ETUDE MICROSCOPIQUE D'UNE ALTERITEDE TYPE FANTÔME DE ROCHE
Microscopic study of 'ghost rock' weathering residues
Olivier KAUFMANN*, Alfredo BINI**, Paola TOGNINI**, Yves QUINIF*
* Faculté Polytechnique de Mons, Service de géologie Fondamentale et Appliquée, 9 rue de Houdain, B-7000 Mons (Belgique)
(olivier.kaufmann@fpms.ac.be, yves.quinif@fpms.ac.be)** Università degli Studi di Milano, Dipartimento di Scienze della Terra, 34 via Mangiagalli
I-20133 Milano (Italia) (bini@e35.gp.terra.unimi.it , dott3p2@e35.gp.terra.unimi.it)
Article publié en 1999 dans les actes du colloque Karst-99 (colloque européen ; Grands Causses - Vercors).
Résumé :
Nous présentons dans cet article les résultats de l'étude microscopique d'altérites de type fantôme de roche. Les échantillons examinés proviennent des paléokarsts crétacés du Tournaisis (Hainaut, Belgique). La roche calcaire et l'altérite associée sont examinées en lames minces et au microscope électronique à balayage (M.E.B.). Une analyse qualitative et une cartographie en éléments à la microsonde ont également été réalisées sur les échantillons observés au M.E.B. Les lames minces ont été préparées dans les différents termes d'altération d'un pseudo-endokarst et sur la roche calcaire limitant la forme paléokarstique. Les images au M.E.B. et les analyses à la microsonde ont été réalisées sur des échantillons prélevés dans les parois calcaires d'une forme paléokarstique en couloir et dans l'altérite.
Ces différentes observations montrent que l'altération de ces calcaires se traduit essentiellement par le départ des carbonates et la subsistance d'une charpente de silice microcristalline.
Abstract :
In this paper, results of a microscopic study of 'ghost rock' weathering residues are presented. The studied samples are coming from cretaceous paleokarsts of the Tournaisis area (Hainaut, Belgium). The limestone and weathering residues were examined in thin sections and through a scanning electron microscope (S.E.M.). Qualitative elements analysis and cartography with an electron microprobe were also carried out on samples examined through the S.E.M. The thin sections were prepared in rock samples of increasing weathering sampled in the neighbourhood and inside a 'pseudo-endokarst'. The S.E.M. images and electron microprobe analysis were carried out on samples taken in the walls a corridor paleokarst and inside the weathering residues.
These observations show that the weathering of these limestones is mainly characterised by dissolution of carbonates that left a microcrystalline silica framework.
I - INTRODUCTIONLes calcaires carbonifères du Tournaisis (Hainaut, Belgique) sont affectés de paléokarsts crétacés. Ces paléokarsts ont fait l'objet d'une description et d'une classification morphologique (VERGARI A. & QUINIF Y. 1997). Un des aspects de cette karstification est une altération qui laisse sur place un résidu d'altération (fantôme de roche) dans lequel les fossiles du calcaire originel et les discontinuités lithologiques restent visibles.
La figure 1 reprend de manière très schématique les formes de couloir et de pseudo-endokarst. Dans les deux cas, la zone altérée se développe de part et d'autre d'une discontinuité du massif rocheux. Ces formes ont une largeur décimétrique à décamétrique.
Figure 1 :
Représentation schématique d'un couloir et d'un pseudo-endokarst.
Sketch of a corridor paleokarst and of a pseudo-endokarst.
Le degré d'altération est croissant depuis les parois saines jusqu'au centre de la forme. Ceci se traduit, d'un point de vue macroscopique, par une modification de la teinte, une diminution de la densité et de la cohésion des matériaux résiduels.
Le pseudo-endokarst est limité vers le haut par un toit de calcaire sain alors que la forme en couloir est en contact avec les terrains de couverture. Cette classification morphologique est bien adaptée à la description de coupes puisqu'elle se base sur les formes d'une section verticale. Elle n'implique toutefois pas de différences génétiques fondamentales entre ces différentes formes. Lorsque l'on reconstitue la géométrie de ces paléokarsts dans les trois dimensions de l'espace, les deux morphologies peuvent cohabiter au sein d'une même zone altérée.
II - EXAMEN DES ROCHES EN LAMES MINCESL'examen des roches et altérites en lames minces a été réalisé sur un profil au travers d'un pseudo-endokarst : la "grotte du pic à glace", déjà étudiée par A. VERGARI (1998) et située dans les calcaires carbonifères de la carrière du Milieu (Société Obourg-Granulats, Tournaisis, Belgique). L'attention a été portée sur 5 échantillons allant de la roche saine au centre de la pseudo-galerie. Nous avons donc examiné un échantillon de roche saine, un échantillon au contact avec l'altérite meuble, deux échantillons intermédiaires dans l'altérite et un échantillon au centre du pseudo-endokarst sur la trace de la diaclase directrice.
