La granulométrie des dépôts molassiques et des alluvions récentes a été mesurée par tamisage aussi souvent que possible. La méthode « sieve-by-weight » classique donne les meilleurs résultats dans notre contexte, à condition d’extraire de l’affleurement des échantillons suffisamment importants, ce qui n’est pas toujours évident dans le cas des sédiments anciens partiellement indurés. Cette technique apparaît particulièrement adaptée à l’analyse des dépôts fluviatiles relativement grossiers, « frais », et non consolidés. Dans les paragraphes suivants nous allons décrire le protocole expérimental que nous avons défini en tenant compte des contraintes d’échantillonnage évoquées précédemment.
Nous avons effectué 84 mesures de ce type sur 55 sites de mesure différents, soit près de 5 tonnes de sédiments tamisés.
• Le tamisage sur le terrain
Les conglomérats et alluvions récentes graveleuses ont été tamisés sur place. Les échantillons de granulométries inférieures à 5 mm ont été analysés en laboratoire.
¾ Choix de l’emplacement
La variabilité spatiale des faciès sédimentaires ne semble pas très marquée dans les dépôts molassiques anciens et dans les rivières à charge de fond sablo argileuses (cônes alluviaux distaux). En effet dans les paisibles rivières méandriformes à chenal unique et étroit du Sud Teraï, les conditions hydrologiques varient progressivement et de façon prévisible : il suffit d’échantillonner le long d’un axe transversal pour caractériser la totalité de la charge sédimentaire transportée. De même dans les molasses anciennes, la granulométrie semble plutôt homogène pour un banc donné, à l’échelle des petits affleurements. Cependant la taille des grains peut changer brutalement entre deux bancs voisins surtout dans les dépôts gréseux Siwaliks inférieur (entre les faciès de barre de méandre, les faciès de plaine d’inondation, et les faciès lacustres), et dans une moindre mesure dans les dépôts Siwaliks moyen ou supérieur. Un relevé granulométrique régulier a pu être réalisé suivant un pas d’échantillonnage de 10 m ou 100 m (épaisseur dans la série sédimentaire).
Les rivières en tresse graveleuses plus capricieuses posent d’avantage de problèmes, notamment en zone montagneuse. La première mesure est généralement effectuée sur le bord d’une grosse barre alluviale en position centrale dans le cours de la rivière. Les zones trop graveleuses ou trop sableuses sont évitées. En fonction du temps disponible plusieurs autres tamisages ont pu être effectués transversalement, du fond des chenaux principaux jusqu’aux barres de gravier les plus proches des berges.
¾ Préparation du site, prélèvement de l’échantillon
Les bancs de sables superficiels et les armures de galets ont été retirés chaque fois que nécessaire (Figure 17). En général la présence de fins dépôts sableux ne biaise pas les résultats obtenus par tamisage. La plupart des mesures de granulométrie dans les rivières ont été effectuées sur des échantillons de sub-surface (provenant de 10 ou 20 cm de profondeur). Les échantillons ont été extraits à la pelle et à pioche et déposés sur une bâche, avec un soin tout particulier apporté aux molasses Siwaliks qui contiennent des clastes fragiles. Dans les dépôts grossiers l’excavation mesure au minimum 0.2 m2 à 0.25 m2 (0.5 cm * 0.5 cm) sur 25 cm à 40 cm de profondeur. Il est essentiel d’échantillonner à la fois sur une épaisseur et sur une largeur importante par rapport à la taille des plus gros clastes, pour limiter les « effets de bord » : que faire des échantillons à cheval sur la zone
d’échantillonnage et l’extérieur ? Nous avons fait en sorte que l’état de surface au fond du trou après prélèvement ressemble à l’état de surface initial.
Figure 17 : Préparation du lit d’une rivière en vue du tamisage (Bakeya, dans le Siwaliks).
(a) Aspect du lit avant la préparation. Dans ce cas le pavage est morcelé, il s’agit surtout de petits amoncellements locaux de gros galets.
(b) Les galets superficiels du « pavage » ont été retirés.
Pour l’analyse des sédiments grossiers (conglomérats et passées graveleuses dans les rivières) nous avons extrait des échantillons compris entre 80 kg et 150 kg, et presque 200 kg dans les cas extrêmes, soit un volume moyen de 0.04 m3 (sans compter la porosité inter granulaire). La masse du galet le plus gros dans un échantillon a rarement dépassé 10 kg (soit approximativement 0.0035 m3), et est souvent restée inférieure à 2 kg. Pour les échantillons de sable et de grès le tamisage de quelques centaines de grammes suffit amplement. Les données obtenues sont à priori très fiables (Figure 12).
