Cours de Lithostratigraphie M1

LITHOSTRATIGRAPHIE La lithostratigraphie est l’étude des empilements sédimentaires, de leur organisation et de l’enregistrement du temps à partir des données lithologiques Dans le contexte de la recherche actuelle dans les sciences de la terre, où les études pluridisciplinaires dites intégr...

LITHOSTRATIGRAPHIE La lithostratigraphie est l’étude des empilements sédimentaires, de leur organisation et de l’enregistrement du temps à partir des données lithologiques Dans le contexte de la recherche actuelle dans les sciences de la terre, où les études pluridisciplinaires dites intégrées prennent de l’ampleur, la lithostratigraphie intervient à différentes étapes de la reconstitution de l’histoire géologique d’une région En amont d’une étude lithostratigraphique se place une phase analytique élémentaire (Tableau I), purement lithologique. Elle s’appuie sur tous les outils possibles, sur le terrain, en subsurface et en laboratoire: pétrographie, minéralogie, géochimie, paléontologie, sédimentologie, diagraphie… qui définissent le faciès (lithofaciès et biofaciès). Cette étude aboutit à la reconnaissance d’unités lithostratigraphiques formant des ensembles lithologiques homogènes hièrarchisés. Ces unités doivent être identifiables en trois dimensions et traduire par leur extension une histoire géologique significative Les unités lithostratigraphiques répresentent en effet la trame des relations entre l’espace et le temps et sont donc la base de toute synthèse stratigraphique régionale La description analytique est suivie par une approche relationnelle (analyse séquentielle) visant à reconnaître les séquences de faciès , ensembles de strates caractérisées par une succession horizontale et verticale de faciès. Ces séquences de faciès intègrent les évolutions graduelles des différents éléments constitutifs d’une roche (ou séquences d’objets). Elles sont également hiérarchisées. Les cycles de faciès caractérisent des évolutions continues et répétitives d’un ou plusieurs composants d’une roche. Le terme de cycle, tel qu’il est employé en lithostratigraphie, n’implique pas une véritable périodicité physique, mais seulement un retour à un état plus ou moins proche de l’état initial. Cette approche relationnelle sur les successions, déplacements et répétitions des faciès donne des clés indispensables à la compréhension de la position des lignes temps dans les unités lithostratigraphiques à l’échelle régionale. Les données régionales ne peuvent être prises en compte en faisant abstraction d’événements planétaires, par exemple eustatiques, d’origine géodynamique, climatique, astronomique… dont l’influence sur la composition, la géométrie des dépôts et les discontinuités dans les séries est évidente. Cette démarche en plein essor, a donné lieu au développement de diverses méthodes: stratigraphies génétiques (stratigraphie faciologique, stratigraphie séquentielle, cyclostratigraphie) et stratigraphie évènementielle. Celles-ci ne suffisent pas à donner des indications d’âge mais impliquent l’identification de surfaces ou d’unités de dépôt plus ou moins synchrones régionalement, qui seront datées par d’autres outils (géochronologie isotopique, biostratigraphie…). La lithostratigraphie offre maintenant des outils parfois très précis pour définir des lignes temps à l’échelle régionale. A leur point d’aboutissement, les synthèses stratigraphiques régionales, qui sont la base des synthèses globales, sont fondées sur des études lithostratigraphiques intégrant toutes les données lithologiques, biologiques, génétiques et séquentielles propres à la région. Elles peuvent ainsi être calées dan le cadre événementiel global qui les contrôle en partie. Les unités lithostratigraphiques constituent donc des éléments de référence de la reconstitution de l’histoire géologique, c’est-à- dire de la stratigraphie. La lithostratigraphie a valeur de base et de cadre général pour la stratigraphie intégrée, dans la mesure où c’est elle qui exprime le plus complètement, dans l’histoire géologique; les relations entre l’espace et le temps.  2-1- Vocabulaire. Vocabulaire 2-1-1- Les unités de surface. 