Pour l'obtention du grade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées
Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers - IC2MP (Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)
École doctorale : Sciences pour l'environnement - Gay Lussac (La Rochelle) Secteur de recherche : Terre solide et enveloppes superficielles
Présentée par :
Nathaelle Onanga Mavotchy
Études des paléomilieux paléoprotérozoïques (2,1-2,0 Ga) : la formation fb du bassin de Franceville au Gabon
Directeur(s) de Thèse :
Abderrazak El Albani, Alain Trentesaux Soutenue le 31 mars 2016 devant le jury Jury :
Président Michel Lopez Professeur des Universités, Université de Montpellier 2 Rapporteur Michel Lopez Professeur des Universités, Université de Montpellier 2 Rapporteur Jean-Gabriel Bréhéret Professeur émérite, Université de Tours
Membre Abderrazak El Albani Professeur des Universités, Université de Poitiers Membre Alain Trentesaux Professeur des Universités, Université de Lille 1 Membre Claude Fontaine Ingénieur d'études CNRS, Poitiers
Membre Florent Pambo Directeur de la mine Eramet-Comilog, Gabon Membre Philippe Boulvais Maître de conférences, Université de Rennes 1
Pour citer cette thèse :
Nathaelle Onanga Mavotchy. Études des paléomilieux paléoprotérozoïques (2,1-2,0 Ga) : la formation fb du bassin
de Franceville au Gabon [En ligne]. Thèse Terre solide et enveloppes superficielles. Poitiers : Université de Poitiers,
ONANGA MAVOTCHY N., 2016
THESE
Pour l’obtention du Grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS
UFR des Sciences Fondamentales et Appliquées
(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)
Ecole Doctorale μ Sciences pour l’Environnement - Gay Lussac
Secteur de Recherche : Géosciences - Terre solide et enveloppes superficielles
Présentée par :
Nathaelle ONANGA MAVOTCHY
*******************************************************************
ETUDE DES PALEOMILIEUX PALEOPROTEROZOIQUES
(2,1-2,0 Ga) : LA FORMATION FB DU BASSIN DE
FRANCEVILLE AU GABON
************************************************************** Directeurs de Thèse : Abderrazak EL ALBANI et Alain TRENTESAUX
*********************************************** Soutenue le 31 Mars 2016 devant la Commission d’Examen
Membres du jury
Rapporteurs:
Michel LOPEZ Professeur, Université de Montpellier Jean-Gabriel BREHERET Professeur-Emérite, Université de Tours
Examinateurs:
Philippe BOULVAIS Maître de conférences, HDR, Université de Rennes 1
Florent PAMBO Directeur de la mine Eramet- COMILOG (Gabon)
Claude FONTAINE Ingénieur, Docteur- CNRS, Université de Poitiers
Abderrazak EL ALBANI Professeur, Université de Poitiers (Co-directeur de thèse) Alain TRENTESAUX Professeur, Université de Lille 1 (Co-directeur de thèse)
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page i
RESUME
Le bassin paléoprotérozoïque (2,1 à 2,0 Ga) de Franceville, situé au Sud-est du Gabon, est étudié depuis des décennies pour son fort potentiel métallifère (uranium et manganèse), depuis 2010, pour avoir livré les plus anciens macro-organismes multicellulaires connus à ce jour, repoussant la limite de l’apparition de la vie multicellulaire complexe à 2,1 Ga. Cette période, est synchrone de grands bouleversements ayant affectés à l’échelle du Globe la chimie de l’atmosphère et des océans et correspond à la mise en place de la formation FB de la série sédimentaire du Francevillien. C’est dans la région de Mvengué, au centre du bassin, que le stratotype de la formation FB a été initialement défini. L’objectif de cette étude est de pouvoir apporter de nouvelles informations sur les conditions de sédimentation et de diagenèse précoce de ces sédiments, et de mieux comprendre la mise en place de la sédimentation carbonatée essentiellement au sein de niveaux de black shales et d’intercalations silto-gréseuses.
Dans la zone de Mvengué, les dépôts de la formation FB sont composés d’unités déposées dans un environnement marin avec des profondeurs variables en dessous de la limite d’action des vagues de tempête On distingue les unités (1) FB1b comprenant des pélites noires, des grès intercalaires et des pélites rubanées ou dolomites litées, (2) FB1c formée par l’alternance de black shales et de grès noirs et enfin (3) FB2a caractérisée par les grès massifs ou grès de Poubara. La variabilité verticale est identique dans les différents sondages. Les analyses pétrographiques, minéralogiques et chimiques montrent que ces sédiments ont subi une diagenèse modérée. Toutefois, les effets de cette diagenèse sont variables selon les faciès.
Les carbonates sont associés aux black shales, de manière souvent diffuse, ils peuvent s’exprimer en lits et bancs individualisés à Mvengué, mais également en concrétions sur le site de Moanda, où elles apparaissent sur une épaisseur de 12 m intercalées dans les niveaux de black shale de l’unité FB1c. Ces concrétions, ovoïdes à lenticulaires, de taille centimétrique à décamétrique, forment des alignements au sein de 8 niveaux successifs. Quelle que soit leurs formes, leurs relations géométriques avec les lamines de l’encaissant black shale argue en faveur d’une mise en place dans un sédiment encore meuble, bien avant le début de la compaction. En se développant les concrétions ont incorporé une fraction argileuse semblable à celle de l’encaissant et dont la composition est relativement homogène depuis leur bordure externe jusqu’à leur centre. Les analyses isotopiques du carbone et de l’oxygène de la phase carbonatée et du carbone de la phase organique ainsi que les relations morphologiques et texturales indiquent que la dolomitisation ayant générée ces concrétions s’est effectuée durant les premiers stades de la diagenèse et a été favorisée par l’oxydation bactérienne de la matière organique conduisant à l’augmentation de l’alcalinité des eaux interstitielles des sédiments.
Mots clés: Paléoprotérozoïque, bassin de Franceville, paléoenvironnements, diagenèse, concrétions carbonatées.
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page ii
ABSTRACT:
The Paleoproterozoic (2.1 to 2.0 Ga) Franceville Basin, South-east of Gabon, has been studied for decades for its high metalliferous (primarily uranium and manganese) potential. The discovery of the oldest known macro-multicellular organisms in the FB Formation in the basin in 2010 caused a repositioning of the appearance of complex multicellular life to 2.1 Ga in Earth history. This period is synchronous with great upheavals that affected the global chemistry of the atmosphere and oceans, and corresponds to the deposition of the FB Formation in the Franceville Basin. Core samples from the FB Formation were sampled from the centre of the basin (Mvengué syncline) and the western flank of the basin (Moanda) for comparative analyses. The objective of this study is to provide new information on precipitation conditions of the early diagenetic carbonate cements and concretions associated with the organic-rich black shales and siltstones in the FB Formation using facies analyses, petrographic, and geochemical techniques.
At the basin centre, the FB Formation is composed of sedimentary units that reflect deposition in a deep marine environment with variable depths below the limit of storm wave actions Three units can be distinguished: (1) FB1b consisting of black shales, fine grained sandstones, and laminated mudstones or layered dolomites; (2) FB1c consisting of alternating black shales and sandstones; and (3) FB2a that is characterized by massive sandstone (namely the Poubara sandstone). Detailed analytical studies showed that these sediments have undergone moderate diagenetic modifications. However, the degree of diagenesis varies betweendifferent lithofacies.
The carbonates are commonly diffused within the associated black shales throughout the FB Formation. In addition, at the Mvengué, the carbonates are present as individual beds, and as ovoid to lenticular centimeters to tens of centimeters thick concretions at Moanda, where they occur interlayering the FB1c black shales at eight levels. Irrespective of their form of occurrence, their relationships with the laminated black shale argues in favour of their formation before significant compaction. As a result, the incorporated clay minerals in the concretions are similar to the host rocks (black shales) and their composition is relatively homogenous from the edge to the centre. Isotope analyses of carbon and oxygen in the carbonates and of carbon in the organic matter, as well as the morphological and textural relationships suggest that the dolomitisation processes at the origin of the concretions, occurred during the early diagenetic stage, were favoured by bacterial oxidation of organic matter resulting in increasing pore water alkalinity in the sediments.
Keywords: Paleoproterozoic, Franceville Basin, paleoenvironments, diagenesis, carbonate concretions.
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page iii
REMERCIEMENTS
Après toutes ces années de thèse qui représentent aussi la fin de mes études, le moment pour moi de faire un bilan et d’exprimer mes sincères remerciements, ma reconnaissance et ma gratitude à toutes les personnes et institutions qui m’ont permis d’une part de réaliser ce projet de thèse et d’autre part qui m’ont encouragé à aller jusqu’au bout des choses. Car en effet, une thèse bien que représentant des années de recherche englobe également des années riches en rencontres qui contribuent grandement de près ou de loin à son aboutissement.
