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Les roches carbonatées
Laurie Bougeois
ST3 - Polytech’ Paris UPMC
6 mai 2015
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
1. Introduction
2. Classification des roches carbonatées
3. Diagenèse des roches carbonatées
4. Environnements de dépôts des roches carbonatées
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N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Précipitation de carbonates de calcium
Ï Saturation de l’eau de mer en Ca2+ ⇒ précipitation :
de calcite (CaCO3 - rhomboédrique) d’aragonite (CaCO3 -
orthorombique) de dolomite (CaMg (CO3)2 - rhomboédrique)
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N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Processus de précipitation des carbonates
CO2 + H2O ⇐⇒ H2CO3 solubilisation du CO2
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N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Processus de précipitation des carbonates
CO2 + H2O ⇐⇒ H2CO3 solubilisation du CO2
H2CO3 ⇐⇒ H+ + HCO−3 équilibre des carbonates
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Processus de précipitation des carbonates
CO2 + H2O ⇐⇒ H2CO3 solubilisation du CO2
H2CO3 ⇐⇒ H+ + HCO−3 équilibre des carbonates
Ca2+ + 2HCO−3⇐⇒ CaCO3 + H2O + CO2
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Processus de précipitation des carbonates
CO2 + H2O ⇐⇒ H2CO3 solubilisation du CO2
H2CO3 ⇐⇒ H+ + HCO−3 équilibre des carbonates
Ca2+ + 2HCO−3⇐⇒ CaCO3 + H2O + CO2
Ï Influence des paramètres physico-chimiques
CO2 température pression activité des végétaux
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Processus de précipitation des carbonates
CO2 + H2O ⇐⇒ H2CO3 solubilisation du CO2
H2CO3 ⇐⇒ H+ + HCO−3 équilibre des carbonates
Ca2+ + 2HCO−3⇐⇒ CaCO3 + H2O + CO2
Ï Influence des paramètres physico-chimiques
CO2 température pression activité des végétaux
Rôle majeur du CO2 dissout dans l’eau de mer
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Précipitation des carbonates
Ï Trois processus de précipitation
chimique directe
chimique indirecte
sécrétion directe d’un squelette calcaire par les organismes
vivants
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
1. Introduction
2. Classification des roches carbonatées
3. Diagenèse des roches carbonatées
4. Environnements de dépôts des roches carbonatées
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
1. Inventaire des constituants
Ï Éléments figurés
Ï Phase de liaison
matrice vs ciment
Ï Espaces poreux
2. Nomenclature
Ï Classification de Folk
Ï Classification de Dunham
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
Éléments figurés
Ï Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des
particules et/ou des érosions intenses dufond marin
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
Éléments figurés
Ï Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des
particules et/ou des érosions intenses dufond marin
Ï Oolithes - Oncolithes - Pisolithes oolithes : généralement en
milieu marin,
peu profond, agité et sous un climat chaud. oncolithes : milieu
marin ou lacustre sous
des eaux peu profondes et agitées demanière intermittente.
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
Éléments figurés
Ï Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des
particules et/ou des érosions intenses dufond marin
Ï Oolithes - Oncolithes - Pisolithes oolithes : généralement en
milieu marin,
peu profond, agité et sous un climat chaud. oncolithes : milieu
marin ou lacustre sous
des eaux peu profondes et agitées demanière intermittente.
Ï Péloïdes communs dans les sédiments associés à des
environnements protégés, restreints(cf lagons ou replats de
marée).
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
Éléments figurés
Ï Lithoclastes milieux agités marqués par un transport des
particules et/ou des érosions intenses dufond marin
Ï Oolithes - Oncolithes - Pisolithes oolithes : généralement en
milieu marin,
peu profond, agité et sous un climat chaud. oncolithes : milieu
marin ou lacustre sous
des eaux peu profondes et agitées demanière intermittente.
Ï Péloïdes communs dans les sédiments associés à des
environnements protégés, restreints(cf lagons ou replats de
marée).
Ï Grains d’origine biologique foraminifères benthiques /
planctoniques,
gastéropodes, entroques, bivalves etc.
