Zonation des faciès

SÉDIMENTOLOGIE DE FACIÈS

CHAPITRE 2

S

A. Démarche méthodologique

La stratigraphie séquentielle s’appuie sur l’analyse des faciès de dépôt, en terme d’environnement et de profondeur. Elle vise à reconnaître les cassures de faciès au sein des séries, pour ensuite rechercher et comprendre leur signification dans les successions de faciès. Les surfaces à valeur autocyclique traduisent la dynamique propre du système de dépôt (divagation de courant, déplacement de corps sédimentaires, tempêtes, surface de ravinement tidale au sein d’un prisme de haut niveau,…), tandis que les surfaces à valeur allocyclique reflètent des phénomènes plus généraux, extérieurs au système de dépôt (climat, eustatisme ou tectonique). La principale difficulté, souvent résolue par les corrélations régionales, est de correctement interpréter ces surfaces.

La base de l’analyse séquentielle repose sur la sédimentologie de faciès qui permet d’identifier les variations de profondeurs dans les successions. Cette approche, principalement développée dans les dépôts silicoclastiques, s’applique particulièrement bien pour les dépôts côtiers du Bajocien. En effet, le matériel y est essentiellement granulaire (entroques, bioclastes ou oolithes), répondant et enregistrant les manifestations des agents hydrodynamiques, comme les sables détritiques.

En sédimentologie de faciès, il n’est pas possible de suivre une démarche typologique pour caractériser les environnements de dépôt, car les figures sédimentaires véritablement diagnostiques sont rares. Souvent c’est l’évolution verticale des faciès et l’environnement paléogéographique qui permettent paradoxalement de comprendre la signification de certaines figures de dépôt. Nous verrons de ce point de vue qu’il a été nécessaire au cours de ce travail, de reprendre l’interprétation de certaines stratifications entrecroisées jugées dues à la houle et non à la marée.

La démarche analytique est donc constamment récurrente, allant en permanence du détail au général et du général au détail. Il s’agit d’une démarche fondamentale, interprétative, avec tous les risques que cela présente.

Il est donc nécessaire de faire la part des éléments objectifs et de l’interprétation dans l’étude des séries.

Deux agents hydrodynamiques dominent dans ces environnements peu profonds : la marée et la houle (houle permanente, tempête). Les faciès observés sont alors susceptibles de présenter un assemblage de figures sédimentaires, permettant de les rattacher soit à une dynamique dominée par la marée, soit à une dynamique dominée par la houle.

L’interprétation des faciès boueux (calcaires fins, faciès à madréporaires, …), sans structures sédimentaires, est plus délicate. En effet, il faut déterminer s’il s’agit de faciès externes plus profonds ou plus internes protégés. Le microfaciès et le contenu biologique, deviennent alors la méthode d’étude principale, afin d’identifier les grains constitutifs de la roche, permettant la reconnaissance des milieux de dépôt. Ces grains (organiques ou inorganiques) sont influencés par des facteurs écologiques particuliers tel que la lumière, la température, la salinité, la turbidité, la bathymétrie et les courants marins (TUCKER et WRIGHT, 1990).

CHAPITRE 2

Figure 2.1: Situation de la coupe de Crémieu.

B. Descriptions, caractérisations et enchaînements des principales structures de

dépôt

Les observations de terrain ont montré qu’il existe durant le Bajocien deux grands ensembles de faciès : les dépôts calcarénitiques au sens large et les bioconstructions coralliennes.

1. Faciès calcarénitiques

Il est possible de distinguer, dans les calcarénites à entroques ou oolithiques, six faciès qui s’enchaînent de l’offshore supérieur distal jusqu’à la plate-forme tidale peu profonde. Cet enchaî-nement est mieux exprimé dans les demi-cycles régressifs des séquences de dépôt que dans les demi-cycles transgressifs.

Cet enchaînement peut être observé dans quelques séquences complètes qui serviront de référence.

1.1 Présentation d’une séquence régressive type

L’exemple choisi pour illustrer l’enchaînement des faciès calcarénitiques, est situé dans le Jura méridional, à la terminaison Nord de l’Ile Crémieu, sur la localité de Crémieu (Figure 2.1). La coupe est levée sous les remparts du château, le long de la route qui relie Crémieu à Dizimieu.

Les dépôts, d’âge Bajocien inférieur, se suivent en continu et déterminent une séquence régressive (Figure 2.2).

A la base, la séquence débute par 9 mètres de tempestites litées, séparées par de fins joints argileux, qui progressivement, sont recoupées par des surfaces ondulées de réactivation.