II.1 - Roche saine
Il s'agit d'une biomicrite où de nombreux fossiles sont silicifiés parfois à plus de 50 % (la silice s'exprime essentiellement sous forme de quartz) et renferment de gros cristaux de pyrite (cf. figure 2). De plus petits cristaux de pyrite sont dispersés dans la masse micritique formée de calcite et de silice. Des cristaux de quartz se rencontrent à la fois dans la pâte et dans des fractures. Enfin, il y a de la matière organique.
Figure 2 :
Lame mince d'un échantillon de roche saine en lumière naturelle (x 10).
Thin section in an unweathered rock sample in plane polarized light
(x 10).
II.2 - Interface éponte - altérite
La lame permet d'observer la transition qui est donc relativement brutale. On reconnaît encore la texture de la roche. Les fossiles sont décarbonatés et dépyritisés ; il ne reste que la partie silicifiée. La matrice micritique est devenue très poreuse : il ne reste que la silice, le quartz et la pyrite. De l'argile a diffusé dans les pores où elle provoque parfois une déformation en se recristallisant. De l'argile de néoformation se voit aussi dans les vides laissés par les fossiles.
II.3 - Echantillons intermédiaires
La matière organique rend de nombreuses surfaces obscures. La pyrite de la matrice disparaît à son tour. Il y a beaucoup moins d'argile.
II.4 - Echantillon central sur le fantôme de la fracture
La texture de la roche est bouleversée. La silice microcristalline s'observe dans les fossiles. Les pores sont très nombreux ; il y a des vides à la place de la pyrite (forme cubique cf. figure 3 et figure 4) qui, parfois, sont remplis d'argile. Dans certains cas, cette dernière s'accumule autour des fossiles silicifiés. De l'argile de néoformation s'organise en couches parallèles à la lamination originelle de la roche.
Figure 3 :
Silice microcristalline et vides carrés laissés par le départ de la pyrite dans un fossile (lumière naturelle x 2,5).
Micro-crystalline silica and square voids left by the dissolution of pyrite in a fossil (plane polarized light x 2.5).
Enfin, un nodule de chert présentant une partie saine et une partie altérée a aussi été analysé. La surface non altérée est une silice microcristalline avec des minéraux opaques de formes dendritiques. Du quartz s'est fixé sur un fossile. La partie altérée se caractérise par la dissolution d'une partie de la silice avec la formation de pores. Le contact entre les deux parties est très net.
Figure 4 :
Silice microcristalline et vides tapissés d'argile néoformée (nicols croisés). (x 10)
Micro-crystalline silica and voids coated with neoformed clay (crossed nicols). (x 10)
III - EXAMEN DES ROCHES AU MICROSCOPE ELECTRONIQUE A BALAYAGE (MEB)
Les échantillons examinés au microscope électronique à balayage ont été prélevés à proximité et au sein même d'une forme paléokarstique en couloir. Nous présentons ici les images obtenues sur quelques-uns de ces échantillons.
1. Roche saine
La roche saine est un calcaire siliceux à texture micritique pauvre en fossiles. La figure 5 présente un échantillon de roche saine vu au M.E.B. On y distingue des grains de quelques µm à quelques dizaines de µm pris dans une pâte qui adouci leurs arêtes. Les pores sont peu nombreux, leur dimension n'excède pas 10 µm. La porosité est de type intercristalline.
Figure 5 :
Image au M.E.B. du calcaire sain.
S.E.M. image of unweathered limestone.
La figure 6 présente les principaux résultats de la cartographie en éléments réalisée sur l'étendue de la figure 5. L'abondance relative de chaque élément est figurée en niveaux de gris. Pour un élément donné, les plages plus claires correspondent aux zones de plus grande abondance.
La cartographie en éléments montre que les plages de silice sont intimement imbriquées dans la matrice carbonatée. La présence simultanée de calcium et de magnésium indique la présence de quelques plages de dolomie (10 à 20 µm de diamètre). On observe également une plage argileuse de forme allongée (5 µm x 30 µm) caractérisée par la présence simultanée de silicium, d'aluminium et de potassium (non représenté ici). Enfin, quelques grains de pyrite de 5 à 10 µm de diamètre sont mis en évidence par le fer et le soufre.
Figure 6 :
Cartographie en éléments de la roche saine.
Elements cartography of unweathered rock.
2. Frange d'altération
Le second échantillon présenté a été prélevé sur la frange d'altération qui marque le passage de la roche saine à l'altérite meuble.
Figure 7 :
Image au M.E.B. d'un échantillon prélevé dans la frange d'altération.