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
Phases de liaison
Ï Matrice
boue microcristalline existant aumoment du dépôt
MICRITE (cristaux < 4µm)
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
Phases de liaison
Ï Matrice
boue microcristalline existant aumoment du dépôt
MICRITE (cristaux < 4µm)
Ï Ciment
précipite entre les grains(post-dépôt)
SPARITE (cristaux > 10µm)
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
Porosité
Porosité
Ensemble des volumes de petite taille pouvant être occupéspar
des fluides à l’intérieur d’une roche
Ï Porosité intergranulaire : entre les éléments figurés
Ï Porosité intragranulaire : existant dans les éléments
figurés
Ï Porosité primaire : espace poreux au moment du dépôt(peut
diminuer au cours de l’enfouissement par compaction)
Ï Porosité secondaire : créée par modification (dissolution)des
constituants du sédiment au cours de la diagenèse
la POROSITÉ peut être emplie d’eau, d’air, d’hydrocarbures
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
Porosité
la POROSITÉ peut être emplie d’eau, d’air, d’hydrocarbures
10 / 37Les roches carbonatées
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
Classification de Folk- 1959 -
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
Classification de Dunham- 1962 -
Ï avec matrice micritique
mudstone : < de 10% de grains ; wackestone : > de 10% de
grains,
texture non jointive(mud-supported) ;
packstone : texture jointive,empilement des grains enéquilibre
mécanique(grain-supported) ;
Ï avec ciment sparitique
grainstone : texture jointive.
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Étude d’une roche carbonatée
Classification de Embry & Klovan- 1972 -
Ï constructions récifales (boundstones)
framestone : organismes édifiant unecharpente rigide (cf coraux
actuels) ;
bindstone : organismes stabilisant lesubstrat par encroûtement
(cf alguescorallines) ;
bafflestone : organismes érigéspiégeant le sédiment en
suspensionpar ralentissement de l’écoulement dufluide transporteur
(cf bryozoaires) ;
Ï non construit
floatstone : texture non jointive ; rudstone : texture
jointive.
13 / 37Les roches carbonatées
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
1. Introduction
2. Classification des roches carbonatées
3. Diagenèse des roches carbonatées
4. Environnements de dépôts des roches carbonatées
14 / 37Les roches carbonatées
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Diagenèse : processus complexe
Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la
porosité).
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Compaction mécanique
Perte de porositéRé-arrangement des grains
Compaction chimique
Processus de pression-dissolution
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Diagenèse : processus complexe
Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la
porosité).
15 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Diagenèse : processus complexe
Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la
porosité).
Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase
minéraledans la porosité) ⇒ lithification (induration du
sédiment).
15 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Diagenèse : processus complexe
Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la
porosité).
Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase
minéraledans la porosité) ⇒ lithification (induration du
sédiment).
15 / 37Les roches carbonatées
N
1. Calcite - CaCO3
2. Aragonite - CaCO3
3. Dolomite - (Ca,Mg)(CO3)2
Faiblement magnésienne (0-5% de Mg)
Hautement magnésienne (5-15% de Mg)
Métastable à T°C ambiante⇒ dissolution ou tranformation en
calcite
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Diagenèse : processus complexe
Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la
porosité).
Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase
minéraledans la porosité) ⇒ lithification (induration du
sédiment).
15 / 37Les roches carbonatées
N
Morphologie des ciments carbonatés⇒ fonction des conditions
deprécipitation (T°, pH, pCO2) liées àl’environnement
diagenétique
Fibreux Prismatique Micritique Sparitique
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Diagenèse : processus complexe
Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la
porosité).
Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase
minéraledans la porosité) ⇒ lithification (induration du
sédiment).
Ï Remplacement : dissolution d’une phase minérale et
précipitationd’une nouvelle phase à sa place (de même nature ou
non)
15 / 37Les roches carbonatées
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Aragonite
Calcite faiblement
magnésienne
Calcite fortement
magnésienne
Dolomite
Dolomitisation
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Diagenèse : processus complexe
Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la
porosité).
Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase
minéraledans la porosité) ⇒ lithification (induration du
sédiment).
Ï Remplacement : dissolution d’une phase minérale et
précipitationd’une nouvelle phase à sa place (de même nature ou
non)
15 / 37Les roches carbonatées
N
Dolomitisation partielle
Oolithe dolomitisée
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Diagenèse : processus complexe
Ï Compaction mécanique et chimique (diminution de la
porosité).
Ï Cimentation : précipitation d’un ciment (nouvelle phase
minéraledans la porosité) ⇒ lithification (induration du
sédiment).
Ï Remplacement : dissolution d’une phase minérale et
précipitationd’une nouvelle phase à sa place (de même nature ou
non)
Ï Recristallisation : modification de la taille des cristaux
d’unélément figuré, d’une matrice ou d’un ciment.