Au-dessus, les réactivations, de plus en plus fréquentes, donnent aux bancs un aspect ondulant. On parlera alors de tempestites litées proximales ou de HCS (Hummocky

cross-stratification) à grande longueur d’onde.

Dans un ensemble plus massif et plus grossier, les sillons d’oscillation de l’avant-plage prédominent et sont comblés par des structures de type HCS, dans un premier temps, en accrétion verticale, qui évoluent, dans un second temps, en accrétion latérale. On parlera dans ce dernier cas, de HCS en accrétion latérale ou de sigmoïdes de houle. Ce sont des structures encore très mal connues, en cours d’étude (FERRY et THIRY-BASTIEN, 1999; THIRY-BASTIEN et FERRY, 1999).

SÉDIMENTOLOGIE DE FACIÈS Au-dessus, une masse, épaisse de quelques mètres, renferme un ensemble complexe de laminations quasi-planaires, de rides de clapot et d’obliques angulaires (barres de déferlements), caractérise une plage à marée (banc découvrant).

Enfin, la séquence se termine par 1.5 m de stratifications obliques à base tangentielle sous influence purement tidale qui indique un milieu de plate-forme plus interne, protégé du déferlement des vagues du large. Ce train de dunes transverses, sans structures de tempête, est surmonté par une surface perforée qui termine la séquence.

Nous allons maintenant détailler les faciès de cette séquence de référence, en notant au passage les rapports et les différences avec des faciès semblables, observés dans d’autres séquences bajociennes.

Pour être sûr de l’interprétation de l’un d’entre eux, le faciès d’avant plage à HCS en accrétion latérale ou sigmoïdes de houle, il a fallu compléter les observations effectuées dans les calcarénites bajociennes par :

- des observations dans d’autres séries côtières régressives, silicoclastiques ou carbonatées, d’âge différent et,

- des observations dans les milieux actuels d’avant-plages dominées houle, en environnement de dépôt carbonaté ou silicoclastique (FERRY et THIRY-BASTIEN, 1999; THIRY-BASTIEN et FERRY, 1999; travaux en cours).

1.2 Description et caractérisation des faciès de la séquence de Crémieu

1.2.a Tempestites litées 1.2.a.1 Description

Le faciès des tempestites litées est bien stratifié (Photo 1, Planche 1). Il s’agit de bancs d’une vingtaine de centimètres d’épaisseur, latéralement continus, alternant avec de fins interbancs marneux, légèrement silteux. Les surfaces de réactivation ondulées, ainsi que les figures de base et de sommet de bancs, sont généralement absentes. La structure interne des bancs présente une lamination horizontale, ou quasiplanaire, faiblement ondulée. La texture est de type grainstone à débris d’entroques sub-arrondis et bioclastes indéterminables, avec une granulométrie fine à moyenne homogène. Les débris lorsqu’ils sont allongés ne présentent pas d’orientation privilégiée.

Figure 2.2: Enchaînement vertical des structures sédimentaires dans des faciès calcarénitiques, durant un demi-cycle régressif. Exemple pris sur la coupe de Crémieu (Jura méridional). La totalité de cette coupe est figurée dans l’annexe coupe. Voir figures 3.2 et 3.3 pour la légende des figurés.

CHAPITRE 2

Le toit des bancs présente de petites ondulations de 20 cm de longueur d’onde, qui, observées en surface structurale, dessinent un motif grossièrement polygonal rappelant celui des rides interférentes cogénétiques (GUILLOCHEAU, 1990).

Dans certaines conditions, mais pas à Crémieu, il est possible d’observer au sommet du banc, des terriers. Ceux-ci, sont tronqués, par la surface d’érosion de la tempête suivante (Photo 6, Planche 4). Il apparaît donc clairement des alternances de périodes calmes, favorisant l’activité endobionte et des périodes d’agitation, érosives dans un premier temps, puis constructives.

Dans les cas les plus caractéristiques, il est possible de distinguer, à l’intérieur d’un même banc, trois termes, se succédant sur une même verticale (Photo 5, Planche 1) :

- (a) à la base, il s’agit de laminations entrecroisées ondulantes de type micro-HCS à micro-HCS en accrétion latérale, de quelques centimètres à un mètre de longueur d’onde. L’épaisseur de ce terme est extrêmement variable, d’un banc à un autre, allant de 0 à 15 cm.