En premier lieu, je tiens à témoigner ma très profonde gratitude à mon pays le GABON par le biais de l’Agence Nationale des Bourses du Gabon pour le soutien financier apporté dans mes études depuis mon entrée au collège jusqu’à la fin de ma thèse. Merci de m’avoir donné la chance de réaliser ce projet, car sans ce financement je n’aurais surement pas pu le réaliser. «AKEWA, DIBOTI GABON».
J’adresse mes sincères remerciements et ma gratitude à mes deux directeurs de thèse les professeurs Abderrazak El Albani et Alain Trentesaux pour avoir dirigé ces travaux de thèse, pour les conseils, les démarches administratives et surtout pour la relecture et les corrections dans des délais très court suite à mon retard mais vous avez mis de votre temps pour que j’y arrive. Un grand merci à toi Abder., d’être si patient et si compréhensible. De m’avoir vraiment supporté, je t’en suis très reconnaissante et tu as toute ma gratitude (les petits gâteaux vont bien me manquer, je m’y étais un peu habitué). A toi Alain, merci pour ton aide si précieuse lors de mon séjour passé à Lille, tu m’as soutenu lorsque j’ai perdu mon ordinateur et mon disque externe, merci d’avoir facilité mon intégration dans le laboratoire et avec les autres doctorants. Merci pour le congrès à Chambéry, tu avais toujours un œil sur moi pour savoir si tout allait bien (c’était ma première fois). J’ai aimé passer du temps avec toi sur le terrain, car j’ai beaucoup appris lors de ces missions au Gabon.
Je tiens aussi à exprimer ma profonde gratitude à Claude Fontaine, mon presque troisième directeur de thèse (mon coach, mon psychologue…). Une grande reconnaissance pour ce temps que tu m’as accordé durant toutes ces années dans le laboratoire, sur les fichiers de déconvolution, sur la rédaction, les relectures et corrections, sur les petits temps de discussion, pour toutes tes orientations. Tellement de chose que les mots me manquent, car tu as été plus que présent, tu as su me remotiver à plusieurs reprises, lorsque je ne me sentais plus d’appoint. Tu as été très attachant et je t’en suis très très reconnaissante. Ma profonde gratitude à l’endroit de Nathalie Dauger (ma Nathy à moi), je te remercie pour les fiches descriptives des procédures d’extraction d’argile, de décarbonatation et surtout pour ton humanité, tu as été ma petite maman durant ces années, tu m’as aidé dans les périodes les plus difficiles (lorsque je pleurais tu as pleurée avec moi). Merci pour tes précieux conseils et surtout de m’avoir aidé dans ma perte de poids. Je n’oublierais pas les bons moments passés en ta compagnie (c’était pas mal le country danse, je dirais que ça me manque même, c’était très sympathique). Claude Laforest tu as toute ma gratitude. Merci pour toutes les lames minces et les multiples polissages (Merci également à Denis Paquet pour sa part de lames minces), pour les temps sur le terrain, pour ton attachement et surtout pour ton immense gentillesse. Claude, Nathalie et toi avez été plein d’humanité envers moi et avez su me sortir
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page iv beaucoup) et surtout MERCI D’EXISTER.
Je tiens à exprimer ma reconnaissance au Professeur Daniel Franck Idiata, Commissaire Général du Centre National de la Recherche Scientifique du Gabon (CENAREST) de m’avoir motivé à faire une thèse et de m’avoir orienté vers celui qui est devenu mon directeur de thèse, le prof, El Albani.
Mes sincères remerciements à l’endroit des membres du jury d’avoir accepté de juger ce travail en si peu de temps.
Ma profonde gratitude aux précurseurs de mon projet de thèse, l’ensemble des enseignants du département de géologie de l’université des Sciences et Techniques de MASUKU (USTM) pour leur amour pour la géologie qu’ils communiquent à leurs étudiants: Michel Mbina Mouguegui., Mathieu Moussavou, Mike Makaya Mvoumbou., Simplice Ndong Ondo, Léonce Ogandaga, Musavu (le petit), Ambroise Edou Minko et CharlesTchikoundzi (Ya Tchik). Une mention très spéciale au professeur Mick Makaya Mvoubou (mon mentor de toujours et de tous les temps) des deux stages sous sa direction donné envie de faire une thèse, merci pour ton soutien sans faille même au delà des frontières. Merci au prof. Michel Mbina Mouguegui (mon tonton) de m’avoir vraiment encouragé à faire cette thèse.
J’ai l’immense bonheur de remercier les personnes qui ont bien voulu collaborer pour l’avancement de ce travailμ
- M. Florent Pambo, Directeur de la mine à COMILOG d’avoir bien voulu me laisser échantillonner les forages de Mvengué, pour l’accueil si chaleureuse lors de mes deux missions d’échantillonnages à COMILOG, de m’avoirs donné les moyens logistiques et d’avoir facilité mon intégration dans cette équipe de la mine. Merci à ta secrétaire de direction Mlle Okigui Valérie qui m’a facilité les démarches et tout l’ensemble des agents de la mine pour leur sympathie et leur bonne humeur.
- A l’Université de Rennes, M. Philippe Boulvais pour les analyses des isotopes des carbonates, pour tes explications sur le terrain sur les déformations et surtout pour ta disponibilité lors de la correction de l’article et les chapitres sur les concrétions et aussi pour ta bonne humeur. Mme Anne-Cathérine Pierson-Wickman pour les analyses des isotopes du carbone de la matière organique et surtout pour tes corrections sur la partie concrétion. Tes interrogations et tes remarques m’ont beaucoup apporté.
-A l’université de Lille, Mme Armelle Riboulleau pour ses explications lors de mon séjour à Lille et lors de son voyage sur Poitiers, presque toute une matinée pour essayer de comprendre la répartition de ces carbonates dans la concrétion. A M. Jean Yves Renaud pour toutes ses explications sur le terrain et pour sa bonne humeur.
Je tiens aussi à remercier les personnes qui ne m’ont pas aidé scientifiquement mais qui ont été tout aussi importantes:
A L’université de Poitiers, je tiens à exprimer ma profonde gratitude et ma reconnaissance à M. Francois Batty-Sorel pour le travail qu’il réalise avec une grande majorité des doctorants de l’université de Poitiers. Tu fais un travail exceptionnel. Je n’oublierais pas les rendez-vous que tu as toujours bien voulu m’accorder. Tu as su trouver les mots justes pour me redonner du courage dans les moments les plus difficiles. Tu m’as aidé à comprendre qu’un échec ponctuel et temporaire n’était pas une défaite permanente et
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page v DIBOTY FRANCOIS. J’exprime ma gratitude à Claire Guichard pour ton efficacité et la qualité de ton travail, pour l’accueil et surtout pour ta sympathie et ta gentillesse. Merci pour les dîners chez toi, j’ai passé de très bons moments en ta compagnie, tu m’as fait connaître un bon petit monde.
Au tour des personnes qui donnent une âme à l’équipe HydrASA d’être remercié notamment l’ensemble des permanents d’une part pour leur sympathie, leur bonne humeur, une mention spéciale à Marie France Hubert, pour ta gentillesse et pour les invitations chez toi entre étudiants internationaux. Laurent Caner, Paul Sardini, Alain Meunier, Antoine, François, Thierry, Marc, Arnaud, merci pour votre bonne humeur, c’est toujours agréable de vous dire bonjour avec du sourire. Je remercie d’autre part les anciens doctorants (devenus des docteurs), actuels doctorants et stagiaires pour votre sympathie et votre amitié (dans le désordre en espérant n’oublier personne): Olabodé (bodé), Genia, Grâce, Stellina, Eliana (minha flor), Sophie, Vanessa, Charlie, Idalina, Valentin, Liva, Jean-Christophe, Jackson (meu Lindo), Fabien, Lauriss, Carmen, Cacharel, Benoît, Tojo, Natalia, Mélanie, Ashraf... Une mention spéciale à Bodé avec qui j’ai partagé le bureau durant ces années, tu as été plus qu’un collègue tu es devenu mon ami et je te remercie pour tous les bons moments passés. Génia, Stellina, Eliana, Vanessa, Sophie je n’oublierais pas les soirées, les barbec, les déjeuners, les rires et merci pour votre amitié. Minha flor (Eliana) et Vanessa j’espère honorer votre invitation au Brésil.
