Concrétion

Une concrétion est une masse dure et compacte formée par la précipitation de ciment minéral dans les espaces entre les particules, et se trouve dans les roches sédimentaires ou le sol . Les concrétions sont souvent de forme ovoïde ou sphérique, bien que des formes irrégulières se produisent également. Le mot « concrétion » est dérivé du latin concretio « (action de) compacter, condenser, figer, unir », lui-même de con signifiant « ensemble » et crescere signifiant « grandir ».

Les concrétions se forment dans les couches de strates sédimentaires déjà déposées. Elles se forment généralement tôt dans l'histoire de l'enfouissement du sédiment, avant que le reste du sédiment ne soit durci en roche. Ce ciment concrétionnaire rend souvent la concrétion plus dure et plus résistante aux intempéries que la strate hôte .

Il existe une distinction importante à faire entre les concrétions et les nodules . Les concrétions sont formées par précipitation minérale autour d'un noyau tandis qu'un nodule est un corps de remplacement.

Des descriptions datant du XVIIIe siècle attestent que les concrétions ont longtemps été considérées comme des curiosités géologiques. En raison de la variété de leurs formes, tailles et compositions inhabituelles, les concrétions ont été interprétées comme étant des œufs de dinosaures , des fossiles d'animaux et de plantes (appelés pseudofossiles ), des débris extraterrestres ou des artefacts humains .

Des études détaillées ont démontré que les concrétions se forment après l'enfouissement des sédiments, mais avant que le sédiment ne soit complètement lithifié au cours de la diagenèse . Elles se forment généralement lorsqu'un minéral précipite et cimente les sédiments autour d'un noyau, qui est souvent organique, comme une feuille, une dent, un morceau de coquille ou un fossile . Pour cette raison, les collectionneurs de fossiles brisent couramment les concrétions dans leur recherche de spécimens fossiles d'animaux et de plantes. Certains des noyaux de concrétions les plus inhabituels sont des obus militaires , des bombes et des éclats d' obus de la Seconde Guerre mondiale , que l'on trouve à l'intérieur de concrétions de sidérite trouvées dans un marais salant côtier anglais .

Selon les conditions environnementales présentes au moment de leur formation, les concrétions peuvent être créées par croissance concentrique ou généralisée. Dans le cas d'une croissance concentrique, la concrétion se développe sous forme de couches successives de précipité minéral autour d'un noyau central. Ce processus donne naissance à des concrétions grossièrement sphériques qui se développent avec le temps. Dans le cas d'une croissance généralisée, la cimentation des sédiments hôtes , par remplissage de leurs pores par des minéraux précipités, se produit simultanément dans tout le volume de la zone, qui devient au fil du temps une concrétion. Les concrétions sont souvent exposées à la surface par l'érosion ultérieure qui élimine le matériau le plus faible et non cimenté.

Les concrétions varient en forme, dureté et taille, allant d'objets qui nécessitent une loupe pour être clairement visibles à d'énormes corps de trois mètres de diamètre et pesant plusieurs milliers de livres. Les concrétions rouges géantes présentes dans le parc national Theodore Roosevelt , dans le Dakota du Nord , ont un diamètre de près de 3 m (9,8 pieds). Des concrétions sphéroïdales, aussi grandes que 9 m (30 pieds) de diamètre, ont été trouvées en train de s'éroder dans la formation de Qasr el Sagha dans la dépression du Fayoum en Égypte. des agrégats ressemblant à des raisins ou à des bulles de savon .

Les concrétions sont généralement composées d'un minéral présent comme composant mineur de la roche hôte. Par exemple, les concrétions dans les grès ou les schistes sont généralement formées d'un minéral carbonaté tel que la calcite ; celles dans les calcaires sont généralement une forme amorphe ou microcristalline de silice telle que le chert , le silex ou le jaspe ; tandis que celles dans les schistes noirs peuvent être composées de pyrite . D'autres minéraux qui forment des concrétions comprennent les oxydes ou hydroxydes de fer (tels que la goethite et l'hématite ), la dolomite , la sidérite , l'ankérite , [ la marcassite , la barytine , et le gypse .

Bien que les concrétions soient souvent constituées d'un seul minéral dominant, d'autres minéraux peuvent être présents en fonction des conditions environnementales qui les ont créées. Par exemple, les concrétions carbonatées, qui se forment en réponse à la réduction des sulfates par des bactéries , contiennent souvent des pourcentages mineurs de pyrite. D'autres concrétions, qui se sont formées à la suite d'une réduction microbienne des sulfates, sont constituées d'un mélange de calcite, de barytine et de pyrite.

Les concrétions se trouvent dans une variété de roches, mais sont particulièrement courantes dans les schistes , les siltstones et les grès . Elles ressemblent souvent extérieurement à des fossiles ou à des roches qui semblent ne pas appartenir à la strate dans laquelle elles ont été trouvées. Parfois, les concrétions contiennent un fossile, soit comme noyau, soit comme composant qui a été incorporé au cours de sa croissance, mais les concrétions ne sont pas des fossiles en soi. Elles apparaissent en plaques nodulaires, concentrées le long des plans de stratification, ou dépassant des flancs de falaises érodés.

De petites concrétions d'hématite ou sphérules martiennes ont été observées par le rover Opportunity dans le cratère Eagle sur Mars.

Les concrétions varient considérablement dans leurs compositions, leurs formes, leurs tailles et leurs modes d’origine.