- Au-dessus, par le biais d’une surface d’abrasion plane et horizontale, tronquant les structures sous-jacentes, le terme (b) est constitué de laminations planes dans lesquelles de petites lentilles de matériel plus grossier sont observables. Il est souvent plus développé que les deux autres.

- Enfin, la séquence est terminée à nouveau par des laminations obliques à base tangentielle et entrecroisées. Le degré de recoupement de ces HCS est de moins en moins important en se rapprochant du toit du banc. Sur les derniers centimètres, il est parfois possible de préserver des rides asymétriques de 2 à 3 cm de hauteur pour 10 cm de longueur d’onde. De nombreuses ondulations affectent le sommet du banc.

La présence de ces trois termes au sein d’une même séquence est exceptionnelle. Elle traduit l’installation de la houle (microHCS de base), l’amplification des courants combinés (laminations horizontales) et le retour au calme (HCS du toit). En général, le terme (b) est préférentiellement préservé. La reconnaissance des laminations est facilitée par la présence fréquente d’accidents siliceux au cœur des bancs.

Le cas de Crémieu est assez exceptionnel. L’essentiel des tempestites litées, rencontrées sur les autres affleurements, ne montre pas de structures internes et alterne avec des joints marno-silteux pluri-centimétriques. La granulométrie y est plus fine, avec une matrice argileuse plus marquée. La bioturbation est omniprésente, donnant aux bancs dans les cas les plus extrêmes, un aspect michoïdique.

1.2.a.2 Interprétation

Ces tempestites litées (FERRY et MANGOLD, 1995; ROUSSELLE et DROMART, 1996) ou dépôts de tempête ressemblant aux turbidites (GUILLOCHEAU, 1990) ou encore discrete HCS (LECKIE et KRYSTINIK, 1989) sont fréquentes dans le Bajocien inférieur du Jura méridional. Généralement, l’homogénéité de la granulométrie qui les compose ne permet pas de suivre la lamination interne, sauf dans de rares cas où la silicification met en évidence un motif séquentiel répétitif.

Chaque banc retrace un cycle complet de tempête (Figure 2.3). A la base, la composante oscillatoire est dominante, traduisant l’agitation de plus en plus soutenue des vagues, au début de la tempête. Selon la granulométrie, les structures de type HCS seront plus ou moins grandes (CHEEL et LECKIE, 1993).

Dans un deuxième temps, lorsque la tempête atteint son paroxysme, la composante unidirectionnelle l’emporte sur la composante oscillatoire. Elle produit des laminations horizontales planes à faiblement ondulées, reflétant le transport du sédiment depuis l’avant plage vers le large. Localement de grandes surfaces de réactivation peuvent être observées au sein d’un même banc. Toutefois, d’après les travaux de CHEEL (1991), l’orientation des grains dans les laminations planes est symétrique, reflétant également une augmentation de l’intensité de la composante

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oscillatoire. La granulométrie des tempestites bajociennes est trop fine pour réaliser de telles observations.

Enfin, à la fin de la tempête, les courants de retour perdant de leur intensité sur le fond, la composante oscillatoire peut, à nouveau, s’exprimer sur les derniers centimètres de matériel fraîchement accumulé. Dans des cas exceptionnels, il est possible d’observer au toit du banc des petites rides de clapots ou rides interférentes cogénétiques (GUILLOCHEAU, 1990) qui marquent le retour à une houle de beau temps. Elles seront, dans ce cas, recouvertes d’un fin niveau argilo-silteux.

Dans la plupart des cas, le terme (a) de début de tempête est entièrement décapé par l’effet rasoir du terme (b). Seules des conditions très particulières, permettront une bonne préservation de ce premier terme.

La séquence de tempête des

discrete HCS (Figure 2.4), décrite par

LECKIE et KRYSTINIK (1989), présente une organisation très proche de celle observée dans le secteur de Crémieu. Toutefois, les gutter casts et les sole

marks sont très rarement préservés à

Crémieu, alors que le terme initial (a) n’est pas décrit dans leur séquence idéale. Dans la séquence des discrete HCS, CHEEL et LECKIE (1993) expliquent la présence des gutter casts et sole marks par la présence de courants unidirectionnels et puissants, dirigés vers le large qui créent des vortex et qui transportent de grands débris de coquilles sur le fond.

Figure 2.4: Caractéristiques sédimentaires d’un discrete HCS et rapports avec les paléocourants

Figure 2.3: Mode de mise en place des tempestites litées au cours d’un cycle de tempête. D’après CHEEL et LECKIE (1993) modifié.