Je profite de l’occasion pour adresser mes remerciements à la famille Sorton (ma Juju , maman Francette et papa Eric,) de Saint Médard d’Aunis et à la famille Petit ( ma Petit Ange et ses parents) pour votre gentillesse, pour les week-ends passé chez vous et pour m’avoir fait découvrir certaines saveurs charentaises. Ma Juju et ma Petit Ange je vous remercie pour votre amitié si sincère, et j’espère vous revoir très vite. Merci ooohhhh.
Je tiens à exprimer ma reconnaissance à l’ensemble des membres de l’association des gabonais de Poitiers (AGP) de m’avoir permis de passer de très beaux moments extra thèse dans cette ville de Poitiers. Un clin d’œil à tous mes bons petits Mbayistes et non mbayistes de Poitiers.
Je remercie également mes plus proches ami(e)s pour leur écoute et leur soutien sans faille, pour TOUT : Erika (Miss B), Stéphannette, Claudia, Francoise, Gabin, Yolande, La famille restreinte, Ronald, Doris, Nina, Delmance, Luce, Mathy Dubois, Chady, Hugo, Gracita, Edwige, Max, Vanessa, Parfait, Clisy, Tracy, Swesslath, Stan, Estellita, Kanguette, Helga, …
Enfin, je réserve mes plus profonds remerciements et mon immense gratitude à mes parents, ma maman Suzanne et mon papa Eusèbe (tu es parti trop tôt) ainsi qu’à mes frères et sœurs pour leur confiance aveugle, de m’avoir toujours accompagné dans mes choix et pour m’avoir encouragé à aller jusqu’au bout. Je vous en serais ETERNELLEMENT RECONNAISSANTE.
Une mention spéciale à l’ensemble de mes neveux et nièces qui m’ont donnés tant d’amour.
J’adresse mes plus sincères remerciements aux parents de ma meilleure amie Erika ou mes seconds parents Hortense et papa Bruno pour tout votre amour, pour le soutien, et pour les encouragements que vous m’avez apporté tout au long de ma scolarité et particulièrement au cours de ces difficiles années de thèse remplie de diverses péripéties.
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cousins et cousines, qu’ils sont nombreux), vous avez toujours été là pour moi. Akawa, DIBOTY. Merci à la famille Itoumba, à la famille Ndob, à Armand Mbina et Elodie Bescont, à Guilaine Léhoumbou….
Je souhaiterais associer un nombre incroyable de personnes à ces remerciements qui deviendraient alors interminables. Je tiens donc pour finir à remercier tout ceux qui volontairement ou non, d’une manière ou d’une autre, m’ont apportés leur aide dans la réalisation de mon projet d’étude. Vous avez ma gratitude et ma reconnaissance.
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page vii
RESUME ... I
ABSTRACT: ... II
REMERCIEMENTS ... III
TABLE DES MATIERES ... VII
PARTIE I: INTRODUCTION GENERALE, CADRE GEOLOGIQUE ET
METHODOLOGIE ... 1
INTRODUCTION GENERALE ... 2
CHAPITRE I: CADRE GEOLOGIQUE DU BASSIN FRANCEVILLIEN
SEDIMENTAIRE ET SYNTHESE DES TRAVAUX ANTERIEURS ... 6
1.SITUATION GEOGRAPHIQUE ET GEOLOGIQUE ... 6
2.HISTOIRE TECTONO-SEDIMENTAIRE DU BASSIN FRANCEVILLIEN ... 9
3.LITHOSTRATIGRAPHIE GENERALE DE LA SERIE FRANCEVILLIENNE ... 12
3.1. LA FORMATION DU FRANCEVILLIEN A ... 13
3.2. LA FORMATION DU FRANCEVILLIEN B... 15
3.3. LA FORMATION DU FRANCEVILLIEN C... 15
3.4. LES FORMATIONS DU FRANCEVILLIEN D ET E ... 16
3.5. LES CORRELATIONS STRATIGRAPHIQUES ... 16
4.LE FRANCEVILLIEN B DANS LE SOUS-BASSIN DE FRANCEVILLE ... 17
4.1. LITHOLOGIE GENERALE ... 17
4.2. INTERPRETATION GEODYNAMIQUE DES VARIATIONS DE FACIES ... 21
4.3. LA DIAGENESE DES FORMATIONS SEDIMENTAIRES ... 25
5.LES CARBONATES DU FRANCEVILLIEN B DANS LE SOUS-BASSIN DE FRANCEVILLE ... 26
5.1. FACIES ... 26
5.2. MINERALOGIE ... 27
5.3. ENVIRONNEMENTS DE DEPOT ... 27
5.4. CONDITIONS PHYSICO-CHIMIQUE DE LEUR FORMATION ... 28
5.4. COMPOSITION CHIMIQUE TEMOIN DE LEUR HISTOIRE ... 30
5.5. INTERET DE L’ETUDE DES CARBONATES DU FRANCEVILLIEN B ... 34
CHAPITRE II: MATERIE
L ET METHODES D’ETUDE ... 36
1.STRATEGIE D’ECHANTILLONNAGE ... 36
1.1. SITE DE MVENGUE ... 36
1.2. SITE DE LA GARE DE MOANDA ... 37
2.METHODES D’ETUDE ... 37
2.1. OBSERVATIONS MICROSCOPIQUES ... 37
2.1.1.MICROSCOPIE OPTIQUE ... 37
2.1.2.CATHODOLUMINESCENCE ... 38
2.1.3.MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE ... 38
2.1.4. ANALYSES PONCTUELLES ... 39
2.2. DIFFRACTION DE RAYONS X ... 39
2.2.1.ETAPES PRELIMINAIRES ... 40
2.2.1.1. Désagrégation ... 40
2.2.1.2. Elimination des carbonates ... 41
2.2.1.3. Destruction de la matière organique ... 41
2.2.2.SEPARATION ET EXTRACTION DE LA FRACTION ARGILEUSE ... 41
2.2.3.CARACTERISATION DES PHASES MINERALES ... 42
2.2.3.1. Préparation des poudres désorientées ... 42
2.2.3.2. Préparation des poudres orientées ... 42
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page viii
2.4.1.2. Normalisations ... 43
2.4.1.3. Calcul des différentes anomalies ... 44
2.4.2.ISOTOPIQUES STABLES (C ET O) ... 44
2.4.2.1. δ13 Ccarbet δ 18 Ocarb des carbonates ... 45
2.4.2.2. δ13Corg de la matière organique ... 45
PARTIE II: LE FRANCEVILLIEN B DANS
LA ZONE DE MVENGUE 46
CHAPITRE III: ENVIRONNEMENTS DE DEPOT DANS LA ZONE DE
MVENGUE ... 48
1.ZONE D’ETUDE ... 49
2.SUCCESSIONS LITHOLOGIQUES DANS LA ZONE DE MVENGUE ... 52
2.1. LE FORAGE MVG4 (FORAGE DE REFERENCE) ... 52
2.2. DESCRIPTION DES AUTRES FORAGES ... 55
3.VARIATION LATERALES DES FACIES DANS LA FORMATION FB A L’ECHELLE DU BASSIN DE FRANCEVILLE... 62
3.1. ZONE DE MVENGUE: SONDAGES 2012 ... 64
3.2. BORDURE NORD-OUEST DU BASSIN (ZONE DE OKELOBONDOI ... 66
3.3. ZONE INTERMEDIAIRE 1 (ZONE DE LA MOULILI) ... ERREUR ! SIGNET NON DEFINI. 3.4. ZONE INTERMEDIAIRE 2 (OU ZONE DE BANGOMBE-MOANDA) ... 68
3.5. INTERPRETATION ... ERREUR ! SIGNET NON DEFINI. 4.ETUDE DETAILLEE DES FACIES DE DEPOT DANS LA ZONE DE MVENGUE ... 70
4.1. LES PELITES NOIRES A INTERCALATIONS GRESEUSES ... 70
4.2. LES PELITES RUBANEES DOLOMITIQUES OU DOLOMIES LITEES ... 72
4.3. LES BLACK-SHALES A INTERCALATIONS GRESEUSES ... 74
4.4. LES CHERTS INTERCALAIRES ... 77
4.5. LES GRES MASSIFS ISOGRANULAIRES ... 79
