Cimentation et structures sédimentaires des beachrocks: genèse et critères d'identification

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Cimentation et structures sédimentaires des beachrocks: genèse et critères d'identification

DAVAUD, Eric Jean, STRASSER, Andréas

Abstract

Two examples of carbonate-beachrock formation have been studied in Tunisia and on the Bahamas. lt appears evident that cementation takes place under a cover of sediment where the carbonate grains are immobilized and where primary cements are precipitated in a marine or fresh-water, phreatic or vadose environment close to the water table. Oblique beach stratification and keystone vugs (typical for the swash zone) are thus preserved. Coastal erosion exposes this preferentially cemented layer, and marine cementation in the intertidal zone further indurates the rock. Wave action often washes away the underlying non-consolidated sediment. This causes the beachrock to break into blocks which (by gravity) may glide into the subtidal zone. Except for secondary marine vadose cements , all cements types found in beachrocks also occur in other environments. The identification of ancient beachrocks should therefore not be based on cementation criteria only, but also on sedimentary structures and on stratigraphie context.

DAVAUD, Eric Jean, STRASSER, Andréas. Cimentation et structures sédimentaires des beachrocks: genèse et critères d'identification. In: Le Beach-Rock . 1984. p. 41-50

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:155595

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CIMENTATION ET STRUCTURES SEDIMENTAIRES DES BEACHROCKS:

GENESE ET CRITERES D' IDENTIFICATION.

par Eric DAVAUD et André STRASSER

ABSTRACr. Two examp/es of carbonate-beachroclc formation have been studied in Tunisia and on the Bahamas . lt appears evident that cementation talces place under a cover of sediment where the carbonate graina are immobilized and where primary cements are precipitated in a marine or fresh-waler, phreatic or vadose environment close to the water table. Oblique beach stratification and lceyatone vugs ( typica/

for the swash ZDne) are thua preserved. Coasta/ eroaion expoaea thia preferential/y cemented layer, and marine cementation in the intertida/ ZDne further induratea the roclc. Wave action often washes away the under/ying non-consolidated sediment. This causea the beachroclc to brealc into b/olccs which ( by gravity) may g/ide into the subtidal zone •

Except for secondary marine vactoae cementa , al/ cements typea found in beachrocl<s also occur in other environments.

The identification of ancient beachrocl<s should therefore not be based on cementation criteria on/y, but also on sedimentary structures and on stratigraphie conteKt.

Les beachrocks ont depuis longtemps suscité I' Intérêt des . quaternaristes et des sédimentologues: les premiers y ont vu un indicateur fiable du niveau marin et un phénomène déterminant pour la morphologie littorale. les seconds y ont vu un phénomène diagénétique précoce permettant d'étudier sur le vif la dynamique de la cimentation . En dépit des nombreux travaux consacrés à ce problème . les conditions et le milieu de genèse des beachrocks sont demeurés longtemps un sujet de controverse en raison probablement de la diversité des faciès rencontrés

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conglomérats. sables. silts; carbonates.

siliciclastiques

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de la variété des ciments. de la diversité climatique des zones où s'observe ce phénomène et la présence fréquente d'artefacts humains récents qui attestaient apparemment le caractère contemporain et superficiel de l'induration . La position des affleurements semble constituer en elle-même un paradoxe puisque l'on voit mal comment la cimentation peut s'opérer dans un milieu où l'énergie impose un déplacement quasi permanent des particules.

Cette constatation a amené certains auteurs

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Trichet. 1965: Schmalz.

1971 > à admettre que I' induration s' effectuait sous une certaine tranche de sédiment et que les beachrocks n'affleuraient que dans des zones ayant subi une érosion progressive ou brutale

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tempêtes>.

Une approche clarlfiante du problème consiste à rappeler qu'une cimentation rapide ne peut s'opérer que si les deux conditions suivantes sont simultanément satisfaites:

l. Les particules doivent être immobilisées pendant que la première génération de ciment se développe à leur surface ou en leurs points de contact. Cette stabilisation peut être due soit à I' Inertie des particules <c'est le cas des conglomérats). soit à l'augmentation des forces de frottement <enfouissement>.

soit enfin au piégeage organique des particules < algues filamenteuses par exemple>.

2. Les solutions qui imprègnent totalement ou partiellement les pores intergranulaires doivent être saturées et fréquemment renouvelées: cette dernière condition implique une circulation très active des fluides interstitiels laquelle ne peut évidemment se développer que dans des sédiments très poreux et perméables

c

^à notre connaissance. les littoraux · vaseux -même carbonatés- ne présentent aucune cimentation précoce comparable à celle que l'on observe sur les littoraux sableux>. Actuellement. ces conditions nécessaires au développement d'une cimentation rapide ne sont réalisées que dans les sites privilégiés suivants :

- les récifs C sensu /ato

> :

- les littoraux conglomératiques C associés souvent à des cônes alluviaux);

- les littoraux sableux progradants où l'immobilité des particules est assurée par leur accumulation latérale.

