Sédimentation et milieux de sédimentation

a) Un sédiment est un ensemble de particules (fragments de roches, grains de minéraux, débris d'êtres vivants) ou de substances précipitées, déposé à la surface de la Terre et non consolidé. La sédimentation est le dépôt de ces matériaux : il se produit quand l'agent de transport perd son énergie, par précipitation ou par accumulation de restes d'êtres vivants.

b) Continentaux : le lit d'un fleuve, un lac (ou un désert, un glacier). Littoraux : une plage, un delta (ou un estuaire, une vasière). Marins : le plateau continental, la plaine abyssale (ou le talus).

c) Un milieu ne peut se remplir que jusqu'au niveau où l'eau ou le courant cesse de déposer. Si le fond s'enfonce lentement (subsidence), de la place est sans cesse libérée et les dépôts peuvent se superposer sur des centaines de mètres. La subsidence entretient l'espace disponible, ce qui permet l'accumulation de grandes épaisseurs.

d) La diagenèse est l'ensemble des transformations qui changent un sédiment meuble en roche sédimentaire cohérente, à faible profondeur. Ses deux principaux processus sont la compaction (tassement et expulsion de l'eau) et la cimentation (précipitation de minéraux qui soudent les grains).

a) On compare chaque diamètre aux limites des classes : argiles sous 4 µm, silts de 4 à 63 µm, sables de 63 µm à 2 mm, graviers et galets au-delà de 2 mm.
• A : 2 µm < 4 µm → argile.
• B : 0,035 mm = 35 µm, compris entre 4 et 63 µm → silt.
• C : 0,4 mm, entre 63 µm et 2 mm → sable.
• D : 15 mm > 2 mm → gravier.
• E : 1,7 mm < 2 mm → sable (très grossier) et non gravier : la limite est 2 mm.

b) La vitesse seuil de dépôt augmente avec la taille : les plus grosses particules se déposent les premières dès que le courant ralentit. Ordre de dépôt : D, E, C, B, A.

c) A → argilite ; B → siltite ; C et E → grès ; D → conglomérat.

a) Dépôt : le sable se dépose sur la plage quand l'énergie des vagues diminue. Enfouissement : il est recouvert par des dépôts plus récents et descend en profondeur. Compaction : le poids des couches sus-jacentes rapproche les grains et chasse l'eau. Cimentation : des minéraux précipités par l'eau des pores soudent les grains.

b) La porosité est la part du volume occupée par les vides. En compaction, les grains se réarrangent et se rapprochent sous la charge, l'eau qui remplissait les vides est expulsée : le volume des vides diminue plus vite que le volume total, donc la porosité diminue.

c) L'effervescence traduit un dégagement de dioxyde de carbone, caractéristique du carbonate de calcium. Elle se produit seulement entre les grains : le ciment du grès est calcaire (calcite), alors que les grains sont en quartz.

d) Vase argileuse → argilite ; boue à coccolithes → craie ; galets arrondis → conglomérat (poudingue) ; débris végétaux → charbon.

a) Une particule se dépose si la vitesse est inférieure à son seuil ; elle reste transportée sinon.
• Torrent (150 cm/s) : 150 > 110, aucune de ces particules ne se dépose.
• Piémont (60 cm/s) : 60 < 110 mais 60 > 35 → galets.
• Plaine (14 cm/s) : 14 < 35 mais 14 > 3 → graviers.
• Estuaire (1,6 cm/s) : 1,6 < 3 mais 1,6 > 0,2 → sables.
• Mer côtière (0,05 cm/s) : 0,05 < 0,2 mais 0,05 > 0,001 → silts ; les argiles restent en suspension.

b) On dépose successivement des particules de 20 mm, 4 mm, 0,3 mm puis 0,02 mm : la vitesse du fleuve diminue vers l'aval et chaque zone ne retient que les particules dont le seuil dépasse la vitesse locale. C'est un granoclassement longitudinal (tri des particules le long du trajet).

c) Le document 1 concerne des particules isolées en eau douce. Dans l'estuaire, l'eau douce se mélange à l'eau salée : les argiles s'agglomèrent en flocons (floculation), plus gros, qui se déposent à des vitesses bien plus élevées. De plus, à l'étale de marée, l'eau est presque immobile. Les vases de l'estuaire s'expliquent par la floculation au contact de l'eau salée.