4.6. LES NIVEAUX VOLCANIQUES SOMMITAUX ... 83
5.CONCLUSION ... 84
CHAPITRE IV: PETROGRAPHIE ET DIAGENESE DES DEPOTS.DE
MVENGUE ... 87
1.DESCRIPTION DE LA MINERALOGIE GLOBALE ... 87
2.PETROGRAPHIE DES FACIES ... 89
2.1. LES MICROFACIES ARGILO-SILTEUX DU FB1 DE MVENGUE ... 89
2.1.1.MICROFACIES DES PELITES NOIRES ... 89
2.1.2.MICROFACIES DES PELITES RUBANEES ... 91
2.1.3.MICROFACIES DES BLACK SHALES ... 93
2.2. LES MICROFACIES GRESEUX DU FB DE MVENGUE ... 94
2.2.1.LES GRES INTERCALAIRES DU FB1B ... 94
2.2.2.LES GRES INTERCALAIRES DU FB1C ... 97
2.3. LES MICROFACIES GRESEUX DU FB2A: LES GRES MASSIFS ... 98
3.DESCRIPTION DES PHENOMENES DIAGENETIQUES. ... 99
3.1. PHENOMENE DE PRESSION-DISSOLUTION ... 100
3.2. ALTERATION DES FELDSPATHS ... 101
3.3. LES MICAS ... 101
3.4. LES CIMENTS DOLOMITIQUES ET DOLOMITES ... 102
3.5. LES ARGILES AUTHIGENES: ILLITE ET INTERSTRATIFIES ILLITE/SMECTITE ... 103
3.5.1.MINERALOGIE DES ARGILES ... 103
3.5.2.EVOLUTION MINERALOGIQUE ... 103
3.5.2.1. L’illite dans le FB de Mvengué ... 103
3.6. LA PYRITE ... 115
4.SYNTHESE:INFLUENCE DES FACIES ET VARIATION DE COMPOSITION MINERALE CARACTERISANT LES EVOLUTIONS DIAGENETIQUES. ... 115
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page ix
CHAPITRE.V:
SEDIMENTOLOGIE,
CARACTERISTIQUES
DES
FACIES ET PETROGRAPHIE DES DEPOTS A MOANDA-GARE ... 120
1.ANALYSE LITHOFACIOLOGIQUE ET ENVIRONNEMENT DE DEPOT DES CONCRETIONS CARBONATEES ... 120
1.1. LOCALISATION MOANDA-GARE ... 120
1.2. DESCRIPTION GENERALE DE L’AFFLEUREMENT ... 120
1.3) DESCRIPTION DES FACIES ... 123
1.3.1)LES BLACK SHALES ... 123
1.3.2)LES NIVEAUX SILTO-GRESEUX ET MICROCONGLOMERATS ... 124
1.3.3.LES CONCRETIONS ... 126
1. 3.3.1. Organisation spatiale des concrétions ... 126
1. 3.3.2. Morphologie et caractères associés des concrétions ... 127
1.5. RESUME ... 129
2.ANALYSES MINERALOGIQUE, PETROGRAPHIQUES ET DIAGENESE DES SEDIMENTS ... 130
2.1. MINERALOGIE ET PETROGRAPHIE GENERALE ... 130
2.1.1.ENCAISSANT ... 130
2.1.2.CONCRETIONS ... 132
2.2. PETROGRAPHIE ET DIAGENESE ... 137
2.2.1.LES CARBONATES ET LES SULFURES DANS L’ENCAISSANT ... 137
2.2.1.1. Les carbonates ... 137
2.1.1.2. Les sulfures ... 140
2.2.2. CARBONATES ET SULFURES DANS LES CONCRETIONS ... 141
2.2.2.1. Les carbonates: les dolomites et la calcite ... 141
2.2.2.2. La pyrite dans les concrétions ... 143
2.3. ORDRE D’APPARITION DES DIFFERENTES PHASES DIAGENETIQUES ... 145
CHAPITRE VI. ANALYSES GEOCHIMIQUES ET ORIGINE DU
CONCRETIONNEMENT A MOANDA-GARE DANS LE BASSIN DE
FRANCEVILLE. ... 150
1.GEOCHIMIE DE LA ROCHE TOTALE... 150
1.1. LES ELEMENTS MAJEURS ... 152
1.1.1.EVOLUTION DANS LES CONCRETIONS ET LEUR ENCAISSANT ... 152
1.1.2.DIFFERENTS POLES DE COMPOSITION ... 153
1.1.3.DISCUSSION ET INTERPRETATIONS ... 159
1.2. LES ELEMENTS MINEURS ... 160
1.2.1.LES ELEMENTS MINEURS DANS LES CONCRETIONS ... 160
1.2.2.LES ELEMENTS MINEURS DANS LES BLACK SHALES ENCAISSANTS ... 162
1.3. LES TERRES RARES ... 163
1.3.1.LES TERRES RARES ET POLE COMPOSITIONNEL ... 163
1.3.2.COMPORTEMENT DES TERRES RARES DANS LES CONCRETIONS ET LEUR ENCAISSANT ... 163
1.4. ENRICHISSEMENT/APPAUVRISSEMENT EN ELEMENTS DANS BLACK SHALESENCAISSANTS ET CONCRETIONS : ORIGINE DE CES VARIATIONS. ... 168
1.5. RESUME ... 172
2.COMPOSITION ISOTOPIQUE DE CARBONE ET OXYGENE ... 172
3.VARIATION SPATIALE DES COMPOSITIONS AU SEIN DES CONCRETIONS ... 174
4.SYNTHESE GENERALE LA FORMATION DES CONCRETIONS DE MOANDA-GARE ... 180
4.1. ARTICLE SOUMIS AU COMPTES RENDUS DE L’ACADEMIE DES SCIENCES: THE ROLE OF THE EARLY DIAGENETIC DOLOMITIC CONCRETIONS IN THE PRESERVATION OF THE 2.1 GA PAEOLENVIRONMENTAL SIGNAL: PALEOPROTEROZOIC OF THE FRANCEVILLE BASIN, GABON ... 182
PARTIE IV: DISCUSSION GENERALE, CONCLUSION DE LA THESE
ET PERSPECTIVES ... 215
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page x
LES DONNEES ANTERIEURES ... 216
1.EVOLUTION SEDIMENTOLOGIQUE ET ORIGINE DES SEDIMENTS FB ... 216
2.DIAGENESE DES DEPOTS FB ... 217
2.1. LA FRACTION DETRITIQUE ... 217
2.2. LA FRACTION CARBONATEE (DOLOMIES) ... 218
LES DOLOMIES DANS LA FORMATION FB: COMPARAISON AVEC LES DONNEES ANTERIEURES. ... 218
2.2.1. DESCRIPTION PETROGRAPHIQUES DES DOLOMIES DU FB ... 220
2.2.2.COMPARAISON DES ANALYSES DE COMPOSITION SUR ROCHE TOTALE ... 221
2.2.3.COMPARAISON DES VALEURS ISOTOPIQUES ... 221
2.2.4.INTERPRETATION GENERALE ET ENREGISTREMENT DE LA DIAGENESE DES DOLOMIES ... 221
CONCLUSION GENERALE ... 224
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 228
ANNEXES ... 239
ANNEXE I.1: SONDAGES DE MVENGUE ... 240
ANNEXE I.2: ECHANTILLONS SELECTIONNES DANS LA ZONE DE
MVENGUE ET DESCRIPTIF DES ANALYSES REALISEES ... 245
ANNEXE I.3: ECHANTILLONNAGE DANS LA ZONE MOANDA ... 247
ANNEXE II: RESULTATS
D’ANALYSES ICP ... 249
ANNEXE III: COMPILATION DES CORRELATIONS DES ELEMENTS
MAJEURS, MINEURES ET TERRES RARRES AVEC AL
2O
3, SIO
2ET
CAO DANS LES CONCRETIONS ET LEUR PROCHE ENCAISSANT.
... 255
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PARTIE I: INTRODUCTION GENERALE, CADRE
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INTRODUCTION GENERALE
Dans les bassins très anciens, notamment ceux du Précambrien et du Paléoprotérozoïque, le message porté par les sédiments marins quant à leurs conditions de mise en place (contexte tectonique, bathymétrique…) et aux paramètres environnementaux (chimie de l’eau et de l’atmosphère) qui régnaient lors de leur dépôt sont bien souvent occultés, partiellement ou totalement, par l’action de la diagenèse voire du métamorphisme qui les a affecté tardivement. A ce titre, les formations du Francevillien sédimentaire du Sud-Est du Gabon constituent des archives exceptionnelles pour l’étude des mécanismes sédimentaires en contexte très ancien car ce domaine géologique a échappé à tout métamorphisme du fait de sa situation dans une zone intracratonique restée extrêmement stable depuis 2,10 Ga (Bonhomme et al., 1982).