Dans ce dernier cas -qui semble le plus répandu- le renouvellement des solutions est dO aux fluctuations des nappes phréatiques marines ou d'eau douce associées aux marées. à la percolation d'eaux météoriques.

aux embruns et à la capillarité stimulée par le "pompage évaporitique".

La diversité des processus responsables de la circulation des eaux interstitielles . le degré de saturation en eaux des vides interstitiels et la nature des particules constituant le sédiment engendrent de très nombreux types de 6eachrocks qu'il serait vain de vouloir classifier.

Les hypothèses relatives aux processus chimiques contrôlant la cimentation des beachrocks sont nombreuses et diverses C Mllliman • 197 4) . Les processus essentiels sont les suivants :

- précipitation par évaporation de l'eau de mer C Taylor et llling. 1969 > ou dégazement à l'interface phréatique/vadose C Hanor. 1978 > ;

- précipitation stimulée par l'activité métabolique et fixatrice des microorganismes

<Maxwell. 1962. Moore. 1973);

- précipitation au niveau de la nappe phréatique par mélange d'eau douce et d'eau salée C Trlchet. 1965; Schmalz. 1971 ) .

L'évaporation

c

Scoffin. 1970: Tietz et Muller. 1971 ) contribue activement à augmenter superficiellement l'induration des beachrocks exposés dans la zone médiolittorale à la suite d'une érosion. mais elle représente probablement un agent de cimentation mineur lorsque I' induration s' effectue sous une certaine tranche de sédiment.

La cimentation s'opère souvent en plusieurs phases ^C Deboo. 1962; Stoddart et Cann. 1965; Russell et Mclntire. 1965) qui traduisent un changement dans les conditions du milieu. Lorsque les dalles sont exposées dans le médiolittoral à la suite d'une érosion il est très fréquent que la cimentation s'accentue superficiellement par la combinaison complexe de facteurs organiques et inorganiques C Davies et Kinsey. 1973) .

La présence de débris datant de la seconde guerre mondiale < ^Schmalz.

1971 > ou de tessons de bouteilles < Scoffin. 1970). qui a souvent été considérée comme une preuve du caractère superficiel. "spontané" et actuel de la cimentation doit être interprétée avec prudence. Nous avons souvent constaté que ces fragments se trouvent piégés en surface des beachrocks. dans des cuvettes

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IDENTIFICATION DES BEACH-ROCKS 43

ou des anfractuosités, et qu'ils sont liés au beachrock par une cimentation phréatique ou vadose marine tardive et secondaire. Le tableau 1. compilé d'après les récents travaux de Longman C 1980 >. Purser, 1980 >, et Hanor

c

1983 >, résume les différents types de ciments que l'on peut rencontrer à l'interface air/eau-sédiment.

Le but de cet article est de rappeler. à l'aide de deux exemples pris dans des conditions climatiques différentes. que l'étude des ciments ne suffît pas à définir et identifier des beachrocks dans les séries anciennes et que les structures sédimentaires et leur agencement séquentiel permettent un diagnostic plus fiable et plus aisé.

Le premier exemple se situe sur la côte occidentale de la Bahiret el Bi ban C Tunisie méridionale. fig. 1 >. lagon très fermé caractérisé par une salinité très élevée

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Medhioub, 1979 >. Des dalles démantelées d'une épaisseur réduite

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2 à 15 cm> affleurent de manière discontinue en plusieurs points.

E:lô~ ~c~t :ncHnée:: !égèreme~~ '!~r~ ·~ 1~rg4:1 At rAposent sur un substrat non consolidé. Leur composition pétrographique est la même que celle du matériau encaissant: ooïdes à nucléus de quartz. peloides. débris de Serpules.

de Mollusques et d' Algues vertes et rouges.

Des tranchées pratiquées perpendiculairement à la ligne de rivage montrent que ce niveau induré se poursuit sous les levées de plage sur une vingtaine de mètres ^C fig . 2 > . Il se développe immédiatement au-dessus de la nappe phréatique marine qui présente une salinité sensiblement supérieure à l'eau prélevée au niveau du rivage. A 100 m du rivage. la dalle consolidée se retrouve dans une excavation sous des dunes côtières probablement d'age flandrien .