15 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Diagenèse : processus complexe
Définitions
Ï Diagenèse précoce : processus qui se produisent dans latranche
superficielle des sédiments suite à leur dépôt,parcourus par des
fluides en connexion avec la tranche d’eau
Ï Diagenèse tardive : processus qui prennent place au coursde
l’enfouissement déconnectés de la zone où interagissentsédiments et
tranche d’eau
majoritairement fait par une dissolution des phasesmétastables
et une précipitation de calcite
transformation aragonite-calcite dans la lithification
dusédiment ⇒ création d’une porosité secondaire
AragoniteOrthorhombique
d ≈ 2.94V ≈ 226.85 Å3
CalciteRhomboédrique
d ≈ 2.72V ≈ 60.75 Å3
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
1. Introduction
2. Classification des roches carbonatées
3. Diagenèse des roches carbonatées
4. Environnements de dépôts des roches carbonatées
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N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Rappel : principaux environnementssédimentaires
18 / 37Les roches carbonatées
N
torrent
lacfleuve lagune
lagon recif
talus
littoral
Domaine néritique Domaine pélagique
DOMAINE OCÉANIQUEDOMAINE CONTINENTAL
Plate-formeint. ext.
plaine abyssale
0 m
200 m
4000 m
++
+ + + + + +++- - - -
-- - -
-
- -
- -
+ et - : énergie relative du milieu
-
Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine continental
Carbonates lacustres
Ï Précipitations inorganiques soustraction de CO2 (via
photosynthèse par exemple) mécanisme d’évaporation mélange d’eaux à
pH différents
19 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine continental
Carbonates lacustres
Ï Précipitations inorganiques soustraction de CO2 (via
photosynthèse par exemple) mécanisme d’évaporation mélange d’eaux à
pH différents
Ï Accumulations de coquilles (gastéropodes, lamellibranches)
faible proportion des carbonates lacustres
19 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine continental
Carbonates lacustres
Ï Précipitations inorganiques soustraction de CO2 (via
photosynthèse par exemple) mécanisme d’évaporation mélange d’eaux à
pH différents
Ï Accumulations de coquilles (gastéropodes, lamellibranches)
faible proportion des carbonates lacustres
Ï Carbonates algo-microbiens
19 / 37Les roches carbonatées
N
Stromatolithes
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine continental
Tufs et travertins
Ï Concrétions calcaires à l’émergence de sources et dans des
coursd’eau peu profond à petites cascades précipitation de CaCO3
activée par turbulences et perte de CO2 aspect caverneux dû à la
disparition de débris végétaux encroûtés
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N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine continental
Tufs et travertins
Ï Concrétions calcaires à l’émergence de sources et dans des
coursd’eau peu profond à petites cascades précipitation de CaCO3
activée par turbulences et perte de CO2 aspect caverneux dû à la
disparition de débris végétaux encroûtés
20 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine continental
Spéléothèmes et calcrètes
Ï Stalactites, stalagmites et autres concrétions calcaires
présentesdans les grottes
21 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine continental
Spéléothèmes et calcrètes
Ï Stalactites, stalagmites et autres concrétions calcaires
présentesdans les grottes
Ï Calcrètes ou calcaire pédogénique
21 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Rappel : principaux environnementssédimentaires
22 / 37Les roches carbonatées
N
torrent
lacfleuve lagune
lagon recif
talus
littoral
Domaine néritique Domaine pélagique
DOMAINE OCÉANIQUEDOMAINE CONTINENTAL
Plate-formeint. ext.