¾ Tamisage à proprement parlé
Nous avons utilisé sur le terrain un jeu de 6 cribles et tamis (maille carrée nominale de 16 cm, 8 cm, 4 cm, 2 cm, 1 cm, et 0.5 cm). La diminution de la taille de la maille d’un tamis à l’autre (division par 2) correspond à une échelle φ. Le tamisage se fait en deux ou trois étapes :
1. La totalité de l’échantillon est d’abord passée dans les tamis et cribles de maille 16 cm, 8 cm, 4 cm, et 2 cm. La fraction restant dans chaque tamis (le « reste ») est pesée sur place.
2. Il n’est pas nécessaire de tamiser un gros volume pour caractériser la granulométrie des particules plus fines. Pour réduire la quantité de travail la fraction de l’échantillons passant le tamis de 2 cm (le « tamisat ») est fractionnée en quatre sous-échantillons identiques (quartage), dont un seul sera analysé avec les tamis de 1 cm et 0.5 cm14.
3. Enfin une fraction du tamisat inférieur à 5 mm a parfois été envoyée au laboratoire pour une analyse granulométrique plus poussée, notamment dans le but de réduire la marge d’incertitude sur le calcul du D10.
Les alluvions tamisées sont parfois très humides. Nous avons vérifié que ce facteur ne perturbait pas les mesures de granulométrie par tamisage. Finalement seul les échantillons présentant une granulométrie intérieure à 5 mm doivent impérativement être séchés au préalable (Figure 19). C’est l’une des raisons pour lesquelles nous n’avons pas tamisé les fractions fines sur le terrain.
Figure 19 : Influence de l’humidité de l’échantillon sur les mesures de granulométrie
Les teneurs en eau sont données en pourcentage massique total. Au delà de 3% d’eau l’alluvion utilisée dans cette expérience devient quasiment saturée (porosité de 8 à 10%), ce qui interdit le tamisage « à sec ».
La fine pellicule d’eau à la surface des grosses particules (> 1 cm) ne modifie pas sensiblement la masse totale de cette fraction. Par contre la proportion des fractions 0 .5_1 cm et 0.25_0.5 cm augmente avec la teneur d’eau (agglomération des grains, et cætera). En dessous de 0.25 cm la courbe de densité chute (les grains restent collés aux tamis et aux particules plus grosses).
14 Notre technique de quartage a été éprouvée à plusieurs reprises (tamisage successif des différents tas). Pour
chaque tas le D50 obtenus est toujours rigoureusement identique, malgré de légères fluctuations des classes granulométriques.
¾ Détermination de la fonction de densité des galets et calcul du D50, D10, et D90
Les mesures par tamisage ne permettent pas de calculer directement la médiane de la taille des grains. En effet le tamisage ne donne qu’une masse totale de grains par classes de taille (spectre granulométrique massique, ou courbe de densité massique, mesure du type « sieve-by-weight »), et pas un nombre de grains par classe de taille.
Si nous supposons que tous les clastes de l’échantillon ont approximativement la même masse volumique (voir la note de bas de page 15, p. 74), il suffit de calculer la courbe de répartition massique pour retrouver la médiane de la taille des grains (Figure 20). En général ce pourcentage cumulé de 50% est atteint quelque part au sein d’une classe de taille. Pour déterminer le D50 précisément on effectue donc une régression linéaire en tenant compte du pourcentage cumulé de masse aux bornes de la classe de taille. Nous calculons systématiquement de la même façon le D10 et le D90 pour des pourcentages cumulés de 10% et 90% respectivement.
La courbe de répartition donne le volume d’échantillon dont la granulométrie est inférieure à une valeur X donnée. Pour le calcul du D50, X égal 50%. Dans cet exemple nous avons :
borneINF = 2 cm borneSUP = 4 cm répartitionINF = 37% répartionSUP = 60 %
En faisant une régression linéaire entre ces deux points on obtient D50 = 2.85. nSUP répartitio X nINF répartitio borneINF A nINF répartitio B UP répartionS nINF répartitio borneSUP borneINF A A B X DX < < − = − − = − = * : Avec
Le calcul du D10 est relativement imprécis si plus de 10% des particules fines sont contenus dans la classe inférieure correspondant au tamisat final. En effet si aucun sous-échantillon de la fraction fine n’a été envoyé au laboratoire pour analyse complémentaire, la régression linéaire se fait entre 0 cm et 0.5 cm, 0.5 cm étant l’ouverture du tamis le plus fin. Cette classe de taille virtuelle ne correspond pas à l’échelle φ classique (classe granulométrique 0.25 à 0.5 cm). D’une façon générale les classes extrêmes sont mal représentées et se prêtent mal au calcul précis des percentiles.