2-1-1-1- Définition Nous désignons par le terme d’unité lithostratigraphique un ensemble lithologique distinct dont les limites peuvent être reconnues. Une même lithologie ou des lithologies voisines associées sont donc à la base de la reconnaissance d’un ensemble dont les contours en trois dimensions doivent être définissables. De telles unités sont hiérarchisées à différentes échelles : de l’affleurement à l’ensemble cartographiable d’extension régionale. 2-1-1-2- Individualisation et nature des unités lithostratigraphiques L’homogénéité dans la lithologie à l’intérieur de limites reconnaissables traduit une histoire géologique commune. Même faciès témoignant d’un même paléoenvironnement sédimentaire; exemple d’un lagon: le calcaire de Caomblanchien (Cavelier et al., 1980). De telles unités sont hiérarchisées à différentes échelles : de l’affleurement à l’ensemble cartographiable d’extension régionale. L’homogénéité dans la lithologie à l’intérieur de limites reconnaissables traduit une histoire géologique commune. Même faciès témoignant d’un même paléoenvironnement sédimentaire; exemple d’un lagon: le calcaire de Caomblanchien (Cavelier et al., 1980). même contenu biologique sans implication chronologique, exemple du Calcaire à gryphées (MEGNIEN, 1980) ; même nature d’apports sédimentaires dans un ensemble marginal englobant des faciès détritiques côtiers, génétiquement associés mais déposés dans des milieux fluviatiles, lagunaires à marin ; exemple des Grès vosgiens (MEGNIEN, 1980) ; même cimentation de dépôts éventuellement de nature et d’âge différents, traduisant une histoire diagénétique commune ; exemple d’un cuirassement : Sidérolitique… (MEGNIEN, 1980) ; même histoire structurale entre discontinuités tectoniques à valeur régionale ; exemple du Pontien du Jura.  2-1-1-3- Unité lithologique et unité lithostratigraphique Toute étude lithologique descriptive nécessite un découpage en ensembles différenciés à différentes échelles dans le vocabulaire courant de l’analyse lithologique, certains termes sont très employés : lamine, lit, couche, banc, barre, horizon, strate, série, séquence…. Une unité acquiert le nom d’unité lithostratigraphique quand elle forme un ensemble suffisamment important (verticalement et/ou horizontalement) pour mériter d’être individualisée dans un tableau de corrélations stratigraphiques Si l’âge d’une unité lithostratigraphique n’est pas obligatoirement défini, son extension doit l’être dans la mesure du possible et en trois dimensions L’ensemble ainsi circonscrit doit également avoir une taille suffisante et /ou traduire un fait ou une histoire géologique suffisamment significative d’ordre sédimentaire, diagénétique ou structural Une mince couche cineritique à haute valeur de corrélation (BOUROZ et al,1983) mérite en effet d’être retenue dans une synthèse stratigraphique régionale (Fig.1),de même qu’une barrière récifale d’âge variable selon les points mais de grande importance paléogéographique et lithologique (potentialités de réservoir). Dans un texte, quand l’auteur veut signifier qu’il parle d’unité lithostratigraphique et pas simplement d’unité lithologique, il lui donne un nom et le fait commencer par une majuscule ; exemple : les Grès de Fontainebleau.  2-1-1-4- Types d’unités Les types d’unités sont hiérarchisés pour l’essentiel d’après leur épaisseur et l’échelle des regroupements, du plus mince au plus épais. Nous retenons comme « formelles » 4 unités : couche, membre, formation, groupe, conformément aux propositions de guide stratigraphique international (HERZBERG, 1979 ; SALVADOR,1994). D’autres termes sont employés dans les textes français, dont la validité comme unité lithostratigraphique sera discutée à propos de sa définition des unités formelles : lit, strate, horizon, séquence, banc, unité, série, assise, faisceau, sous-groupe, super-groupe Il faut recommander l’utilisation des unités formelles dans les études stratigraphiques et les cartes officielles, sachant que leur définition doit être publiée dans des supports de chacun peut se procurer facilement.  FORMATION La formation est l’unité formelle de base de la classification lithostratigraphique. Elle correspond à un ensemble de couches géologiques d’un rang intermédiaire dans la hiérarchie des unités lithostratigraphiques C’est finalement la possibilité et l’intérêt de la cartographie qui donne son caractère à une formation, sachant qu’il s’agit de cartes d’échelles très différentes. L’épaisseur d’une formation peut être en effet de l’ordre du mètre à plusieurs milliers de mètres.  