Depuis plusieurs décennies, ce bassin focalise l’attention en raison de son fort potentiel métallifère (Weber, 1968). En effet, cette région appartenant au bassin versant du Haut Ogooué s’est révélée être une province uranifère, qui a fait l’objet d’une exploitation, par le CEA, la COGEMA et AREVA successivement, du début des années 60 jusqu’à la fin des années λ0. Les gisements d’uranium, dont le principal était celui de Mounana, se localisaient dans des strates gréso-pélitiques constituant la série détritique de base de la colonne sédimentaire (FA). Parmi les indices uranifères exploités, ceux d’Oklo et de Bangombé ont été identifiés comme de véritables réacteurs nucléaires naturels (cas unique au monde) par Gauthier-Lafaye (1986), Gauthier-Lafaye et al. (1996) et Gauthier-Lafaye et Weber (1989, 2003). Le Bassin Francevillien présente en outre un intérêt économique pour ses gisements de manganèse. Situé sur le plateau de Bangombé, le principal et le plus riche d’entre eux est celui de Moanda, qui représente 25% des réserves mondiales et est exploité par la COMILOG, filiale du groupe minier français ERAMET. Les teneurs manganésifères sont consécutives à l’altération, il y a 2,15 à 1,λ5 Ga, de niveaux préexistants riches en dolomie manganésifère, associés à une séquence marine de pélites et de black shales formant la partie supérieure de la colonne sédimentaire du Francevillien.
Au Paléoprotérozoïque, l’abondance des dépôts de black shales est la plus importante des temps géologiques, avec deux maxima situés l’un vers 1,8 à 1,λ Ga, l’autre à 2,1 Ga (Condie et al., 2001). C’est au cours de cette dernière époque que les sédiments marins
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 3 connue dans le monde, pour cette période. Sur une épaisseur comprise entre 400 et 1000 m et sur une surface de 35000 km2, la formation FB de caractère pélitique (Cortial et al., 1990) est composée à près de 80% d’argilites dont la teneur en carbone organique varie de 0,5 à 15% (Gauthier-Lafaye et Weber, 1989). Vers le sommet de ces argilites, les teneurs en manganèse très élevées ont été interprétées comme une augmentation du potentiel d’oxydation en relation avec le développement de la photosynthèse. Durant la diagenèse précoce, l’abondance de matière organique aurait joué un rôle clé dans l’altération de la dolomite-Mn précurseur du protore et la formation des gisements de Mn. Au cours de l’enfouissement de la Formation FB, la matière organique a atteint le domaine thermique de la « fenêtre à huile », ce qui a permis la formation d’hydrocarbures dont il ne reste plus aujourd’hui que des résidus solidifiés ayant atteint le terme de bitume (Mossman et al., 2005) et, parfois même, celui de charbon (Cortial et al., 1990).
La Formation du Francevillien B, et tout particulièrement les niveaux de black shales carbonatés ont conservé les preuves de l’explosion de la vie à cette période. Bertrand-Sarfati et Potin (1994) puis Amard et Bertrand-Sarfati (1997) ont montré que cette vie était plus complexe qu’un simple état microbien ou bactérien en mettant en évidence la présence de microfossiles dans des bancs intercalaires de stromatolithes silicifiés. Enfin, plus récemment, El Albani et al. (2010) y ont découvert que l’évolution avait atteint le stade de
macro-organismes multicellulaires ; ce qui repousse la limite de l’apparition de la vie organisée (eukaryotes) à 2,1 Ga, soit 1500 Ma avant la faune d’Ediacara.
Comme on le voit, les black shales et les carbonates associés, comme la dolomite, constituent des témoins très importants des environnements et des conditions de sédimentation (Arthur et Sageman, 1994), en particulier ceux qui ont régné au Paléoprotérozoïque dans ce domaine géographique. De manière générale, ces sédiments se sont déposés dans certains contextes tectoniques, comme les domaines de rifts continentaux, préférentiellement à d’autres. L’incorporation concomitante d’importantes quantités de matière organique dans ces matériaux s’est également accompagnée du piégeage d’éléments métalliques (Leventhal, 1991), majeurs (Canfield et al., 2008) ou traces (Bolhar et al., 2004 ; Dahl et al., 2011 ; Marx et Kamber, 2010 ; Pufahl et Hiatt, 2012 ; Raiswell et Plant, 1980) et de terres rares (Pufahl et Hiatt, 2012) dont la présence est directement liée au potentiel oxydo-réducteur du milieu de sédimentation. C’est pourquoi la géochimie des black shales est une source très importante pour la connaissance de la chimie de l’atmosphère et du degré
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 4 d’oxygénation des océans (Scott et al., 2008; Dahl et al., 2011). Or, les dépôts de black shales et de dolomies du Bassin Francevillien sont synchrones d’une période (Lomagondi Event) où les teneurs en CO2 et O2 atmosphériques ont été grandement modifiées (Lyons et
al., 2014 ;Bekker et al., 2001 ; Karhu et Holland, 1996).
Après leur dépôt, ces matériaux ont également enregistrés les conditions de diagenèse qui les ont affectés précocement, ou plus tardivement. Les phénomènes diagénétiques débutent dès l’interface eau-sédiment, où les réactions d’oxydoréduction affectent la matière organique (Irwin et al., 1977 ; Claypool et Kaplan, 1974) sur une tranche de sédiments pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres. Il en résulte des modifications importantes de la composition des eaux interstitielles et donc sur la stabilité de certains minéraux comme les carbonates, les sulfates ou les sulfures (Bekker et Bloomer, 1988, Delaney et Anderson, 1997, Hoaereau et al., 200λ). A plus grandes profondeurs, l’activité bactérienne responsable de ces
phénomènes se réduit fortement et les réactions associées deviennent pratiquement nulles (Hendry, 2002). Inversement, l’action des fluides diagénétiques (d’origine météorique ou profonde) sur les sédiments s’accroît avec la profondeur. Lorsque les températures dépassent 70°C la maturation de la matière organique produit des hydrocarbures par décarboxylation thermique (Hendry, 2002). En-deçà de cette température, des transformations minéralogiques s’opèrent, telles que la transition illite/smectite (Potter et al., 2005), l’altération des feldspaths
(Morad et al., 1990) ou la dolomitisation pervasive des sédiments (Warren, 2000).
L’étude des black shales carbonatés et des dolomies associées de la formation du Francevillien B a porté sur une série de 11 sondages effectués en 2012 dans la région de Mvengué par la Compagnie Minière de l’Ogooué (COMILOG), dans le cadre de ses investigations sur la cartographie de bancs gréseux en vue de produire un alliage de silico-manganèse. Dans cette zone centrale du sous-bassin de Franceville, où a été défini le log stratigraphique de référence du Francevillien B (Wéber, 1969), ces sondages offrent l’opportunité d’étudier des niveaux de black shales carbonatés, situés en bordure d’une structure plissée (synclinal de Mvengué), qui sont en correspondance latérale avec ceux déjà identifié dans des sondages réalisés plus au Nord-Ouest dans la région de Bangombé. Dans ce contexte, les carbonates présents en ciment dans les black shale peuvent s’individualiser et former de véritables bancs. En se déplaçant vers le Nord-Ouest, le levé de l’affleurement de la gare minéralière de Moanda (Ossa Ossa, 2010) avait montré que les black shales carbonatés contiennent des alignements de concrétions carbonatées. Selon, la position des dépôts dans le
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 5 sous-bassin de Franceville, les black shales carbonatés et les carbonates associés présentent donc des faciès très différents. Ces faciès reflètent à la fois les conditions synsédimentaires mais également les phénomènes diagénétiques qui les ont affectés ou créés après le dépôt des matériaux primaires.
L’étude présentée dans ce mémoire a donc consisté à réaliser une synthèse bibliographique afin de situer précisément ces nouveaux sondages par rapport à la stratigraphie du bassin francevillien et plus particulièrement de celle du sous-bassin de Franceville. En effet, compte tenu du contexte tectonique de mise en place (rift intracratonique) l’établissement des corrélations latérales n’est pas évident, tant du fait des variations latérales de faciès que du jeu des accidents tectoniques. A partir des différents carottages un log lithostratigraphique type de la zone d’étude sera proposé et replacé par rapport à la stratigraphie régionale
Dans un second volet, notre attention s’est portée sur les conditions de sédimentation et de diagenèse précoce de ces sédiments, en croisant les résultats obtenus par leur analyse pétrographique, minéralogique et chimiques.
Enfin, un dernier volet s’est focalisé sur les carbonates, essentiellement dolomitiques, qui sont associés aux black shales. Des analyses sur les éléments traces et les isotopiques du carbone et de l’oxygène ont été spécifiquement réalisées sur les concrétions carbonatées de Moanda. Les résultats seront comparés à ceux déjà obtenus en d’autres points du bassin (Préat
et al., 2011) L’objectif vise à suivre l’évolution des fluides (Irwin et al., 1977) au cours de la formation de ces concrétions. Ces résultats permettront de trancher, dans le contexte francevillien, entre les modèles classiquement proposés pour la formation de telles concrétions dolomitiques dans des sédiments très riches en matière organique (Colman, 1985 ; Gauthier et Claypool, 1984 ; Mazzullo, 2000).
