorité des gisements de charbons sont interprétés comme des systèmes deltaïques. On distingue au Carbonifère, les gisements paraliques (Westphalien) où l’accumulation se fait dans les deltas et les lagunes >< au gisement limniques (Stéphanien) où l’accumulation se fait dans des lacs. La classification des roches sédimentaires

Les pétroles

La composition des pétroles est un mélange complexe de solides (bitumes), de liquides (huiles) et de gaz. Les pétroles bruts contiennent 85% de carbone et 13% d’hydrogène + des éléments mineurs (< 3%) dont S, N, O, V, P.

Les pétroles bruts contiennent une variété de produits dont des hydrocarbures saturés (alcanes et naphtènes), des hydrocarbures non saturés ou aromatiques et des bitumes (asphaltes).

Le gaz naturel peut exister soit en relation avec le pétrole sous forme de poche de gaz coiffant un réservoir de pétrole ou sous forme dissoute dans l’huile (libéré lors d’une diminution de la pression) soit isolé sous forme d’un gisement propre. On distingue à ce propos les gaz secs (méthane, éthane) associés aux charbons, des gaz humides (qui contiennent au moins 50% de butane et de propane) associés au pétrole.

Le pétrole résulte de l’évolution au cours du temps, par enfouissement et augmentation de la température, de la matière organique (kérogène) dispersée dans les roches sédimentaires souvent de granulométrie fine (roches mères).

La diagenèse précoce de la matière organique (MO) peut conduire à une production importante de méthane et à la formation de kérogène. La classification des roches sédimentaires

Parce que la mousse de tourbe (sphagnum) peut emmagasiner l'eau de pluie, les tourbières sont indépendantes de la nappe phréatique. Pour assurer leur croissance (de 1 à 10 mm environ par an), les tourbières doivent recevoir beaucoup de précipitations (minimum de 700 mm). Drents Museum. La classification des roches sédimentaires

Cette pirogue monoxyle sculptée dans le tronc d'un pin fait près de 3 mètres de long. Elle a été découverte en 1955, au cours des travaux de construction d'une autoroute, dans une petite tourbière près du village de Pesse dans la province de Drenthe (Pays-Bas). Cette embarcation de l'âge mésolithique, dont l'existence remonte à 8500 ans avant J.-C. selon la datation au radiocarbone, est la plus ancienne que l'on connaisse dans le monde. Drents Museum. La classification des roches sédimentaires

Jarre en céramique décoré dans le style de la culture du vase campaniforme (3400 - 2850 avant J.-C.). Mesurant un peu plus de 17 cm, ce récipient a été découvert au printemps de 1931 dans une tourbière aux environs du village de Weerdinge dans la province de Drenthe (Pays- Bas). Drents Museum.

Roue pleine d'un diamètre de près de 75 cm, sculptée dans une seule pièce de bois. Cette roue en chêne ainsi qu'une autre semblable ont été retrouvées dans une petite tourbière près d'Ubbena dans la province de Drenthe (Pays-Bas). Datant d'environ 2700 avant J.-C., elle est l'une des plus anciennes roues jamais découvertes en Europe. Drents Museum. La classification des roches sédimentaires

Découvert en 1900 dans une tourbière de la région de Neu Versen en Allemagne, ce corps est connu sous le nom de Red Franz. L'homme, dont la dépouille a été retrouvée couchée sur le dos, aurait vécu entre 200 et 400 après J.-C. On ignore toujours à quoi Red Franz pouvait ressembler de son vivant. Toutefois, on procède actuellement à la reconstitution de ce visage qui sera présenté en primeur dans le cadre de l'exposition Le mystérieux peuple des tourbières. Drents Museum. La classification des roches sédimentaires

Corps d'une jeune fille, appelé la fille d'Yde, provenant d'une tourbière des Pays-Bas. Les restes de cette jeune fille de 16 ans, qui aurait vécu au premier siècle de l'ère chrétienne, ont été découverts en 1896 dans une petite tourbière renfermant également des débris d'étoffe de laine. Elle porte encore au coup le cordon de laine ayant servi à l'étrangler. Drents Museum. La classification des roches sédimentaires

Corps du Nederfrederiksmose - Le corps du Nederfrederiksmose (1898) est le premier qui ait été photographié sur place, c'est-à-dire au site même où il a été mis au jour. Drents Museum. La classification des roches sédimentaires

Découvert le 8 mai 1950 au Danemark l'Homme de Tollund vivait en - 350 avant J-C. Les parties molles de son corps sont parfaitement conservées grâce à l'action de l'acide humique contenu dans les tourbières de la région. Le contenu de son estomac a permis d'étudier son alimentation. Les raisons de sa mort ont été assez simples à trouver : il portait encore autour du cou la corde qui a servi à l'étrangler... Pendaison ou sacrifice rituel ? La classification des roches sédimentaires

The Iron Age lasted from approximately 500 B.C. until 800 A.D. The name "Iron Age" is connected with the fact that after the end of the Bronze Age a method for extracting iron was discovered. La classification des roches sédimentaires

D’autres tourbières au Danemark ayant livré des corps (carte de gauche).

La carte de droite montre 80 sites où des momies ont été retrouvées. 12 sites sont remarquables. 1. 400-200 B.C. Found in County Galway, in 1821 2. Meenybraddan Woman A.D.1500-1600 Found in County Donegal, Ireland in 1978 3. Oldcroghan Man 350-175 B.C. Found in County Offaly, Ireland in 2003 4. 100 B.C. - A.D. 100 Found near Manchester, England in 1984 5. Amcotts Moor Woman A.D. 200-400 Found in Lincolnshire, England in 1747 6. Yde Girl 100 B.C. - A.D. 50 Found in Drenthe, The Netherlands in 1897 7. Weerdinge Men 100 B.C. - A.D. 50 Found in Drenthe, The Netherlands in 1904 8. Rendswühren Man 100 B.C. - A.D. 100 Found near Kiel, Germany in 1871 9. Osterby Man A.D. 1-100 Found near Osterby, Germany in 1948 10. Windeby Girl A.D. 1-200 Found near Windeby, Germany in 1952 11. 400-300 B.C. Found in , Denmark in 1950 12. 100 B.C.- A.D.100 Found in Aarhus, Denmark in 1952 Pour plus de détail: http://www.pbs.org/wgbh/nova/bog/iron-nf.html