La formation étant l’unité lithostratigraphique fondamentale, sa description mérite le plus grand soin et elle servira de référence pour l’histoire géologique régionale et pour des comparaisons avec des régions voisines Son nom doit comporter essentiellement une dénomination géographique et exceptionnellement un terme lithologique, tout en restant le plus court possible. Il ne doit pas prêter à ambiguïté  Il est enfin recommandé de conserver les dénominations anciennes (règle d’antériorité) même quand une nouvelle étude fournit des précisions complémentaires (nature ou position d’une limite, nouvelle datation…) La définition d’une formation doit s’appuyer sur la description de plusieurs coupes et/ou sondages et sur des données cartographiques, en privilégiant des références qui resteront consultables le plus longtemps possible  La définition d’une formation devrait comprendre, dans la mesure du possible des données sur :  le faciès : nature pétrographique et minéralogique des constituants ; structures sédimentaires et textures ; contenu biologique ; caractéristiques géophysiques et géochimiques  la géométrie : épaisseur et extension, limites, discontinuités internes et relations avec les formations encaissantes dans 3 dimensions ;  les caractéristiques physiques : perméabilité, dureté, ressources…  l’âge (fourni par la biostratigraphie ou la géochronologie isotopique), sachant qu’une formation est définie par son contenu et ses limites et que la détermination de son âge, éventuellement variable en fonction de son extension latérale et de l’état des connaissances, variant du SW au NE du bassin de Paris, en est un exemple Les autres unités lithostratigraphiques sont en quelque sorte des multiples ou des sous- multiples des formations ; leur définition sera traitée des plus petites aux plus grandes.  La couche La couche constitue la plus petite unité formelle dans la hiérarchie lithostratigraphique (Salvador, 1994) Une couche désigne en langage stratigraphique une unité particulière, pouvant servir de repère ou utile pour des corrélations ; exemple : Couche blanche (Oligocène du Bassin de Paris) ou Couche Louise (Westphalien de Lorraine)  Une couche est une unité épaisse de quelques centimètres à quelques mètres, distinguable des autres unités au dessus et au dessous dans une succession stratigraphique. Au pluriel, des « couches » représentent un ensemble métrique à décamétrique de couches groupées, de même composition ; exemple : Couches blanches (Trias lorrain).  Dans une description lithologique ou sédimentologique, le mot lit est utilisé et désigne la plus petite unité sédimentaire reportée sur des coupes, d’épaisseur centimétrique à décimétrique Les mots « lit » et « couche » se traduisent tous les deux par « bed » en anglais, mot qui ne fait pas la différence entre les deux mots français : couche qui est la plus petite unité lithostratigraphique et lit qui n’est qu’une simple unité lithologique  Un lit est individualisé par une homogénéité lithologique permettant de le différencier des niveaux adjacents Dans un lit, les structures sédimentaires prennent le nom de litage, comme dans une couche ou un blanc. Comme dans ces dernières unités, le lit peut d’ailleurs se présenter sous forme lenticulaire.  Au-dessous du lit, les unités plus petites, millimétriques prennent le nom de lamines dont l’agencement constitue la lamination Le mot strate est de moins en moins employé. Il désigne une « couche caractérisée par certains caractères, propriétés ou attributs qui la distinguent des couches adjacentes » (HEDBERG, 1979), sans que les limites en soient obligatoirement très perceptibles  L’épaisseur d’une strate n’est pas clairement fixée par la tradition. Cette unité paraît donc hors échelle, le mot ayant un contenu abstrait comme élément de la stratification ou comme unité sédimentaire au sens large. Son emploi doit rester limité à ce domaine Un banc représente par contre une unité lithologique tout à fait concrète, de la même échelle que la couche ou le lit. C’est son individualisation morphologique dans une série affleurante qui différencie le banc  A l’origine du contraste caractérisant un banc par rapport aux unités voisines, il y a des différences lithologiques : un banc gréseux dans une série sableuse ou bien l’interruption d’une série homogène par une lamine argileuse (joint