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CHAPITRE I: CADRE GEOLOGIQUE DU BASSIN
FRANCEVILLIEN SEDIMENTAIRE ET SYNTHESE DES TRAVAUX
ANTERIEURS
1. SITUATION GEOGRAPHIQUE ET GEOLOGIQUE
Le Bassin Francevillien est un bassin sédimentaire qui occupe une grande partie du Gabon depuis son centre vers le Sud-Est (Figure I.1). Géographiquement, il peut être circonscrit dans un triangle définissant approximativement une surface 35000 km² et compris entre 1°-2°S de latitude et 13°-13°44’E de longitude.
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 7 La région de Franceville appartient au bassin hydrographique du Haut-Ogooué, fleuve le plus important du Gabon qui en draine les 4/5 du territoire. Son réseau hydrographique (exploré en 1876 par P. Savorgnan de Brazza et 1877 par Lenz), découpe le paysage de manière très monotone en un relief ondulé où les collines sont séparées par des cours d'eau parfois encaissés (Figure I.2). Ce fleuve et ses affluents occupent une large cuvette essentiellement comblée par des terrains d’âge Francevillien (2,1 à 2,0 Ga) et tertiaire. Du Sud de Franceville au Nord de Lastourville, le lit de l’Ogooué descend de 400 à 200 m d’altitude. Sur ce trajet, la géomorphologie est caractérisée par des cuestas, couronnées de falaises de grès ou de quartzites, faisant reliefs entre des zones déprimées. Plus à l’Est, vers Okondja, des arêtes d’orientation NW-SE tranchent dans la topographie, divisant la pénéplaine en deux. Si la partie orientale avoisine 450 m d’altitude, la partie occidentale montre une inclinaison Est-Ouest avec une altitude passant progressivement de 450 m vers Franceville à 600 m à Moanda.
Figure I.2– Paysage de la région de Franceville où alternent des collines (à gauche) entrecoupées de rivières encaissées (à droite).
Du point de vue géologique général, le Gabon est situé à l'extrémité Nord-Ouest du craton du Congo. On y distingue habituellement trois grandes unités stratigraphiques que sont le socle archéen, les sédiments protérozoïques, qui couvrent 75% du pays, et la couverture sédimentaire du Phanérozoïque.
Les sédiments d’âge Protérozoïque (2.5 à 2,0 Ga) constituent notamment les terrains de comblement du bassin francevillien. Ce bassin est limité au Nord par le massif granito-gneissique du Nord Gabon, au Sud et au Sud-Ouest par le batholite granitique à enclaves de roches métamorphiques du Chaillu, à l’Ouest par la zone mobile de l’Ogooué (Cosson, 1957),
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 8 enfin, à l’Est par les plateaux Batékés (Figure I.3), constitués par les dépôts sablo-gréseux azoïques de la formation Stanley Pool d’âge incertain (Paléogène à Quaternaire).
Figure I.3- Carte synthétique montrant les grandes unités géologiques du Gabon et la position (en rose) du bassin sédimentaire francevillien (Modifié d'après Chevallier et al., 2002).
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 9 Les études géologiques menées (Donnot et Wéber, 1968 et 1969, Wéber, 1969) sur ce bassin ont montré qu’il se subdivise en quatre sous-bassins caractérisés par des contextes paléogéographiques propres, très différents les uns des autres, et délimités par des horsts de socle tel celui de Ondili Amiéni. Ces sous-bassins se répartissent de la manière suivante : au Nord-Ouest le bassin de Booué (ou Plateau des Abeilles), au Nord-Est le bassin d’Okondja, au centre le bassin de Lastourville et au Sud-Est le bassin de Franceville sensu stricto.
L’ensemble de la pile sédimentaire du bassin francevillien a servi à établir le stratotype éponyme. Les travaux de Weber (1968) ont montré que les sédiments les plus anciens de cette pile reposent en discordance sur un sous-bassement archéen (2800-2900 Ma) constitué de roches plutoniques et granitiques.
2. HISTOIRE TECTONO-SEDIMENTAIRE DU BASSIN FRANCEVILLIEN
Figure I.4 - Schéma montrant la position du bassin francevillien par rapport aux grandes unités géologiques et structurales NE du Gabon (modifié d’après
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 10
La phase d’extension ou phase d’effondrement est essentiellement liée à deux
épisodes d’extension (Hassenforder et al., 1994) orientés approximativement N20°E à N50°E. Le premier épisode correspond à la formation des grandes failles normales de Kaya Kaya et de Mikoulougou (Figure I.4), orientées NW-SE, et de l’ensemble des failles de Kiéné, orientées EW.
Figure I.5 - Modèle tectonique (D’après Gauthier-Lafaye, 1986) montrant l’organisation structurale des bassins francevilliens (A) et leur relation avec le fonctionnement coulissant des failles majeures (B) où BB= bassin de Booué ;
BL= Bassin de Lastoursville, BO= Bassin d’Okondja et BF= Bassin de
Franceville.
Parallèlement s’est mise en place une activité volcanique, dont le caractère varie en fonction de la position par rapport au rift. Sur sa bordure Est, il est acide alcalin à hyper alcalin, comme à Ngoutou où il est probablement associé au domaine continental. En position médiane, il est alcalin basique, comme dans le bassin d’Okondja où une tendance océanique
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 11 s’affirme (Bonhomme et al., 1982 ; Weber, 1968, Gauthier-Lafaye, 1986). En revanche, les traces du volcanisme sont inexistantes dans le sous-bassin de Franceville. Le second épisode d’extension est lié au développement d’une flexure régionale, responsable de la formation des failles majeures de Miyama, orientées N-S.
Cette première phase tectonique est à l’origine de la création d’un double fossé et de l’individualisation des différents sous-bassins francevilliens, à savoir celui d’Okondja qui occupe la totalité du sillon Est et s’est révélé le plus subsident de tous, et ceux de Booué, Lastourville et Franceville, qui s’égrènent du Nord au Sud tout au long du sillon Ouest. Durant cette phase d’effondrement du socle et d’approfondissement des sous-bassins, la nature des sédiments de comblement a évolué. A la base, les dépôts tout d’abord de type fluvio-deltaïque passent à des dépôts gréso-conglomératiques continentaux. Cet ensemble, pouvant parfois atteindre 1000m, est appelé Formation du Francevillien A ou FA (Figure I.5A). Au-dessus de cette formation, on passe assez brutalement à des dépôts constitués par des alternances de shales, de pélites de grès et parfois de carbonates. Les études stratigraphiques y ont distingué deux grandes formations dites Francevillien B (FB) et Francevillien C (FC).
Le remplissage des dépressions tectoniques a donc vu la transition rapide entre une sédimentation à caractère continental (FA) et une sédimentation à caractère franchement marin (FB et FC). Par ailleurs, les grandes variations d’épaisseur des formations dans l’ensemble du Francevillien indiquent que l’intensité de la subsidence varie fortement d’un sous-bassin à l’autre (Azzibrouk, 1λ86). De plus, ces variations d’épaisseur du FA sont largement contrôlées par le jeu des grands accidents, en particulier par les failles de Mikoulougou et Miyama (Gauthier Lafaye, 1986). Ce dernier auteur interprète donc cet ensemble comme appartenant à un système de rift continental dans lequel les sous-bassins de Franceville et Lastourville correspondent à un rift avorté, délimité au Nord-Est par le Horst de Ondili et Amiéni (Figure I.5A). Quant au bassin d’Okondja, il représenterait le graben le plus
évolué et correspondrait donc à la zone de plus forte extension de la croûte continentale, ce qui expliquerait le volcanisme alcalin qui lui est associé.
La phase de compression ou phase de décrochement est liée à des glissements
senestres le long du système de failles d’orientation N160°E, qui limite les sous-bassins d’Okondja, de Booué, de Lastourville et de Franceville et la zone mobile de l’Ogooué lorsque l’on se déplace d’Est en Ouest (Figure I.5B). Les études structurales (Gauthier-Lafaye 1986) ont montré que ces décrochements sont associés à une contrainte de direction NE-SW (Figure
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I.5B). Cette seconde phase tectonique, responsable d’un plissement régional NW-SE, serait
contemporaine de la propagation des failles d’orientation Nord-Sud et, corrélativement, de l’apparition de grabens comblés par les sédiments détritiques fins de type flysch s.s. (Chevallier et al., 2002), les dépôts fluvio-deltaïques et les matériaux volcano-sédimentaires (Thiéblemont et al., 2009), matériaux qui constituent les formations du Francevillien D (FD) et du Francevillien E (FE). La grande extension de ces dépôts à l’échelle du Bassin Francevillien indique que le phénomène de subsidence se généralise de plus en plus. Finalement, Gauhier-Lafaye (1λ86) a proposé d’expliquer le fonctionnement des structures de cette seconde phase tectonique à l’aide d’un modèle de type Riedel (Figure I.5B) où les cisaillements majeurs correspondant aux décrochements sénestres N-S sont couplés à des failles NW-SE, assimilées à des joints de cisaillement synthétiques de second ordre.