• Tamisage en laboratoire
Les échantillons d’arénites (grès non consolidés), de sables et d’argiles, ainsi que la fraction fine de certains échantillons grossiers, ont été envoyés au laboratoire pour analyse de la granulométrie. Pour ces échantillons le séchage préalable devient indispensable. Nous avons utilisé un nouveau jeu de 6 tamis d’ouverture 2.5, 1.25, 0.63, 0.315, 0.16, et 0.08 mm. Les tamis de 0.04 et 0.02 mm ne donnent pas des résultats très satisfaisants ; pour les échantillons extrêmement fins (argiles, silt et sable très fin, particules de 0.8 mm à 0.0001 mm) ou trop indurés (grès sensu stricto) nous avons préféré utiliser un granulomètre laser (voir le paragraphe « Mesure de la granulométrie par granulomètre laser », p. 98).
• Biais et difficultés spécifiques rencontrés sur le terrain
Nous avons vu que le choix de l’emplacement à échantillonner avait beaucoup d’influence sur les résultats de la campagne de tamisage, notamment dans le cas d’alluvions récentes. Nous allons montrer dans ce paragraphe qu’il faut encore prendre d’autres précautions avant d’interpréter les données obtenues par tamisage.
¾ Biais liée à la maille carrée des tamis [d’après Attal, 2003] 1. Taille maximale des particules traversant une maille de tamis
Pour des raisons de fabrication et d’efficacité d’utilisation la plupart des tamis sont constitués d’un grillage à maille carrée. La valeur nominale des tamis que nous avons utilisés correspond en fait à la largeur L de la maille carrée. Comme les galets n’ont généralement pas une forme parfaite de sphère ou de sphéroïde de révolution, des galets ayant un axe AMr plus grand que la section du tamis L peuvent passer au travers (voir Figure 21). Ainsi la capacité d’une particule à traverser la maille d’un tamis ne dépend pas seulement de son diamètre moyen AMr mais aussi de la section de l’objet au niveau du diamètre moyen, c'est-à-dire de son PAr.
Figure 21 : Influence de la forme d’un claste sur sa capacité à franchir les mailles d’un tamis [d’après Attal, 2003]
L est la largeur de la maille carrée nominale des tamis
d est la diagonale de la maille du tamis. Aucune particule de diamètre moyen plus grand que m ne peut traverser le tamis.
AMrmax est le diamètre moyen maximal d’un galet pouvant traverser le tamis, associé au petit diamètre PArmax. On a AMrmax = f(PArmax , L) avec d≥AMrmax ≥L ≥PArmax.
(a) Cas d’un galet sphérique ou parfaitement prolate. AMrmax = L = PArmax.
(b) Cas d’un galet oblate ou imparfaitement prolate. AMrmax > L > PArmax.
Si on associe le galet à un ellipsoïde parfait, on peut calculer AMrmax en fonction du rapport de longueur du galet (Équation 5) :
k est le rapport de l’axe moyen sur le petit axe. Il peut être connu indépendamment de
AMrmax et PArmax, en assumant un rapport
k = AMr /PAr
constant pour toutes les particules d’une classe de taille donnée de l’échantillon à analyser.Équation 5 : Calcul du diamètre moyen maximal d’un galet pouvant traverser la maille d’un tamis [d’après Attal, 2003].
En conclusion, les mesures par tamisage classique peuvent entraîner une sous estimation
notable de la taille des particules (AMrmax≥ L), en fonction de leur morphométrie. Nous allons voir que cette relation (Équation 5) va nous permettre de corriger nos mesures de granulométrie par tamisage. Avant tout, définissons quel est le rapport de longueur caractéristique des galets dans nos rivières.