La levée de P,lage actuelle est fixée par des plantes halophiles dont les racines atteignent le niveau de la dalle indurée . La présence de fragments ligneux et de conduits rhîzollthiques C Klappa. 1980 > moulés dans la dalle cimentée <fig. 3 > démontre clairement que la cimentation s' effectue sous la levée de plage et est postérieure à la colonisation végétale.

Les sections faites dans la dalle montrent par ailleurs que las par licules sont agencées en laminations planes légèrement obliques par rapport à la surface de la dalle et révèlent la présence de "keystone vugs• < Dunham.

1970 > . Ces structures caractérîtiques de la zone du swash sont évidemment héritées.

En lame mince on distingue deux générations de ciments superposées : les particules sont tout d'abord liées par des ménisques micrîtiques caractéristiques de la zone vadose. puis uniformément tapissées de calcite magnésienne < identifiée par coloration> dont les cristaux sont disposés en palissade <fig. 4a > . ou d'aragonite fibreuse. Le caractère isopaque de la seconde génération de ciment indique que les pores étalent totalement imprégnés d'eau lors de la seconde phase de cimentation.

Le passage d'un ciment vadose à un ciment phréatique ne traduit pas nécessairement une élévation de la nappe phréatique marine . mais peut être dO à une réduction progressive de la taille des pores qui favorise une imprégnation totale < Purser. 1980 >.

Le second exemple provient de I' lie de North Bimini <Bahamas. fig.

1 > et illustre l'évolution de la cimentation de faciès lntertidaux calcarénltlques en milieu tropical humide.

En plusieurs points de la côte occidentale de cette fie sont exposés d'épais beachrocks décrits localement par Scoffin < 1970 > et Giffard < ¹⁹⁷³

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Les datations effectuées par plusieurs auteurs sur des tests d'organismes

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Fig. 1.- Loça/iaation dea affleurementa étudiés.

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Fig. 2 .- Profil observé '11.lr la rive ouest de la Bllhiret el Biban • Cimentation ( couche noire )

• la limite supérieure de la nappe phréatique ( pointillé ) • La levée de plage est fixée par les plantes halophiles dont les racines sont incorporées au niveau cimenté • HT:

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IDENTIFICATION DES BEACH-ROCKS 45

pris dans la masse du beachrock Indiquent que la cimentation s'est opérée durant les deux derniers mlllénaires alors que le niveau marin avait atteint sa cote actuelle.

L'intérêt de ces affleurements réside dans le fait que la cimentation affecte également les dépôts supralittoraux < dune éolienne> et la partie sommitale des dépôts infralittoraux mais est beaucoup plus manifeste et intense dans les faciès de plage qui présentent deux phases de cimentation.

La première phase <fig. 4b >. est constituée de ménisques calcitiques indiquant une diagenèse précoce en milieu vadose sous l'action d'eaux météoriques. la seconde. d'aragonite fibreuse Irrégulièrement répartie qui tapisse les surfaces laissées libres et correspond à une induration secondaire en milieu vadose à phréatique marin.

Cette séquence diagénétique indique clairement la succession des évènements sédimentaires:

a > . progradation de la ligne de rivage ; b > . cimentation vadose à une certaine dict3nce du rivage sous- 11:1~ IAvÂes de plage : c > . érosion probablement brutale au cours d'une tempête ou d'un ouragan. recul des lignes de rivage et mise au jour des anciens dépôts de plage ·cimentés; d > . augmentation de I' induration des dalles exposées dans le médiolittoral par circulation constante d'eau de mer dans les pores résiduels et par l'activité métabolique des microorganismes.

Cette évolution littorale. décrite en détail par les auteurs < Oavaud et Strasser. 1984 >. engendre. lorsqu'elle est suivie d'une nouvelle phase progradante. une séquence sédimentaire typique. aisément identifiable dans les séries anciennes <fig. 5 >.

L' induration préférentielle des faciès médiollttoraux favorise évidemment leur préservation dans l'enregistrement sédimentaire. Dans les zones où le substrat des beachrocks n'est pas ou peu consolidé. on constate que l'action des vagues provoque par affouillement la dislocation des dalles en blocs de taille variable qui dérivent progressivement dans I' infralittoral. La présence d'endoclastes <sensu Purser. 1980> dans des faciès infralittoraux constitue parfois le seul témoignage de I' t:Jxistence de beachrocks dan:; une sér!e sédimentaire.

Ces deux exemples rappellent que les beachrocks ne sont que la manifestation la plus évidente C géomorphologiquement parlant> de la cimentation précoce à I' interface air/eau-sédiment.

L'obliquité caractéristique des dalles indurées n'est évidemment pas due à la cimentation mais provient de l'agencement particulier des particules dans la zone du swash en laminations planes < Clifton. 1969 > . La cimentation qui s'opère préférentiellement dans les zones les mieux ·irriguées· ne fait donc que souligner une structure sédimentaire préexistante.