plaine abyssale
0 m
200 m
4000 m
++
+ + + + + +++- - - -
-- - -
-
- -
- -
+ et - : énergie relative du milieu
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Sédimentation biogène vs terrigène
Ï sédimentation au niveau de la marge continentale
principalement terrigène
Ï B contribution de l’océan pour produire ses propres
sédiments
production biologique
23 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates de plate-forme
Espèces benthiques (domaine néritique)
24 / 37Les roches carbonatées
N
Échinoderme
Bivalve
Foraminifèrebenthique
Gastéropode
Alguerouge
Corail
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates de plate-forme
Calcaires à huîtres
25 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates de plate-forme
Récifs coralliens
26 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates de plate-forme
Ï Exemple des plate-formescarbonatées
PF ouverte : environnementsfroids, absence de récifs
PF barrée : environnementstropicaux, lagon, barrièrerécifale
27 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates de plate-forme
Ï Exemple des plate-formescarbonatées
PF ouverte : environnementsfroids, absence de récifs
PF barrée : environnementstropicaux, lagon, barrièrerécifale
27 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates de plate-forme
Ï Écosystème corallien
plateaux continentaux calcaires /plate-formes insulaires
zone tropicale : 30°N-30°S condition actuelles optimales :
25-29°C profondeur max : 80-100 m
28 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates de plate-forme
Ï Écosystème corallien
plateaux continentaux calcaires /plate-formes insulaires
zone tropicale : 30°N-30°S condition actuelles optimales :
25-29°C profondeur max : 80-100 m
28 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates de plate-forme - Microfaciès
Ï Écozonation des plates-formes à l’Eocène basée sur la
répartition :
des foraminifères à test porcelané (blanc, Milioles et
Alvéolines) des foraminifères à test hyalin (translucide,
Nummulites et Discocyclines)
29 / 37Les roches carbonatées
N
nummulite
orbitolite miliole
alvéoline
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates pélagiques
Ï Restes d’organismes planctoniques microscopiques (carbonatés
etsiliceux) ± dilués par une fraction fine d’origine terrigène
(argiles)
30 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates pélagiques
Ï Restes d’organismes planctoniques microscopiques (carbonatés
etsiliceux) ± dilués par une fraction fine d’origine terrigène
(argiles)
30 / 37Les roches carbonatées
N
Phytoplancton
Zooplancton
SiO2 CaCO3
Diatomées
RadiolairesForaminifères
Coccolithophoridés
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates pélagiques
31 / 37Les roches carbonatéesN
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates pélagiques
Ï Lysocline : profondeur à laquelle ladissolution augmente
brutalement
Ï CCD (profondeur de compensation dela calcite) : au-delà tout
le CaCO3est dissout
⇒ Zonation latitudinale etbathymétrique des sédiments
pélagiques
32 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Domaine océanique
Carbonates pélagiques
33 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Exercice
34 / 37Les roches carbonatées
N
10500 m
11
500 m
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
-
Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Exercice
34 / 37Les roches carbonatées
N
4
500 m
11
500 m
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13 Marne argileuse
Calcaire à Nummulites et Discocyclines
12
1
7 7
77
29
13
Conglomérat
5
5
5
Corail
33
3
3
Grès calcaire
Calcaire à Milioles
Calcaire de démentèlementfloatstone
Sable
6
Calcaire à oolithes
Gypse
8
Granite10
Craie
11
500 m
Calcaire fin
-
Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Exercice
34 / 37Les roches carbonatées
N
4
500 m
11
500 m
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13 Marne argileuse
Calcaire à Nummulites et Discocyclines
12
1
7 7
77
29
13
Conglomérat
5
5
5
Corail
33
3
3
Grès calcaire
Calcaire à Milioles
Calcaire de démentèlementfloatstone
Sable
6
Calcaire à oolithes
Gypse
8
Granite10
Craie
11
500 m
Calcaire fin
lagon
plate-forme interne
plate-forme externe
barrièrerécifale
avant-récif
cordonlittoral
continent
sebkrah/lagune
fluvio-estuarien
-
Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Exercice
34 / 37Les roches carbonatées
N
4
500 m
11
500 m
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13 Marne argileuse
Calcaire à Nummulites et Discocyclines
12
1
7 7
77
29
13
Conglomérat
5
5
5
Corail
33
3
3
Grès calcaire
Calcaire à Milioles
Calcaire de démentèlementfloatstone
Sable
6Calcaire à oolithes
Gypse
8
Granite
10
Craie
11
500 m
Calcaire fin
Profil bathymétrique
bassin
lagon
plate-forme interne
plate-forme externe
barrièrerécifale
avant-récif
cordonlittoral
continent
sebkrah/lagune
fluvio-estuarien
10 86
4
3 3
127 7 51
11
plate-forme internelagunecont.
cordonlittoral
barrière récifale
lagon
plate-forme externe
-
Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Exercice
Atoll Belize
35 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Exercice
Cordon littoral
36 / 37Les roches carbonatées
N
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Introduction Classification Diagenèse Environnements de
dépôts
Exercice
Estuaire
37 / 37Les roches carbonatées
N
IntroductionClassificationDiagenèseEnvironnements de dépôts