d) À 80 cm/s, 80 < 110 : les galets se déposent dans la plaine, alors que graviers et sables (80 > 35) sont emportés. Quand la vitesse redescend, passent successivement sous 35 cm/s puis sous 3 cm/s, graviers puis sables se déposent par-dessus. La crue laisse une couche à granoclassement vertical normal : galets à la base, graviers, puis sables au sommet.

a) Des grains ronds et mats sont usés par des chocs répétés dans l'air ; un tri très poussé et de grandes stratifications obliques correspondent à des dunes ; l'absence de fossiles est cohérente avec un milieu sans vie abondante. R1 : désert, dunes éoliennes.

b) Les coraux en position de vie n'ont pas été transportés : ils ont vécu là. Les coraux constructeurs actuels vivent dans une eau chaude, claire et peu profonde (lumière nécessaire aux algues associées). R2 : récif d'une mer chaude peu profonde, sur le plateau continental.

c) Les fines couches d'argile indiquent une décantation en eau calme. Les fentes polygonales sont des fentes de dessiccation : la vase a séché à l'air, puis du sable les a remplies. Les empreintes de pas prouvent aussi une surface émergée. R3 : vasière ou plaine d'inondation, alternativement recouverte d'eau et exondée.

d) Des galets arrondis ont été usés par un long transport dans l'eau ; leur mauvais tri et les lentilles qui entaillent les couches indiquent des chenaux creusés par un courant rapide et irrégulier ; le bois signale un milieu continental. R4 : lit (chenal) d'une rivière torrentielle.

e) C'est le principe d'actualisme : les dépôts actuels servent de modèles pour interpréter les roches anciennes. Limite : les êtres vivants ont changé (les coraux anciens n'appartiennent pas toujours aux groupes actuels) et certaines conditions passées n'existent plus ; on compare donc des processus et des milieux, avec prudence.

a) La couche claire se forme pendant la saison chaude, quand la fonte apporte des silts ; la couche sombre se forme pendant la saison froide, sous la glace. Une couche claire suivie d'une couche sombre représente donc un été puis un hiver : chaque couple, appelé varve, correspond à une année.

b) La carotte représente 347 ans. $v=\frac{960\text{mm}}{347\text{ ans}}\approx$ 2,77 mm/an.

c) 21 m = 21 000 mm. Durée : $t=\frac{21000}{2,77}\approx 7581$ ans. Le lac serait comblé en environ 7 600 ans.

d) • Le taux n'est pas constant : il dépend du climat et de l'activité du glacier (qui peut reculer, voire disparaître).
• Les couches profondes de la carotte sont déjà compactées : le taux calculé sur elles est un peu inférieur au taux de dépôt réel, et les nouveaux dépôts se tasseront à leur tour.
Le résultat est donc un ordre de grandeur, pas une date précise.

a) La porosité est le rapport du volume des vides au volume total. Si 42 % du volume est vide, les grains occupent 100 − 42 = 58 % : 1 m³ de sable contient 0,58 m³ de grains.

b) Surface constante : les volumes sont proportionnels aux épaisseurs. Épaisseur « de grains » : 28 × 0,58 = 16,24 m. Après compaction, les grains occupent 100 − 11 = 89 % du volume, donc l'épaisseur $e$ vérifie $0,89\times e=16,24$, d'où $e=\frac{16,24}{0,89}\approx 18,25$ m. La couche ne mesure plus qu'environ 18,2 m.

c) La cimentation comble les pores avec un minéral nouveau (calcite, silice) sans rapprocher les grains : elle diminue la porosité sans réduire l'épaisseur. Pour atteindre 11 % de porosité, la compaction a donc eu moins à faire que dans le calcul. L'épaisseur finale sera supérieure à 18,2 m.

d) Dans une roche saturée, l'eau occupe les vides : 0,42 m³ pour le sable, 0,11 m³ pour le grès. $\frac{0,42}{0,11}\approx 3,8$ : le grès contient environ 3,8 fois moins d'eau par m³ que le sable dont il provient.

1. De la base au sommet, le diamètre moyen passe de 1,2 mm (sable grossier) à 0,15 mm (sable fin), puis 0,03 mm (silt) et moins de 4 µm (argile) : la taille des grains diminue régulièrement vers le haut. C'est un granoclassement vertical normal.

2. Pour arriver jusqu'au site, un grain de 1,2 mm doit avoir été transporté par un courant au moins supérieur à 13 cm/s, sans quoi il se serait déposé plus haut. Or les courants de fond habituels restent inférieurs à 5 cm/s, soit moins de la moitié de ce seuil. Les courants habituels ne peuvent pas amener ce sable : il faut un événement exceptionnel, beaucoup plus rapide.

