Les sédiments calcaires, riches en ions Ca²⁺ en solution, sont particulièrement sensibles à une diagenèse précoce et intense. Ce chapitre distingue les grandes transformations diagénétiques, les quatre environnements diagénétiques classiques, puis les conditions de la dolomitisation — un sujet à fort enjeu économique (réservoirs) que les examens marocains affectionnent particulièrement.
1. Généralités sur la diagenèse des carbonates
La solubilité des carbonates dans l'eau interstitielle les rend particulièrement sensibles aux phénomènes de dissolution sous pression suivie de reprécipitation, même sous un enfouissement modéré : la fréquence des stylolites dans les calcaires en témoigne. En domaine marin, des variations physico-chimiques (température, pH, salinité) à la surface du sédiment peuvent créer des conditions favorables à une diagenèse précoce (fonds durcis ou hard-grounds). À la limite entre domaines marin et continental, le contact entre eau de mer et eau douce favorise aussi une cimentation précoce (beach-rock).
2. Transformations texturales et minéralogiques
La diagenèse des carbonates se traduit par deux types de transformations. Les transformations texturales comprennent la cimentation (remplissage des vides par un ciment sparitique), la dissolution (changement du milieu chimique), la recristallisation (changement de la taille des cristaux, effaçant parfois les structures organogènes primaires) et la compaction (sous l'effet de la pression : stylolites, aplatissement, fracturation). Les transformations minéralogiques correspondent à des remplacements, comme la calcitisation de l'aragonite ou la dolomitisation de la calcite.
3. Les quatre environnements diagénétiques
Les eaux diagénétiques se distinguent par leurs propriétés chimiques — eaux marines (basiques, riches en Mg et Sr) contre eaux continentales météoriques (acides, pauvres en Mg et Sr) — et par leur degré de saturation en eau. La zone phréatique est totalement noyée par la nappe aquifère ; la zone vadose, au-dessus, n'est que partiellement saturée, l'eau y transitant par percolation. Le croisement de ces deux critères définit quatre environnements diagénétiques : marin phréatique, marin vadose, continental phréatique et continental vadose.
Zone vadose : partie non saturée au-dessus de la nappe, où l'eau ne fait que transiter. Zone phréatique : partie saturée en permanence par la nappe aquifère, où la cimentation est plus régulière et plus rapide.
4. Diagenèse continentale, intertidale et marine profonde
En domaine continental, l'activité diagénétique est intense en raison de l'absence de Mg et des propriétés acides des eaux météoriques sous-saturées en carbonates : elle dissout l'aragonite et la calcite magnésienne, puis les recristallise en ciment sparitique stable — irrégulier en zone vadose superficielle, régulier et isopaque en zone phréatique. En milieu de balancement des marées, la diagenèse est plus dynamique : l'évaporation et les apports d'eau douce favorisent la lithification des sables de plage en grès de plage (beach-rock), commune sous les latitudes tropicales à subtropicales. En domaine sous-marin infratidal, la cimentation aragonitique et magnésienne forme des fonds durcis, notamment sur les hauts-fonds ; en mer profonde, des croûtes et nodules carbonatés se forment lorsque le dépôt est très lent, comme en Méditerranée orientale.
5. Les conditions de la dolomitisation
La dolomite présente un intérêt économique majeur comme réservoir d'hydrocarbures ou d'eau. Sa formation exige la croissance d'un réseau cristallin où alternent régulièrement plans magnésiens et calciques, ce qui ne peut se produire que par cristallisation très lente à partir d'une solution diluée, ou plus rapidement à partir d'une solution concentrée à rapport Mg/Ca élevé. L'eau de mer, bien que sursaturée vis-à-vis de la dolomite, ne remplit pas ces conditions et ne permet presque jamais sa précipitation directe. Lors de la diagenèse précoce, une protodolomite peu ordonnée se forme localement dans les milieux côtiers et sur les marges continentales à sédimentation lente et riche en matière organique ; au cours de la diagenèse plus tardive, la dolomitisation devient plus indépendante des faciès d'origine.
| Environnement | Origine de l'eau | Saturation en eau | Caractère de la diagenèse |
|---|---|---|---|
| Marin vadose | Eau de mer | Partielle | Cimentation irrégulière, hard-grounds occasionnels |
| Marin phréatique | Eau de mer | Totale | Cimentation aragonitique/magnésienne, fonds durcis |
| Continental vadose | Eau météorique | Partielle | Ciments irréguliers, croûtes pédologiques |
| Continental phréatique | Eau météorique | Totale | Cimentation sparitique régulière, cristaux isopaques |
Les quatre environnements diagénétiques
- Diagenèse précoce des carbonates : très active du fait de la solubilité du CaCO₃ ; stylolites = traces de dissolution sous pression.
- Transformations texturales : cimentation, dissolution, recristallisation, compaction ; transformations minéralogiques : calcitisation, dolomitisation.
- Quatre environnements diagénétiques : marin/continental croisés avec vadose/phréatique.
- Beach-rock : lithification des sables de plage au contact eau douce / eau de mer, typique des régions chaudes.
- Dolomitisation : nécessite un rapport Mg/Ca élevé ; rarement directe depuis l'eau de mer, souvent secondaire (protodolomite) en milieu côtier.
Le tableau des quatre environnements diagénétiques (marin/continental × vadose/phréatique) et la question sur les conditions de la dolomitisation sont des incontournables. Piège classique : croire que la dolomite précipite facilement depuis l'eau de mer sursaturée — au contraire, sa cristallisation lente l'en empêche presque toujours, ce qui explique la rareté des dolomies primaires.