Les roches carbonatées sont, avec les roches détritiques, la deuxième grande famille des roches sédimentaires, et la plus étudiée du module. Ce chapitre présente leur mode de formation physico-chimique et biologique, leurs constituants — allochèmes et orthochèmes — puis les classifications de Folk et de Dunham, qui structurent la totalité des travaux pratiques du semestre.
1. Généralités : calcaire et dolomie
Les roches carbonatées sont des roches sédimentaires composées d'au moins 50 % de carbonates. Elles sont généralement de faible dureté, attaquées par les acides avec dégagement de CO₂. Les deux principales roches carbonatées sont le calcaire, constitué de calcite (CaCO₃), et la dolomie, formée de dolomite (CaMg(CO₃)₂). En dehors de quelques minéraux accessoires souvent d'origine terrigène, ces roches sont composées presque uniquement de ces deux carbonates.
2. Mécanismes physico-chimiques de précipitation
La plupart des sédiments calcaires résultent de la précipitation chimique et de la fixation biologique du carbonate de calcium dissous dans l'eau. La précipitation obéit à l'équilibre CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ : tout facteur qui provoque le départ de CO₂ (baisse de la pression partielle atmosphérique, élévation de température, agitation, assimilation chlorophyllienne) ou le départ d'eau (évaporation, gel) déplace l'équilibre vers la précipitation de calcite. Dans l'eau de mer sursaturée, seule l'aragonite précipite directement de façon notable ; instable, elle se transforme rapidement après le dépôt en calcite plus stable, ce qui rend la diagenèse carbonatée précoce et intense. La dolomite, dont la croissance cristalline est lente et l'ordre atomique élevé, apparaît surtout au cours de la diagenèse plutôt que par précipitation directe.
3. Mécanismes biologiques et niveau de compensation des carbonates
La construction d'un squelette carbonaté (interne ou externe) par des organismes végétaux (algues) ou animaux (mollusques, foraminifères, échinodermes, coraux) constitue le mode de fixation du calcaire le plus important, favorisé en eaux tropicales chaudes. Après la mort des organismes planctoniques, les tests s'accumulent au fond de la mer, mais ils se dissolvent partiellement pendant leur chute : au-delà d'une certaine profondeur, la CCD (niveau de compensation des carbonates), on ne trouve plus de carbonates dans les sédiments marins, seulement des argiles des grands fonds — sauf apport allochtone de calcaires turbiditiques.
Profondeur océanique au-delà de laquelle la dissolution du carbonate de calcium l'emporte sur son apport, si bien que les sédiments carbonatés disparaissent au profit des argiles pélagiques.
4. Les allochèmes : bioclastes, ooïdes, pellets, intraclastes
Les allochèmes (éléments figurés) sont les grains carbonatés organisés, formés à l'intérieur du bassin et généralement transportés (préfixe « allo »). Les bioclastes sont des débris fossiles entiers ou fragmentés, d'origine animale ou végétale, excellents indicateurs de milieu. Les ooïdes sont des grains sphériques à cortex concentrique développé autour d'un nucléus (quartz, bioclaste…) ; on parle d'oolithes sous 2 mm et de pisolithes au-delà, formés dans des eaux peu profondes agitées de régions chaudes. Les pellets fécaux sont de petits grains micritiques d'origine organique. Les intraclastes proviennent du remaniement d'un sédiment carbonaté déjà déposé, à peine consolidé.
5. Les orthochèmes : matrice et ciment
Les orthochèmes sont les constituants carbonatés formés sur place, non transportés. La micrite (matrice) est une boue carbonatée cristalline très fine, issue de la précipitation chimique directe ou du broyage des allochèmes, qui se dépose par decantation en milieu calme. La sparite (ciment) est une calcite cristallisée à gros cristaux, limpide, qui précipite dans les pores lors de la diagenèse et lie les grains entre eux. Le rapport micrite / sparite est le critère central de la classification de Dunham.
Allochème : grain carbonaté organisé et généralement transporté (bioclaste, ooïde, pellet, intraclaste). Orthochème : constituant carbonaté formé sur place (micrite = matrice, sparite = ciment).
6. Les classifications de Folk et de Dunham
La classification de Folk (1959) nomme la roche à partir de la nature des allochèmes dominants et du type d'orthochème associé (par exemple « biomicrite » = bioclastes + matrice micritique). La classification de Dunham (1962), plus simple et très utilisée en travaux pratiques, repose sur la texture : présence ou absence de matrice micritique, proportion de grains, et caractère construit ou non de la roche.
| Terme | Texture | Signification |
|---|---|---|
| Mudstone | Matrice micritique, grains < 10 % | Dépôt calme, très faible énergie |
| Wackestone | Matrice micritique, grains > 10 % | Énergie faible à modérée |
| Packstone | Grains jointifs, matrice micritique entre les grains | Énergie modérée |
| Grainstone | Grains jointifs, ciment sparitique, sans matrice | Forte énergie, milieu agité |
| Boundstone | Éléments liés lors du dépôt (organismes constructeurs) | Édifice biologique (récif) |
La classification texturale de Dunham (1962)
- Calcaire = CaCO₃ (calcite) ; dolomie = CaMg(CO₃)₂ (dolomite) ; ce sont les deux carbonates dominants.
- Précipitation chimique : perte de CO₂ ou d'H₂O déplace l'équilibre vers la calcite ; l'aragonite précipite en mer mais se transforme vite en calcite.
- Fixation biologique dominante en zones tropicales ; CCD ≈ profondeur au-delà de laquelle les carbonates se dissolvent.
- Allochèmes (transportés) : bioclastes, ooïdes/pisolithes, pellets, intraclastes ; orthochèmes (in situ) : micrite (matrice) et sparite (ciment).
- Classification de Dunham par énergie croissante : mudstone → wackestone → packstone → grainstone, et boundstone pour les édifices construits.
La classification de Dunham à appliquer sur lame mince (identifier matrice, grains, ciment) est l'exercice le plus fréquent en travaux pratiques et en examen. Piège classique : confondre micrite et sparite, ou oublier que l'aragonite, bien que seule à précipiter directement en mer, ne se conserve pas dans les séries anciennes car elle se recristallise en calcite.