L'identification d'un beachrock dans les dépôts anciens ne peut être fondée uniquement sur l'observation des ciments. et ceci pour deux raisons : l . la nature des ciments se développant à l'interface air/eau-sédiment est éminemment variable <cf. table 1 > et la plupart d'entre eux ne sont pas caractéristiques de la zone où l'on observe les beachrocks Cà l'exception des ciments marins vadoses

>;

2. les ciments marins. phréatiques ou vadoses. sont instables et leur remplacement par de la calcite s'accompagne souvent d'une oblitération.

ou tout au moins d'une altération. des structures originelles.

La reconnaissance d'un beachrock doit nécessairement être fondée sur plusieurs critères et sur le contexte stratigraphique. L'examen des structures sédimentaires ne doit pas être négligé : la présence de keystone vugs se

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Fig. 3 .- Section verticale dans la dalle observée sous les levées de plage de la Bahiret el Biban • Des lceyatone vugs (le) soulignent la stratification oblique plane typique des dépôts de plage. La surface inférieure de la dalle présente des protubérances coniques (cimentation préférentielle le long des conduits rhizolithiques ( r) et des terrlertJ ( t) et des protubérances longilignes ( fissures d'effondrement ( f) favorisant la circulation des fluides).

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Fig . 4.- Cimentation des beachrocl<s étudiés (det1sins d ' aprés lames minces).

a· cimentation phréatique marine ( es/cite magnésienne en palissade) se superpoaant à des ménisques micritiques ( fféche, Bahiret el Biban). b· cimentation vadose d'eau douce ( ménisques de calcite, tendance stalactitique par place), suivie par une cimentation phréatique marine ( North Bimini).

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STRUCTURES SEDIMENTAIRES

Fines laminations planes tronquant les bioturbations

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Stratifications entrecroisées en auges de grandes dimensions Bioturbatio n intense Rides éoliennes/ salcretes

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Keystones vugs

Stratification planes parallèles légèrement obliques Calcirudites à stratifications

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Fig. 5 . · Séquence stratigraphique engendrée par le cycle progradation - ci71entation - érosion - progradation. Structures sédimentaires associées ( North Biminl, décrit en détail in Davaud et Strasser, 1984 ).

ENVIRONNEMENTS

WASHOVER (tempête)

DUrJf LITTORALE

BERME SUPRALITTORALE

ZONE DU SWASH BEACH ROCK

CONFLUENCE VAGUES BACKWASH

DÉPOTS INFRALITTORAUX A RIDES DE HOULE

FRAGMENTS DE BEACH ROCK DÉMANTELÉ

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pores sous- dissolution aux points ciments ménisques saturés en eau de contact entre et/ou stalagtitiques

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composition chimique des eaux

Tableau 1.

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IDENTIFICATION DES BEACH-ROCKS 49

développant dans des niveaux présentant une stratification oblique plane et parallèle constitue le meilleur indicateur du zéro marin < ^à condition que l'on s' assure qu'il ne s'agit pas de blocs ayant glissé dans la zone infralittorale>.

A défaut de keystone vugs. la succession stratigraphique des macrostructures sédimentaires < Illustrée ^à la fig. 5 > permet de confirmer l'existence d'une ancienne ligne de rivage et de localiser précisément la zone médiolittorale.

En résumé. il apparaît. sur la base des deux exemples décrits dans cet article et sur la base de la plupart des exemples cités dans la littérature.

que la cimentation des beachrocks sableux s'opère sous une certaine tranche de sédiment et que les faciès de plage une fols partiellement indurés sont remis au jour par érosion du littoral. Ces dépôts sont alors suffisamment consolidés pour résister au déferlement des vagues . Ils représentent un substrat poreux et perméable dans lequel la circulation intense des eaux marines renouvelée par tes vagues. les marées et les embruns accentue l' induration.

!....' ~gen~,e,m,e,ri~ 0t)liq11P. rtP.~ rtallP.~ de beachrocks n'est oas dO à la cimentation mais reflète l' agencement originel des particules dans les dépôts de plage . Lorsque la cimentation se limlte aux faciès médlollttoraux et que les dépôts sous-jacents demeurent meubles. l'action des vagues provoque la dislocation des dalles qui peuvent alors "dériver" sous forme de blocs dans I' infralittoral si les conditions topographiques le permettent. Ces endoclastes de taille variable représentent un témoin faible de l'existence de beachrocks dans les séries anciennes . l' identification de paléo-beachrocks ne peut être fondée uniquement sur l'étude des ciments mais doit être étayée par l'examen des structures sédimentaires et de leur succession stratigraphique.

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