La diagenèse est l'ensemble des transformations qui font passer un sédiment meuble à l'état de roche sédimentaire indurée. Ce chapitre détaille ses environnements, ses paramètres et ses principaux phénomènes — compaction, cimentation, dissolution, recristallisation, dolomitisation — un sujet particulièrement dense et fréquemment interrogé en fin de module.
1. Définition et limites de la diagenèse
La diagenèse est l'ensemble des processus physiques et chimiques qui affectent un sédiment entre son dépôt et son entrée dans le domaine du métamorphisme (ou de l'altération météorique en cas de remontée en surface), en modifiant sa minéralogie, sa chimie et sa texture. Elle débute dès le dépôt, à l'interface eau-sédiment, et se poursuit tout au long de l'enfouissement, sous plusieurs dizaines, centaines, voire milliers de mètres de sédiments. Elle s'arrête là où commence le métamorphisme, généralement au-delà de 200 °C.
La diagenèse transforme donc un sédiment poreux et riche en eau interstitielle en une roche indurée, souvent beaucoup moins poreuse : ce parcours conditionne directement les propriétés pétrophysiques (porosité, perméabilité) que recherchent les géologues pétroliers et hydrogéologues, ce qui explique l'importance pratique de ce chapitre au-delà de son intérêt purement descriptif.
2. Les environnements diagénétiques superficiels
Les environnements diagénétiques superficiels, en contact direct avec les eaux de surface, se classent selon deux critères combinés : la chimie de l'eau (continentale douce, marine salée, ou mixte, saumâtre) et le degré de saturation du milieu poreux, qui distingue la zone vadose, non saturée en eau (les pores contiennent aussi de l'air), de la zone phréatique, saturée en eau. La combinaison de ces deux paramètres définit plusieurs environnements diagénétiques précoces (vadose continentale, phréatique marine, mixte), chacun associé à des phénomènes diagénétiques caractéristiques.
3. Les environnements diagénétiques profonds (enfouissement)
Au-delà de la diagenèse précoce, l'enfouissement progressif du sédiment sous de nouveaux dépôts l'amène dans un environnement diagénétique profond, où la température et la pression augmentent avec la profondeur. Cette diagenèse d'enfouissement (ou diagenèse tardive) est dominée par la compaction mécanique et chimique et par des phénomènes de dissolution-recristallisation liés à l'augmentation de la solubilité de certains minéraux sous pression.
4. Les principaux phénomènes diagénétiques
Plusieurs phénomènes se succèdent ou coexistent au cours de la diagenèse. La compaction réduit la porosité du sédiment sous le poids des dépôts sus-jacents, par réarrangement puis déformation des grains. La cimentation précipite un ciment minéral (souvent sparitique pour les carbonates, siliceux ou ferrugineux pour les grès) dans les pores restants, ce qui achève la lithification. La dissolution élimine des minéraux instables et crée une porosité secondaire. La recristallisation transforme un minéral métastable (comme l'aragonite) en son polymorphe plus stable (la calcite), sans changement de composition chimique. Le remplacement, enfin, substitue un minéral à un autre de composition différente, comme dans la dolomitisation, où la calcite est remplacée par de la dolomite sous l'effet de fluides riches en magnésium.
5. Paramètres et grandes étapes de la diagenèse
L'intensité et la nature de la diagenèse dépendent de plusieurs paramètres : la composition initiale du sédiment (minéralogique et texturale), la chimie des fluides qui circulent dans les pores, la température et la pression liées à la profondeur d'enfouissement, et le temps écoulé. On distingue classiquement trois grandes étapes : la diagenèse précoce (ou syn-sédimentaire, en surface), la diagenèse d'enfouissement (progressive, en profondeur croissante) et, pour les séries qui remontent en surface avant d'être à nouveau enfouies ou érodées, une diagenèse tardive dite d'exhumation, marquée par l'altération météorique.
Ces paramètres n'agissent jamais isolément : une même roche peut connaître des trajets diagénétiques très différents selon l'histoire du bassin auquel elle appartient, avec des phases successives d'enfouissement, de remontée et de nouvel enfouissement. La reconstitution de cette histoire diagénétique, à partir des minéraux authigènes et des relations de recoupement observées en lame mince, est un exercice classique de travaux pratiques avancés.
Ensemble des transformations physico-chimiques qui font passer un sédiment meuble à l'état de roche sédimentaire indurée, entre le dépôt et le seuil du métamorphisme.
Processus diagénétique de remplacement de la calcite par de la dolomite, sous l'action de fluides magnésiens circulant dans le sédiment ou la roche carbonatée.
Réduction de la porosité et du volume d'un sédiment sous l'effet du poids des dépôts sus-jacents, par réarrangement puis déformation des grains.
| Diagenèse précoce (superficielle) | Diagenèse d'enfouissement (profonde) | |
|---|---|---|
| Position | À et près de l'interface eau-sédiment | Sous plusieurs centaines à milliers de mètres |
| Température | Proche de la température de surface | Croissante avec la profondeur |
| Fluides dominants | Eaux météoriques, marines, mixtes | Eaux de formation, saumures profondes |
| Phénomènes typiques | Micritisation, cimentation précoce, dissolution vadose | Compaction, dissolution-recristallisation, dolomitisation |
Diagenèse précoce vs diagenèse d'enfouissement
- Diagenèse = du dépôt du sédiment jusqu'au seuil du métamorphisme (~200 °C).
- Environnements superficiels définis par la chimie de l'eau et le degré de saturation (vadose vs phréatique).
- Cinq phénomènes clés : compaction, cimentation, dissolution, recristallisation, remplacement (dolomitisation).
- La compaction domine en enfouissement profond ; la cimentation précoce peut au contraire s'y opposer.
- La dolomitisation remplace la calcite par de la dolomite sous l'action de fluides riches en magnésium.
Question classique : citer et définir les cinq grands phénomènes diagénétiques, ou distinguer diagenèse précoce et diagenèse d'enfouissement à partir d'une description de lame mince. Piège fréquent : confondre recristallisation (même composition, autre structure cristalline) et remplacement (composition minéralogique différente), deux mécanismes souvent illustrés par le couple aragonite → calcite (recristallisation) et calcite → dolomite (remplacement).