3. Les foraminifères de N1 montrent que le sable vient du plateau continental. Un événement brutal (un séisme, par exemple) déstabilise les sédiments du haut du talus, qui dévalent la pente mélangés à l'eau sous forme d'un écoulement très rapide (plusieurs m/s d'après le document 2), capable de transporter du sable grossier et d'entailler le fond (base érosive de N1). Au pied du talus, la pente s'adoucit et l'écoulement ralentit : les grains se déposent dans l'ordre de leurs seuils, sables grossiers (N1), sables fins avec rides tant que le courant subsiste (N2), puis silts (N3). Chaque séquence est le dépôt d'un courant sous-marin chargé de sédiments qui ralentit : une turbidite.

4. Les foraminifères benthiques de N1 vivaient sur le fond à moins de 200 m : ils ont été arrachés au plateau et transportés avec le sable. Ceux de N4 vivaient dans les eaux de surface au-dessus du site et sont tombés lentement avec les argiles : N4 correspond à la sédimentation lente et calme du site entre deux événements. Trois séquences superposées signifient que ces écoulements brutaux se sont produits au moins trois fois, séparés par de longues périodes de décantation.

1. La teneur en carbonates diminue quand la profondeur augmente : 88 % à 1 800 m, 71 % à 3 100 m, puis chute à 23 % à 4 300 m et 3 % seulement à 5 600 m. La baisse est lente jusqu'à 3 100 m, puis très rapide au-delà.

2. D'après le document 2, les organismes producteurs vivent dans les eaux de surface de tout l'océan : au-dessus d'un fond à 5 600 m, la production de squelettes calcaires est du même ordre qu'au-dessus d'un fond à 1 800 m. Tous les points sont situés loin des côtes. La différence ne vient donc pas de l'apport, mais de ce que deviennent les squelettes pendant leur chute et sur le fond.

3. Les squelettes traversent une colonne d'eau de plus en plus froide et sous pression, où le carbonate se dissout davantage. À 5 600 m, on est sous la profondeur de compensation (environ 5 000 m) : la dissolution l'emporte sur l'apport, presque tout le carbonate disparaît. Il ne reste que les argiles, d'où 3 % de carbonates seulement.

4. 3,8 m = 3 800 mm. $t=\frac{3800}{2,5}=1520$ millénaires, soit 1 520 000 ans (environ 1,5 million d'années).

5. Par actualisme, un dépôt riche en carbonates d'origine planctonique indique un fond situé au-dessus de la profondeur de compensation, qui vaut aujourd'hui environ 5 000 m dans l'Atlantique. Mais le document 2 précise que cette profondeur a varié au cours des temps géologiques : elle a pu être différente lors du dépôt de ce calcaire. L'affirmation est donc trop catégorique : on peut seulement dire que le calcaire s'est déposé au-dessus de la profondeur de compensation de son époque, dont la valeur doit être établie par d'autres indices.

1. Baisse : 21 − 4,6 = 16,4 millions de tonnes par an. Baisse relative : $\frac{16,4}{21}\approx 0,781$. Le flux a diminué d'environ 78,1 %.

2. Le fleuve, rapide, entre dans une étendue d'eau presque immobile : sa vitesse chute brutalement à l'entrée de la retenue, où se déposent les particules à seuil élevé (graviers, sables). Les particules plus fines, encore transportées, se déposent plus loin à mesure que le courant s'éteint (sables fins, silts). Près du barrage, l'eau est calme : seules les argiles et silts fins décantent, en couches régulières. La retenue fonctionne comme un lac artificiel où s'observe un granoclassement longitudinal.

3. $t=\frac{340}{1,9}\approx 178,9$ ans. La retenue serait comblée en environ 179 ans si le rythme restait constant.

4. Durée : 2010 − 1950 = 60 ans ; vitesse : $\frac{380}{60}\approx 6,3$ m/an. Le rivage a reculé d'environ 6,3 m par an. Un delta ne progresse ou ne se maintient que si les apports du fleuve compensent ce que les vagues et les courants marins emportent. Les barrages retiennent une grande partie des sédiments (document 2), si bien que le flux à l'embouchure a baissé de près de 80 % (document 1) : les apports ne compensent plus l'érosion littorale et le rivage recule.