2. Morphométrie des galets dans la rivière Marsyandi
A l’occasion de campagnes de mesure effectuée dans le cadre de sa thèse [Attal, 2003 ; Attal et Lavé, 2006b], Mikael Attal a mesuré les dimensions GAr, AMr, PAr d’un millier de galets prélevés le
2 1 * * 2 max max 2 max L d PAr AMr k k d k AMr = = + = Avec
Le GArest dans l’axe du tamis (vertical).
long du cours de la Marsyandi (Népal, Haut et Moyen Himalaya). Ces données ne montrent aucune évolution de la morphométrie moyenne des galets dans le lit de la rivière d’amont en aval. En revanche on distingue des différences de rapport de longueur entre les petites particules (classe 20-40 mm) et les plus grosses particules (classe 320-640 mm).
a/b moyen est le rapport moyen des grands axes GAr
sur les axes moyens AMr de tous les galets mesurés, par classe de taille.
a/c moyen est le rapport moyen des grands axes GAr
sur les petits axes PAr de tous les galets mesurés, par classe de taille.
b/c moyen est le rapport moyen des axes moyens
AMr sur les petits axes PAr de tous les galets mesurés, par classe de taille.
Plus les galets sont gros plus ils sont oblates (le rapport GAr/AMr diminue alors que le rapport
AMr/PAr augmente). Cependant la sphéricité globale a tendance à augmenter (GAr/PAr diminue également).
Notons que la variabilité naturelle de la morphométrie est assez importante, l’écart moyen sur les rapports de dimension atteint de +-0.2 à+-0.4.
Figure 22 : Evolution des rapport de longueur en fonction de la classe granulométrique, galets de la rivière Marsyandi [d’après Attal, 2003].
Le rapport AMr/PAr (variable k dans l’Équation 5, p. 72) varie de 1.6 à 1.8 dans la Marsyandi. Nous allons supposer qu’il est équivalent dans les rivières et les molasses du Népal central que nous avons étudié.
3. Correction à appliquer sur les mesures granulométriques par tamisage
Si nous considérons k = 1.6 (c'est-à-dire la fourchette basse car la granulométrie des alluvions est plus fine dans nos rivières que dans la Marsyandi), le calcul (Équation 5, p. 72) indique que la plus grosse particule pouvant passer un tamis a un axe moyen AMrmax supérieur de 20% à la valeur nominale du tamis. Par exemple un galet avec AMr = 24 mm pourrait passer au travers d’un tamis de maille carrée L = 20 mm. Compte tenu de la variabilité naturelle importante et de la méconnaissance de la morphométrie des particules inférieures à 20 mm, nous supposerons que la correction à appliquer sur les mesures de granulométrie est comprise entre +15 et +25% maximum. Le facteur correcteur de ~1.2 (120%) sera appliqué directement sur la valeur du d50, ce qui équivaut au décalage complet du spectre vers les particules grossières.
Ce biais important dans le cadre d’une étude utilisant différentes méthodes de mesure de la granulométrie est relativement peu évoqué dans la littérature [Graham et al., 2005b ; Rollet et al., 2007].
Il est indispensable de le prendre en compte si l’on souhaite confronter les résultats obtenus par différentes méthodes et obtenir une base de donnée homogène.
¾ Fragilité des clastes dans les molasses anciennes
La fragilité des clastes constituant les molasses anciennes Siwaliks est un obstacle majeur au tamisage de ces unités. En effet les galets, graviers, et grains de sable des dépôts anciens ont subit à la fois une altération chimique et une fracturation tectonique pendant l’enfouissement ou le soulèvement. Il s’avère souvent impossible de récupérer la totalité des éléments constitutifs de l’échantillon à tamiser, ce qui conduit inévitablement à une sous estimation notable de la granulométrie « originelle » (lors du dépôt sédimentaire). La granulométrie « actuelle » de la molasse (sous entendu la granulométrie des clastes tels qu’ils seront dégagés par l’érosion puis remobilisés par les rivières) est dans notre cas toujours inférieure à la granulométrie lors du dépôt sédimentaire : il n’y a pas de croissance ou de véritable agglomération des clastes entre eux. La granulométrie dépend donc de la proportion de clastes endommagés dans la molasse.
Nous nous concentrerons sur l’observation macroscopique des conglomérats. Seuls quelques aspects de la « fragilité » des clastes dans les grès seront présentés ici : l’analyse pétrographique des grès sur lame mince fait l’objet d’un paragraphe détaillé dans le Chapitre III (chapitre consacré la résistance mécanique des roches affleurant dans les gorges de la Bakeya et de la Ratu).