3. LITHOSTRATIGRAPHIE GENERALE DE LA SERIE
FRANCEVILLIENNE
La région de Franceville a depuis longtemps été reconnue pour son fort potentiel métallogénique, ce qui a motivé un grand nombre d’études géologiques, tant régionales que gîtologiques, comme par exemples celles menées sur les teneurs uranifères de Mounana – et les réacteurs nucléaires à fission spontanée, dont le plus célèbre a été décrit à Oklo - ou sur l’important gisement de manganèse de Moanda. Le terme de Francevillien a été pour la première fois proposé par Baud (1954) pour désigner les séries Protérozoïques non métamorphiques, observables dans le bassin du Haut-Ogooué. A partir de 1955, les études de prospection du Francevillien ont été couplées à un travail géologique et cartographique très important qui a abouti à la carte géologique au 1/200000 de Franceville. Mais l’ensemble de ces travaux avait conduit à des dénominations stratigraphiques locales. C’est à Wéber (1λ68, 1969) et Donnot et Wéber (1λ68 et 1λ6λ) que l’on doit d’avoir unifié cartographiquement
(Figure I.6) et fixé la nomenclature stratigraphique de l’ensemble de la série du Francevillien
sédimentaire (Figure I.7), c’est-à-dire en proposant d’indexer FA, FB, FC, FD et FE les
différentes formations constitutives, de la base vers le sommet ; nomenclature toujours en vigueur à ce jour. Plus récemment, l’édition de la carte géologique du Gabon au 1/1000000 (Hudeley, 1λ70) puis d’une nouvelle édition de la feuille de Franceville – Boumango au 1/200000 par le Bureau de Recherches Géologiques et Minières ont permis de compléter la couverture du Francevillien et de mieux définir ses relations avec les systèmes voisins (intermédiaire, Ogooué et Congo occidental).
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 13 Figure I.6 - Carte géologique simplifiée du bassin Francevillien (Modifié d’après Ossa Ossa et
al., 2013) et localisation des zones étudiées (1= Gare de Moanda ; 2= Carrière de Mvengué).
3.1. LA FORMATION DU FRANCEVILLIEN A
Cette formation indexée FA constitue la base (Figure I.5) de la série francevillienne (Wéber, 1968). Cette unité, qui repose en discordance sur le socle archéen, renferme l’ensemble des gisements d’uranium des formations paléoprotérozoïques. Elle affleure essentiellement sur les bordures ouest et sud-ouest du bassin francevillien (Figure I.6) mais est absente dans la partie nord-occidentale où ce sont les jaspes du FC qui reposent directement sur le socle archéen.
L’épaisseur du FA varie grandement d’un sous-bassin à l’autre et peut atteindre jusqu’à 1000 m de dans le sous-bassin de Franceville dans sa partie centrale Kaya-Kaya/Kiéne-Otobo représenté par le sondage GR15 (Wéber & Gauthier-Lafaye, 1986; Bankole, 2015). La séquence sédimentaire de cette formation débute par un empilement
1
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 14 monotone de grès grossiers à niveaux conglomératiques, de grande extension géographique, passant à des grès fins à moyens, où alternent des niveaux tantôt conglomératiques tantôt pélitiques. Cette séquence a été interprétée comme la transition entre des dépôts d’environnements fluvio-deltaïques à continentaux (Gauthier-Lafaye, 1986) vers des dépôts de domaine marin tidal (Pambo et al., 2006). Les matériaux gréseux du FA, généralement friables, donnent de médiocres affleurements et les reliefs induits sont peu élevés à l’exception du Mont Moanda.
Figure I.7 - Séquence sédimentologique synthétique du bassin Francevillien
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 15
3.2. LA FORMATION DU FRANCEVILLIEN B
La formation FB du Francevillien repose, en certains endroits, en légère discordance angulaire sur le FA (Gauthier-Lafaye, 1λ86). Cette unité d’abord décrite par Weber (1λ68) a été complétée par Azzibrouck (1986) et Pambo (2004). Son épaisseur totale est généralement comprise entre 400 m, comme dans le sondage de Bangombé à Moanda (Wéber, 1968), à plus de 1000 m en sondage, dans le sondage ME3 à la Moulili au Nord de Moanda (Cortial, 1985). En revanche, au Nord de Mounana, sa puissance est moindre et la totalité de la formation se réduit à 360 m (sondage LN1).
Les alternances d’argilites, de siltites à intercalations gréseuses, de brèches, de dolomies et de niveaux riches en fer constituant les matériaux de cette formation possèdent un caractère franchement marin. De la base vers le sommet, elle a fait l’objet (Wéber, 1λ68) d’une subdivision en deux unités indexées FB1 et FB2 (Figure I.6). L’unité FB1, partie basale
du Francevillien B, est formée par une succession d’argilites noires bitumineuses et de dépôts silteux riches en matières organiques (black-shales), où s’intercalent des niveaux gréso-dolomitiques à gréso-dolomitiques et, plus localement, de fines couches de calcaires ferrugineux et manganésifères. C’est à la partie supérieure de cette unité qu’appartient le gisement de manganèse de Moanda, exploité dès 1962 par US STEEL. En revanche, la partie sommitale du Francevillien B, ou unité FB2, est caractérisée à sa base par des dépôts gréseux plus grossiers qui passent vers le haut à des alternances de siltites et de black shales, où ont été découverts les plus vieux macro-fossiles multicellulaires connus à ce jour (El Albani et al., 2010).
3.3. LA FORMATION DU FRANCEVILLIEN C
Le Francevillien C (FC) est une formation peu épaisse (0 à 50 m) de grande extension qui constitue un repère stratigraphique très important dans la Série du Francevillien. Elle est essentiellement caractérisée par des cherts massifs (jaspes) gris-bleu sombre à intercalations de black-shales et, parfois, de dépôts volcaniques de type acide (Wéber, 1969, Bouton et al., 2009 ; Thiéblemont et al., 2009), qui affleurent partout dans le bassin francevillien. Par ailleurs, dans ces niveaux siliceux il est fréquent d’observer des constructions stromatolithiques (Amard et Bertrand-Sarfati 1997, Bertrand-Sarfati et Potin 1994) et des dolomies évaporitiques intercalées avec des black shales (Préat et al., 2011) indicateurs de milieux de sédimentation peu profonds de bordures de bassin et considérés comme
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 16 contemporains du dépôt des black shales (FB) et des turbidites (Gauthier-Lafaye & Wéber, 1989).
3.4. LES FORMATIONS DU FRANCEVILLIEN D ET E
La formation FD, dont la puissance moyenne avoisine 500 m, est caractérisée par des alternances de dépôts volcano-sédimentaires formés par une succession de black-shale et de petits bancs de grès silteux sombres où s’intercalent des lits de pyroclastites à grain fin (Gauthier-Lafaye et Wéber, 2003). Plus récemment, dans le bassin de Franceville, Thiéblemont et al. (2009) ont proposé de distinguer deux ensembles dans cette formation, l’un où dominent essentiellement des black shales silicifiés (< 100 m), l’autre constitué d’une alternance gréso-pélititique (400 m). Il est à noter que le volcanisme de cette formation, le plus acide (les tufs acides) s’étend vraisemblablement sur à l’ensemble du Francevillien et ne sont associées à aucune formation effusive connue (Weber, 1968).
Enfin, des niveaux gréseux tufacés et des alternances de pélites et de black-shales silteuses soulignant le retour d’une sédimentation à caractère détritique, et qui avaient été attribués à la formation FE (Weber, 1968), ont récemment été replacés dans le FD par Bouton
et al. (2009).
3.5. LES CORRELATIONS STRATIGRAPHIQUES
Du fait des différents épisodes de tectonique décrits ci-dessus, les phénomènes d’effondrements et donc de subsidence, ainsi que les dynamiques de remplissage sédimentaire qui leur sont associés – du moins durant la période la plus active – la géométrie des sous-bassins, et notamment leur profondeur, est très dissymétrique selon que l’on se trouve dans le sillon Est ou dans le sillon Ouest.