S.E.M. Image of a sample taken in the weathering rim.
Sur la figure 7, les grains ne sont plus pris dans une pâte. Leurs arêtes apparaissent plus vives et les pores sont plus nombreux et de plus grandes dimensions.
La figure 8 montre que les plages en Ca et Si sont toujours intimement imbriquées, par contre, une charpente siliceuse, partiellement dégagée de la pâte carbonatée, s'esquisse.
Figure 8 :
Cartographie en éléments d'un échantillon prélevé dans la frange d'altération.
Elements cartography of a sample taken in the weathering rim.
3. Altérite
Il s'agit d'un matériau meuble d'aspect argileux. Sec, sa densité est faible (~1,2 g/cm³) et il est très friable. Il devient plastique lorsqu'il est humide.
La figure 9 présente une image M.E.B. de l'altérite correspondant à la roche saine présentée au point 5.
Figure 9 :
Image au M.E.B. de l'altérite.
S.E.M. image of weathering residue.
On observe sur cette image une texture nettement plus aérée constituée d'éléments en grains ou en plaquettes de 5 à 10 µm. Ces éléments sont légèrement émoussés. Ils s'associent pour former une charpente d'allure très déchiquetée.
De nombreux pores de quelques µm à plusieurs dizaines de µm de diamètre séparent les assemblages de grains. Les porosités mesurées sur des échantillons similaires atteignent 45%.
La figure 10 montre un agrandissement de la charpente de silice microcristalline au sein de laquelle on observe quelques cristaux de quartz. De tels cristaux sont assez rares dans l'échantillon. Il pourrait s'agir soit de cristaux présents dans la roche saine et mis en relief par la dissolution des carbonates de calcium, soit de recristallisations de silice au sein des pores de l'altérite.
Figure 10 :
Charpente de silice microcristalline et cristaux de quartz.
Micro-crystalline silica framework and quartz crystals.
L'analyse élémentaire et la cartographie en éléments montrent que cette charpente est principalement constituée de silice. Le calcium est pratiquement absent.
Figure 11 :
Cartographie en éléments de l'altérite.
Elements cartography of weathering residue.
4. Attaque acide sur un échantillon de roche saine
Afin d'évaluer qualitativement les effets d'une l'acidolyse sur des calcaires de ce type, nous avons fait subir une attaque acide modérée à un échantillon de calcaire identique à celui de la figure 5 (attaque par une solution de CH3COOH dilué à 0,3 moles/litre dans l'eau 20°C).
La figure 12 présente une vue au M.E.B. de l'échantillon après cette attaque acide. Le carbonate de calcium dissout laisse place à des pores de dimensions comparables à ceux observés sur l'altérite (cf. figure 9). Les éléments subsistants sont aussi de mêmes dimensions que ceux de l'altérite. Les formes en plaquette et en grain sont présentes, leurs arêtes semblent légèrement plus vives que dans le cas de l'altérite.
Figure 12 :
Image M.E.B. d'un calcaire sain attaqué à l'acide acétique dilué.
S.E.M. image of unweathered limestone after etching with dilute acid.
La cartographie en éléments (cf. figure 13) réalisée sur cet échantillon montre que le résidu est essentiellement constitué de silice. Le CaCO3 étant entièrement dissous, le calcium subsistant est associé au magnésium dans quelques grains de dolomie. Quelques plages d'argile sont également présentes.
Figure 13 :
Cartographie en éléments d'un calcaire sain attaqué à l'acide acétique dilué.
Elements cartography of unweathered limestone after etching with dilute acid.
IV - CONCLUSION
Les différentes observations présentées ici montrent que l'altération en 'fantôme de roche' se traduit par une dissolution des carbonates laissant une trame siliceuse résiduelle. Ensuite, la pyrite et enfin de la silice elle-même sont progressivement dissoutes. La silice subit vraisemblablement plusieurs épisodes de dissolution et de précipitation au sein du matériau.
A proximité des discontinuités (front d'altération, fractures), de l'argile néoformée remplit les vides laissés par la dissolution. Cette argile déforme parfois la texture de la roche altérée. Enfin, l'importance et le rôle de la matière organique au sein de l'altérite restent à éclaircir.
Cette étude de la texture microscopique du 'fantôme de roche' apporte un éclairage nouveau qui permet de compléter les connaissances sur ce matériau particulier tant sur le plan de sa genèse que sur celui de ses propriétés physiques.
V - REFERENCES
VERGARI A., 1998 - Nouveau regard sur la spéléogénèse : le "pseudo-endokarst" du Tournaisis (Hainaut, Belgique), Karstologia n°31, pp. 12-18.
VERGARI A, QUINIF Y., 1997 - Les paléokarsts du Hainaut, Geodynamica Acta, 10-4, pp 175-187.
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