argileux) ou un arrêt de sédimentation (diastème) Le banc n’est pas une unité lithostratigraphique. Certains sédimentologues utilisent le mot couche dans les descriptions stratonomiques au lieu de banc ; il n’a alors, de la même façon, pas de signification lithostratigraphique  Un horizon peut désigner une unité lithologique très mince, souvent sans extension latérale qui par son originalité joue un rôle de repère (ex. : horizon siliceux) Son utilisation est plus fréquente en pédologie mais dans un sens tout à fait différent (ex. :horizon cendreux, horizon lessivé) et en biostratigraphie (horizon à Bullatus). Un horizon n’est pas obligatoirement une ligne temps excepté en biostratigraphie. La littérature cite encore par exemple « l’Horizon à plantes de base » du Buntssandstein de Lorraine.  Le membre Un membre est « une unité lithostratigraphique formelle d’un rang immédiatement inferieur à celui de la formation et il est toujours une partie d’une formation » et « aucune règle fixe n’est nécessaire pour déterminer l’extension latérale ou l’épaisseur d’un membre » (HEDBERG, 1976) Le membre existe donc pour permettre au statigraphe d’introduire des subdivisions dans une formation, par exemple subdiviser une formation en unités qui ne sont pas des couches  Si le besoin s’impose d’établir des subdivisions supplémentaires dans une formation, d’autres noms qui ne sont pas des unités lithostratigraphiques formelles peuvent être utilisées Des unités lithologiques les plus épaisses aux plus minces on citera : série, faisceau, assise, unite… ou d’autres noms régionaux. Faisceau et assise désignent dans la littérature des unités souvent utilisées dans la géologie minière et charbonnière.  Le groupe « Le groupe est l’unité lithostratigraphique formelle du rang immédiatement supérieur à la formation » (HEDBERG, 1976). Un groupe est donc constitueé d’une succession de formations dont l’ensemble présente des caractères communs permettant de le différencier Dans la définition d’un groupe, l’attention doit porter principalement sur la définition des formations qui le composent.  2-1-1-5- Découpage en unités lithostratigraphiques Ce découpage a été envisagé jusqu’ici comme une obligation d’individualisation des unités lithologiques, homogènes par leur faciès, hiérarchisées en fonction de leur dimension Une étude lithostratigraphique a toutefois l’ambition d’intégrer les données régionales dans un cadre plus étendu  Cela impose de compléter l’étude des faciès par celle des discontinuités, des séquences et de leur hiérarchie et enfin de confronter les résultats lithostratigraphiques avec ceux de la biostratigraphie et de la chronostratigraphie.  2-1-1-6- Discontinuités sédimentaires Les unités lithostratigraphiques sont souvent séparées par des discontinuités sédimentaires. Celles-ci représentent une absence de sédimentation, quelle qu’en soit la durée Elles peuvent être marquées par des ruptures de diverses natures : paléontologiques ou lithologiques, témoignant éventuellement des modifications diagénétiques Parmi les discontinuités sédimentaires, certaines dites autocycliques comme la migration d’un chenal fluviatile, correspondent à un changement local de faciès dans un même milieu, sans intervention de facteurs externes D’autres, allocycliques, témoignent de modifications de l’environnement sédimentaire sous l’effet de contrôles qui sont étrangers au milieu et prennent une importance d’un ordre différent. Parmi ces discontinuités, certaines sont aussi séquentielles  2-1-2- Les unités de subsurface La définition d’une unité lithostratigraphique de subsurface obéit à des principes identiques à ceux qui sont exposés dans le paragraphe précédent (unités de surface). Ces principes sont par ailleurs adaptés au problème spécifique de l’investigation de subsurface et de l’emploi d’outils créés par et pour la géologie d’exploration pétrolière. Dans la pratique, seuls le groupe, la formation et le membre sont utilisés. Pour les nommer, les géologues s’efforcent de suivre les recommandations de l’International Subcommission on Stratigraphic Classification de l’I.U.G.S. en adoptant les nomenclatures des unités de surfaces supposées homologues. Les adaptations particulières à la géologie de subsurface concernent : - la nature de la série type. Il s’agit d’une tranche de terrain traversée au cours du forage d’un