CHAPITRE 2

A Crémieu et plus généralement dans les séries bajociennes, le matériel étant plus homogène (essentiellement de fins débris d’entroques), il est difficile de produire ce type de figures.

Les tempestites litées de Crémieu n’étant pas ou peu réactivées par la houle de beau temps, leur mise en place intervient sous la limite inférieure d’action des vagues de beau temps, c’est à dire en domaine d’offshore supérieur. De même, l’absence ou la faible épaisseur des interbancs marneux renseigne d’une position proximale sur le profil de dépôt, par comparaison avec les couches de tempêtes séparées par des interbancs pluri-centimétriques (cf. Haute-Chaîne ou formation du Ciret dans les Monts d’Or lyonnais), appelées tempestites litées distales (ROUSSELLE, 1997).

1.2.b Tempestites litées réactivées ou HCS à grande longueur d’onde 1.2.b.1 Description

Ce type de tempestites se distingue des précédentes par la présence de grandes surfaces de réactivation entaillant les bancs lités sous-jacents. Il s’agit de grandes ondulations de 2 à 3 mètres de longueur d’onde, profondes d’une dizaine de centimètres. Elles s’apparentent à de grands sillons d’érosion dissymétriques de 2 à 6 mètres de longueur, avec un côté amont à pente douce et un côté aval plus abrupt, parfois en encoche. Le fond du sillon est drapé par un premier faisceau de lamines concordantes, légèrement en onlap sur le bord aval tandis que le reste de la dépression est comblé par des faisceaux de lamines en accrétion latérale. Seules les dépressions de la surface érosive sont remplies par du sédiment. En dehors des sillons, la sédimentation est pelliculaire, avec des petites rides de vagues amalgamées.

Selon la profondeur du sillon, les structures qui les remplissent, s’organisent en sigmoïdes à forte accrétion latérale, plus ou moins pentées (Planche 2). Ces formes, qui naissent sur sillons, ont été appelées HCS d’offshore par GUILLOCHEAU (1990). Pouvant atteindre plusieurs mètres de longueur, pour quelques centimètres d’épaisseur, ces structures seront nommées HCS à grande longueur d’onde. Peu observées sur la coupe-type de Crémieu, ces tempestites se rencontrent fréquemment sur le reste du domaine étudié.

Le matériel, dans lequel ces structures sont rencontrées, est identique à celui observé dans les tempestites litées. Il s’agit d’un grainstone fin à fragments sub-arrondis d’entroques et à bioclastes.

1.2.b.2 Interprétation

Ces tempestites litées réactivées ou HCS à grande longueur d’onde ou encore tempestites intermédiaires (ROUSSELLE, 1997), se caractérisent par la présence de sillons érosifs et de structures mamelonnées. Ils traduisent l’action de la composante oscillatoire et érosive de la houle de tempête. Les tempestites litées réactivées sont donc plus proximales que les tempestites litées. Elles marquent le passage entre le domaine d’offshore supérieur et celui de shoreface. Pour ARNOTT

(1993), ces structures résultent d’un écoulement combiné de haute énergie, entre la composante oscillatoire et la composante unidirectionnelle d’intensité variable.

De part la superficie de ces mamelons (plusieurs m²), il est improbable que la houle de tempête, seule, puisse former directement de telles structures. Il est probable que la forme asymétrique du sillon sur lequel la structure repose, joue un rôle prépondérant (GUILLOCHEAU, 1990). La reconnaissance de structures similaires, au sein d’un ensemble de tempestites litées, ne traduit pas systématiquement une variation du niveau marin relatif. Elles peuvent simplement résulter de variations d’intensité des tempêtes au fil du temps (tempêtes séculaires, ouragans, …).

Elles ne seront révélatrices de fluctuations du niveau marin relatif que si elles sont encadrées par les tempestites litées et par les dépôts de shoreface.

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1.2.c HCS en accrétion verticale 1.2.c.1 Description

Ce sont des couches de tempête télescopées, à structures internes de type HCS (Hummocky Cross-Stratification) (HARMS et al., 1975). La base érosive recoupe à l’emporte pièce

les structures sous-jacentes. La longueur d’onde de ces structures est de plusieurs dizaines de centimètres à un mètre, pour une amplitude de 10 à 15 cm. Dans chaque couche, les laminations montrent un épaississement à l’aplomb des mamelons donnant aux HCS une tendance à l’accrétion verticale. Il s’agit, en fait, de la combinaison entre des HCS sur érosion (DOTT et BOURGEOIS, 1982) et des HCS en accrétion verticale (BOURGEOIS, 1983; ALLEN et UNDERHILL, 1989) proprement dites. En effet, ici, l’accrétion verticale est accentuée par les surfaces d’érosion ondulantes qui tronquent, avec un déphasage, les laminations internes des rides chevauchantes en phase.