Par ailleurs, dans ce dernier, il existe également une dissymétrie Nord-Sud, mais dont l’intensité est moins prononcée. Pour ces raisons, et compte tenu de la discontinuité des affleurements, les corrélations stratigraphiques entre les différents sous-bassins ont souvent posé de nombreux problèmes (Figure I.8).
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 17 Figure I.8 - Schéma de corrélations entre les remplissages sédimentaires des sous-bassins
de Booué, Franceville, Lastoursville et Okondja (Modifiée d'après Préat et al., 2011 dans Ngombi-Pemba 2014) de la série francevillienne.
4. LE FRANCEVILLIEN B DANS LE SOUS-BASSIN DE FRANCEVILLE 4.1. LITHOLOGIE GENERALE
Cette formation à caractère marin se caractérise par une succession de sédiments marins fins, essentiellement des blacks shales et des pélites, dans lesquels s’intercalent des niveaux gréseux, bréchiques, carbonatés et des niveaux riches en fer (Pambo, 2004). Les deux unités FB1 et FB2 de cette formation ont-elles-mêmes fait l’objet de sub-divisions.
Ainsi, de sa base jusqu’au sommet, l’unité basale du Francevillien B (FB1) a été subdivisée en trois sous-unités indexées FB1a, FB1b, et FB1c.
Le F B1a est une formation d’argilites silteuses pauvre en matière organique dont la
couleur générale vert pâle tient à la présence des phyllosilicates (chlorite et illite). Les feldspaths y sont rares et les carbonates totalement absents, ainsi que la pyrite. Cette
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 18 formation de 30 m de puissance environ et caractérisée par des dépôts laminés, plus rarement rubanés, dans lesquels on rencontre des intercalations de grès brèchifiés et de jaspes. Ces derniers peuvent être de nature stromatolithique comme cela a été reconnu en sondage dans la zone Nord-Leyou et dans les carrières des environs de Djoutou (Bertrand-Sarfati et Potin, 1994).
Le F B1b est une formation silteuse à silto-gréseuse qui débute par des niveaux
grossiers à caractère brèchique (carrière d’Oklo) voire conglomératique (sondage OK110), qui remanient des éléments du socle archéen. Au-dessus, les dépôts passent à des grès fins dont le ciment est dolomitique puis à des siltites micacées et enfin à des black shales dolomitiques, plus ou moins riches en matière organique (Ossa Ossa, 2010). La présence de la dolomite s’affirme au centre (Djibanlonga) et dans la partie Nord-Ouest du bassin (entre Mounana et Mboungou Badouma) où elle apparaît sous plusieurs faciès : dolomies franches (parfois noires et riches en pyrite), pélites gréseuses dolomitiques et grès dolomitiques gris.
Le F B1c est une formation de black-shales dans laquelle s’intercalent des niveaux et
lits gréso-dolomitiques à dolomitiques. Dans les talus de la gare minéralière de Moanda une séquence typique de ces faciès fins montre des litages obliques, des figures de courant, de charge et de liquéfaction (Thiéblemont et al., 2009). Des varves, des slumps découpés par des microfailles synsédimentaires et des rides de courant enregistrés dans des lentilles silto-gréseuses intercalaires (Azzibrouck, 1986 ; Pambo, 2004 ; Bouton et al., 2009 ; Ossa Ossa, 2010) sont autant d’indicateurs de dépôts de pente au droit de plateforme. Les alternances de lits de dolomies et les intercalations gréseuses dans les black shales peuvent s’interpréter comme de légères oscillations du niveau marin relatif.
D’autre part, dans le bassin de Franceville, les études du FB1c réalisées sur des sondages (Azzibrouck, 1986 ; Pambo, 2004) ont montré que le développement de la dolomite peut être mis en parallèle avec l’augmentation des teneurs en matière organique. De plus vers le sommet de cet ensemble la minéralogie des carbonates évolue selon une séquence dolomite → ankérite → dolomite-Mn,Fe, dont l’altération a conduit à la formation de rhodochrosite. Ce dernier minéral est le porteur du manganèse dans le protore de Moanda (exploité par la Société COMILOG), qui repose sur un horizon ferrifère verdâtre (Pambo, 2004).
La transition entre les unités FB1 et FB2 correspond à un changement dans la nature de la sédimentation. Comme l’unité FB1, l’unité FB2 a été subdivisée en deux sous-unités
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 19 indexées FB2a et Fb2b, de bas en haut. En effet, aux faciès fins du FB1 succède un ensemble gréseux nommé grès de Poubara (Fb2a) puis à nouveau des black shales (FB2b).
Le F B2a est essentiellement composé de bancs de grès moyens, isogranulaires,
massifs et souvent très silicifiés (Figure. I.9). Il s’agit généralement d’un faciès de quartzarénite (Bouton et al., 2009 ; Ossa Ossa, 2010) granoclassée (> 300 µm) où les feldspaths sont rares. Lorsque le caractère devient plus grossier, microcline, plagioclase et micas (biotite et muscovite) sont présents. La porosité de ces grès est parfois occupée par des ciments sériciteux ou carbonatés, dont la teneur reste toujours faible.
Figure I.9 Les grands massifs gréseux dans le bassin de Franceville (D’après
Azzibrouck, 1986)
Dans sous-bassin de Franceville ces grès forment des corps oblongs, d’extension plurikilométrique, rencontrés aussi bien en forage qu’en affleurement. Ils se présentent sous deux sous-faciès (Azzibrouck, 1986) dits de Poubara (dominant) et de Bangombé (d’extension plus restreinte). Les grès de Poubara se caractérisent par un faciès de quartzarénite à grain moyen et une couleur jaune à beige à l’affleurement. Ils forment des barres d’épaisseur décamétrique où s’observent des chenaux à litages obliques. L’ancienne carrière de Gangolo (Mounana) a permis d’observer des figures d’échappement du fluide
ONANGA MAVOTCHY N., 2016 Page 20 interstitiel. Dans la carrière de Socoba à Mounana, ces grès sont gris et surmontés par des niveaux de black shale. Ils forment alors des lentilles à stratifications obliques et les contacts inter-bancs sont soulignés par des enduits charbonneux.
La grande résistance à l’érosion de ces formations gréseuses est à l’origine du développement des cuestas de Mvengué, Yéyé et Massengo, des escarpements dans la région de Mounana ainsi que des grandes surfaces du plateau de Bangombé.
A Poubara et à Mvengué, ces grès affleurent sur plusieurs dizaines de mètres d’épaisseur, mais dans le sondage LN12 ils ont été reconnus sur plus de 100 m (Azzibrouck, 1986).
Dans la carrière de Gangolo, l’observation des fronts de taille montre une organisation générale des bancs gréseux structurés en strates subparallèles avec des surfaces de base plus ou moins ravinantes. Cette irrégularité basale lorsqu’elle est plus accentuée esquisse une structure en auge bien marquée. Dans cette même carrière, les bancs dont la structuration interne est typique du faciès Poubara (Wéber, 1968) sont séparées par des bancs intercalaires silto-pélitiques verdâtres dans lesquelles on peut distinguer des lamines planes et parfois des slumps. Sur le Plateau de Bangombé (Azzibrouck, 1986), les grès présentent une texture et des figures sédimentaires quelque peu différentes de Gangolo ou de Mvengué ; si à la base la succession débute par un sous-faciès Poubara, bleuté et isogranulaire, on passe vers le haut à des grès conglomératiques constitués de galets de quartzites roulés emballés dans un ciment gréseux. Si, au Nord-Ouest du synclinal de Mvengué, dans la carrière de Socoba (Mounana), les grès isogranulaires n’ont qu’une vingtaine de mètres de puissance, et sont surmontés par les jaspes de la formation FC (Ossa Ossa, 2010), plus au Sud, dans la carrière de Lekouba, NGombi (2014) a décrit, du bas vers le haut, une séquence comprenant des grès gris fins, silteux et pyriteux, des gris fins à alternances centimétriques de grès quartzites blancs, des grès fins gris-ocre à figures de charge et à lamines discontinues de black shales et, enfin, des grès ocre à grain moyen organisés en successions métriques grano-décroissantes. Ces faciès gréseux présentent toutes les caractéristiques de dépôts turbiditiques de plateforme peu profonde.
Au sommet de ces grès, à la périphérie du synclinal de Mvengué, ont été identifiés des niveaux minces et discontinus, constitués de débris de tufs cinéritiques, de laves microlithiques, de spilites et de verre, qui peuvent être complètement altérés.
Le F B2b correspond à une séquence sédimentaire, formée par des black shales
pyriteux, très riches en matière organique, où s’intercalent des lits de siltites parfois très dolomitiques, qui repose en concordance sur les grès FB2a. De manière générale, ces black