1. L’altération
Dans les conglomérats l’altération des clastes varie considérablement d’un affleurement à l’autre. Elle dépend en premier lieu du rapport « quartzites » / « autres lithologies »15. Tous les clastes de phyllithes sont altérés (schistes, micaschistes, quartzites phylliteuses…), et il ne reste souvent que le « fantôme argileux » du galet déposé originellement, avec éventuellement quelques grains quartzeux (Figure 23). La plupart des clastes de grès peu métamorphisés sont argilisés, notamment les grès fins et les grès d’origine Siwaliks. Les rares blocs de granite n’ont pas plus résisté et se délitent à la moindre sollicitation. Aucun calcaire ou marbre n’a été identifié dans la fraction supérieure au cm.
15 En général les conglomérats contiennent 60 à 80 % de galets de quartzite (galets > 2 cm), sans compter les
métagrès. Granites et schistes apparaissent surtout vers le sommet de la série sédimentaire c'est-à-dire vers l’apex des paléo cônes alluviaux. La présence de ces lithologies altérables suggère une provenance directe depuis le Mahabarat. L’absence de carbonates indique que les paléo rivières à l’origine des dépôts étaient déconnectées de la haute chaîne (les dépôts corespondraient donc à de petits cônes alluviaux distinct de celui de la paléo Narayani). Notons que dans les rivières actuelles le pourcentage de galets de quartzite est stable autour de 90%, si l’on excepte les très gros blocs de grès indurés dans les gorges de la Bakeya (blocs de taille toujours supérieurs à 20 – 40 cm, et jusqu’à plusieurs mètres, provenant des Siwaliks moyens et surtout inférieurs).
Ce niveau Siwaliks supérieur particulièrement altéré de 40 à 50 cm d’épaisseur contient de nombreux « fantômes de galets » complètement argilisés et non extractibles. Certains ont été matérialisés sur la figure par des enveloppes grises en pointillés. Notons que l’altération intense fait également ressortir la fracturation des clastes.
Figure 23 : Altération des galets dans les conglomérats Siwaliks Sup.
L’altération a également perturbé la granulométrie des grès mais de façon moins perceptible. Les phyllosilicates sont plus ou moins bien conservés, et les feldspaths, surtout les plagioclases, sont largement altérés. Il ne reste souvent que quelques granules de silice et une matrice carbonatée et argileuse diffuse à la place des minéraux originels (Chapitre III).
2. La fracturation
Les clastes se poinçonnent entre eux dans les ortho-conglomérats non consolidés, notamment les galets de quartzite qui éclatent parfois en petits morceaux anguleux. L’orientation du poinçonnement laisse penser que les ces fracturations sont plutôt liées à la compaction et à l’enfouissement des dépôts plutôt qu’aux contraintes tectoniques récentes et au soulèvement du chaînon16. L’altération se propage dans les fissures, et fragilise les galets au moment de leur extraction. Le même phénomène s’observe ponctuellement dans les grès sur lame mince.
16 Toutefois aucune relation entre la fracturation des conglomérats et la profondeur dans la colonne stratigraphique
Figure 24 : Fracturation tectonique ou sédimentaire des clastes pendant la diagenèse
¾ Conclusions sur les marges d’incertitude du tamisage dans notre contexte particulier
Finalement les problèmes de mesure pendant une campagne de tamisage sont nombreux. Rappelons les principaux :
1. La variabilité naturelle des faciès, notamment dans les rivières. C’est une source d’erreur importante pour l’estimation de la granulométrie moyenne sur un segment de rivière. L’incertitude atteindrait parfois 50% sur le D50.
2. L’utilisation de tamis à maille carrée. Elle impose l’application d’un facteur correcteur de l’ordre de 1.2 sur la mesure du D50 (+20%). L’incertitude résultante sur la granulométrie réelle d’un échantillon donné ne devrait pas dépasser +- 5% à +- 10% maximum. Elle est indispensable pour corréler les résultats du tamisage à ceux obtenus par d’autres méthodes d’analyse de la granulométrie.
200 µm
(a) Exemple de galets fracturés par poinçonnement dans un affleurement Siwaliks Sup (Churre Khola). La fracturation produit beaucoup de particules fines.
(b) Grains de quartz fracturés par poinçonnement pendant la diagenèse dans un grès Siwaliks inférieur (SED042, Bakeya Khola). En général la fracture n’affecte que deux grains voisins et ne semble pas se propager pas plus loin. Les fragments sont souvent décalés l’un par rapport à l’autre, voire complètement éclatés et séparés l’un de l’autre (Chapitre III).
3. La difficulté d’extraction d’échantillons représentatifs, surtout dans les molasses