puits opéré par une compagnie. Les informations géologiques appartiennent à l’opérateur et éventuellement à des associés qui, pendant un certain temps conservent sur elles un droit de propriété. - le matériel lithologique unique, en quantité limitée et non renouvelable (carottes, carottes latérales, déblais de forage…) - l’exploitation d’enregistrements continus de données physiques (diagraphies instantanées et différées) ; - les techniques de datation (essentiellement micropaléontologie et palynologie) ; - l’accès aux données de référence On retiendra la prééminence (Fig.) comme caractère principal de l’unique déformation, et de son usage prépondérant, pour des raison pratiques, en routine d’exploration pétrolière. Le critère d’identification lithologique établi, autant que faire se peut, sur carotte dans le puits de référence est en effet difficile à exploiter sur l’analyse des seuls déblais de forage dans les puits voisins.  3-1- Vocabulaire. Vocabulaire 3-1-1- Les séquences d’objets 3-1-1-1- Définition Nous désignons par le terme de séquence d’objet l’unité sédimentaire caractérisée par l’évolution graduelle d’éléments constitutifs (ou objets) dans une succession de dépôt de type a-b-c, a-b-c-d…….. Ce vocable de « séquence stratigraphique » en usage dans les pays anglo-saxons pour éviter toute confusion avec la stratigraphie séquentielle qui révèle d’une autre démarche  La séquence d’objets peut être fondée sur différents éléments constitutif du sédiment. Son identification n’implique à priori aucune interprétation génétique ou causale. En ce sens, la séquence d’objet est une séquence objective. Elle est identifiée par la démarche de l’analyse séquentielle (Lombard,195, 1972 ; DELFAUD, 1972).  Les terme d’unité allostratigraphiques (= séquences) et d’allostratigraphie (= analyse séquentielle) proposés la commission Nord- Américaine de nomenclature stratigraphique (1983) doivent être proscrits car ambigus  Le préfixe « allo » peut effet avoir deux significations : -Soit que l’agencement des dépôts résulte de facteurs externe au système sédimentaire, alors que, en fait, les séquence peuvent être dues à des facteurs interne aussi bien qu’externe ; - Soit qu’il s’agit d’une autre stratigraphie, opposant artificiellement une technique d’études aux autres techniques stratigraphiques.  3-1-1-2- Types La désignation de ce type de séquence implique un adjectif qui précises les éléments constitutifs pris en considération : - Séquence lithologiques (caractéristiques sédimentologies : composition ou Lithoclinale (PURSER, 1972) textures, structures sédimentaires…) - Séquence stratonomique (agencements des strates et de leur épaisseur) ;  - Séquence géochimique (caractéristiques paléontologiques) ; - Séquence diagénétique ( succession des phases d’évolution du sédiment meuble à la roche) ; - Séquence diagraphique (caractéristiques physiques observées en forage etc.).  3-1-1-3- Exemples - Les trois séquences lithologiques et minéralogiques décrites dans le Vraconien- Turonien en Tunisie (fig) ; - Les ecoséquences reconnues dans l’Albien du Portugal (fig). - La séquence d’objet est une donnée concrète  Elle peut être modélisée dans reconstitutions théoriques verticales (séquence virtuelle) ou horizontales ( séquence paysage ) à partir de toutes les observations fragmentaires collectées pour une région et un âge donnés. Exemple : l’écoséquence virtuelle et écoséquence paysage de l’Albien du Portugal (fig).  3-1-1-4- Limites - Les limites des séquences d’objets sont constituées par les discontinuités séquentielles. Celles-ci correspondent, soit à un changement brutal d’un caractère dans l’enregistrement sédimentaire (lithologique, stratonomique, minéralogiques, paléontologique, géochimique…), soit à une lacune chrono- stratigraphique significative (hiatus sédimentaire par érosion ou non- sédimentation).  Les limites des séquences d’objets fondées sur certains caractères ne coïncident pas nécessairement avec les limites des séquences fondées sur d’autre caractères. Parmi les discontinuités sédimentaires certain dites autocycliques, comme la migration d’un chenal fluviatiles, correspondent à un changement local de faciès dans un même milieu, témoignent de modification de l’environnement sédimentaire sous l’effet de contrôle qui sont étranger au milieu et prennent une importance d’un ordre différent.