Ces structures s’observent dans un matériel de type grainstone à entroques moyen à grossier, mal trié, interrompu par des décharges coquillières, soulignant le litage (Photo 2, Planche 3). Parfois il est possible de les rencontrer dans une calcarénite à entroques mieux triée, à éléments subarrondis, très proches des proto-oolithes.

Traditionnellement, les HCS, au sens premier du terme (HARMS et al., 1975), ont été décrites

dans des sables fins ou dans des silts grossiers (DOTT et BOURGEOIS, 1982; SWIFT et al., 1987;

BURCHETTE et WRIGHT, 1992). Ici, elles se rencontrent dans un sable grossier à débris de crinoïdes. Cette différence de granulométrie s’explique par les propriétés hydrodynamiques particulières des ossicules. En effet, les articles de crinoïdes présentent une très forte porosité interne (68% du volume) qui les rend extrêmement légers. En tenant compte de ce réseau poreux et de la quantité d’eau de mer présente à l’intérieur des pores, la densité d’un ossicule est estimée à 1,53 (NEUMEIER, 1998), soit une densité environ 1,7 fois plus faible que celle du quartz (2,65). D’après les modélisations de GIBBS et al. (1971), les débris grossiers de crinoïdes ont la même vitesse de décantation que des sphères de verre, de densité proche de celle du quartz et dont le diamètre est 3 à 4 fois plus petit que celui des débris, soit des caractéristiques hydrodynamiques équivalentes à celles de grains de quartz fins. Ainsi, il est tout à fait logique de rencontrer des HCS dans un sable grossier à ossicules de crinoïdes.

La taille des HCS en accrétion verticale est très variable d’un affleurement à l’autre : allant de quelques centimètres à plusieurs centaines de centimètres de longueur d’onde. Cette différence de taille est fonction de la granulométrie du sédiment dans lequel les HCS se forment. Dans un matériel grossier, les formes mamelonnées auront statistiquement une longueur d’onde plus importante que dans un sédiment fin, mais ces différences de taille peuvent traduire aussi des processus de mise en place variés (CHEEL et LECKIE, 1993).

1.2.c.2 – Interprétation

L’HCS au sens large, est une structure rencontrée principalement dans les environnements sous-marins, mais elle peut également s’observer en milieu lacustre (EYLES et CLARK, 1986; GREENWOOD et SHERMAN, 1986) ou éolien (MC KEE, 1979, in GUILLOCHEAU, 1990). Nombreux sont les articles traitant de la mise en place de ces structures. Il semble maintenant qu’une origine mixte combinée à composante oscillatoire et unidirectionnelle soit admise plutôt qu’une origine purement oscillatoire. Notre propos n’étant pas de réinterpréter les HCS, ni même de retracer l’historique des divergences d’opinions quant à leur formation, le lecteur est renvoyé à CHEEL et LECKIE (1993). L’HCS en accrétion verticale est une structure sableuse complexe, à la charnière entre un état d’équilibre et un processus aléatoire de creusement et de drapage. Sa mise en place intervient dans des conditions d’hydrodynamisme particulières, que l’on rencontre fréquemment dans un environnement de type shoreface. Les HCS en accrétion verticale peuvent être enregistrés, de manière isolée, en position plus distale ou plus proximale.

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1.2.d HCS en accrétion latérale ou la sigmoïde de houle 1.2.d.1 Description

Il s’agit de structures amalgamées à stratifications entrecroisées d’une cinquantaine de centimètres de longueur. Lorsque les affleurements sont suffisamment altérés par la télogénèse, on constate que chaque structure ou unité est constituée de laminations internes en oblique, reposant sur une surface d’érosion qui entaille les structures sous-jacentes (Photo 3, Planche 3). Par comparaison avec les HCS en accrétion verticale, la surface d’érosion basale est moins profonde et de plus grande longueur d’onde. Elle présente, toutefois, une forte dissymétrie avec un flanc amont incliné d’une dizaine de degrés. Les nombreuses surfaces de réactivation rendent difficile l’observation du flanc aval. Quoiqu’il en soit, lorsqu’il est visible, ce dernier est faiblement