Les concrétions septaires (ou nodules septaires ) sont des concrétions riches en carbonate contenant des cavités ou des fissures angulaires ( septaria ; sg. septarium , du latin septum « cloison, élément séparateur », se référant aux fissures ou cavités séparant les blocs polygonaux de matériau durci). Les nodules septaires se trouvent généralement dans les mudrocks riches en carbonate. Ils présentent généralement une structure interne de blocs polyédriques (la matrice ) séparés par des fissures rayonnantes remplies de minéraux (les septaria) qui se rétrécissent vers le bord de la concrétion. Les fissures rayonnantes croisent parfois un deuxième ensemble de fissures concentriques. Cependant, les fissures peuvent être très variables en forme et en volume, ainsi que le degré de retrait qu'elles indiquent. La ​​matrice est généralement composée de carbonate argileux, comme l'argile ferrugineuse, tandis que le remplissage des fissures est généralement de la calcite. La calcite contient souvent une quantité importante de fer (calcite ferrifère) et peut contenir des inclusions de pyrite et de minéraux argileux. La calcite brune commune dans les septaria peut également être colorée par des composés organiques produits par la décomposition bactérienne de la matière organique dans les sédiments d'origine.

Les concrétions septariennes se trouvent dans de nombreux types de mudstone, y compris les siltstones lacustres tels que le groupe de Beaufort du nord-ouest du Mozambique, mais se trouvent le plus souvent dans les schistes marins , tels que la formation de schiste de Staffin de Skye , l' argile de Kimmeridge d'Angleterre, ou le groupe de Mancos d'Amérique du Nord.

On pense généralement que les concrétions se sont développées progressivement de l'intérieur vers l'extérieur. La zonation chimique et texturale de nombreuses concrétions est cohérente avec ce modèle concentrique de formation. Cependant, les preuves sont ambiguës et de nombreuses concrétions, voire la plupart, peuvent s'être formées par cimentation généralisée de tout le volume de la concrétion en même temps. Par exemple, si la porosité après une cimentation précoce varie à travers la concrétion, alors une cimentation ultérieure remplissant cette porosité produirait une zonation compositionnelle même avec une composition uniforme de l'eau interstitielle. Que la cimentation initiale ait été concentrique ou généralisée, il existe de nombreuses preuves qu'elle s'est produite rapidement et à une faible profondeur d'enfouissement. Dans de nombreux cas, il existe des preuves claires que la concrétion initiale s'est formée autour d'une sorte de noyau organique.

L'origine des septaria riches en carbonates est encore débattue. Une possibilité est que la déshydratation durcisse la coque extérieure de la concrétion tout en provoquant le rétrécissement de la matrice intérieure jusqu'à ce qu'elle se fissure. Le rétrécissement d'une matrice encore humide peut également se produire par synérèse , dans laquelle les particules de matériau colloïdal à l'intérieur de la concrétion deviennent progressivement plus étroitement liées tout en expulsant l'eau. Une autre possibilité est que la cimentation précoce réduit la perméabilité de la concrétion, piégeant les fluides interstitiels et créant une pression interstitielle excessive pendant l'enfouissement continu. Cela pourrait fissurer l'intérieur à des profondeurs aussi faibles que 10 mètres (33 pieds). Une théorie plus spéculative est que les septaria se forment par fracture fragile résultant de tremblements de terre . Quel que soit le mécanisme de formation des fissures, les septaria, comme la concrétion elle-même, se forment probablement à une profondeur d'enfouissement relativement faible, inférieure à 50 mètres (160 pieds) et peut-être aussi faible que 12 mètres (39 pieds). Les concrétions géologiquement jeunes des Errol Beds d'Écosse présentent une texture compatible avec une formation à partir de sédiments floculés contenant de la matière organique, dont la décomposition a laissé de minuscules bulles de gaz (30 à 35 microns de diamètre) et un savon de sels d'acides gras de calcium. La conversion de ces acides gras en carbonate de calcium peut avoir favorisé le rétrécissement et la fracture de la matrice.

Un modèle de formation de concrétions septariennes dans les schistes de Staffin suggère que les concrétions ont commencé comme des masses semi-rigides d'argile floculée. Les particules individuelles d'argile colloïdale étaient liées par des substances polymères extracellulaires ou EPS produites par des bactéries colonisatrices. La décomposition de ces substances, ainsi que la synérèse de la boue hôte, ont produit des contraintes qui ont fracturé l'intérieur des concrétions alors qu'elles étaient encore à une faible profondeur d'enfouissement. Cela n'a été possible qu'avec la colonisation bactérienne et le taux de sédimentation approprié. Des fractures supplémentaires se sont formées lors d'épisodes ultérieurs d'enfouissement peu profond (au cours du Crétacé) ou de soulèvement (au cours du Paléogène). L'eau provenant de la pluie et de la neige (eau météorique) s'est ensuite infiltrée dans les lits et a déposé de la calcite ferreuse dans les fissures.

Les concrétions septariennes témoignent souvent d'une histoire complexe de formation qui fournit aux géologues des informations sur la diagenèse précoce , les premières étapes de la formation de roches sédimentaires à partir de sédiments non consolidés. La plupart des concrétions semblent s'être formées à des profondeurs d'enfouissement où les micro-organismes sulfato-réducteurs sont actifs. Cela correspond à des profondeurs d'enfouissement de 15 à 150 mètres (49 à 492 pieds) et se caractérise par la génération de dioxyde de carbone, une alcalinité accrue et la précipitation de carbonate de calcium. Cependant, il existe des preuves que la formation se poursuit bien au-delà de la zone méthanogène sous la zone de réduction des sulfates.

Les Moeraki Boulders sont un exemple spectaculaire de concrétions septariennes de blocs , qui peuvent atteindre 3 mètres (9,8 pieds) de diamètre . Ces concrétions se trouvent en train de s'éroder dans le mudstone du Paléocène de la formation de Moeraki, exposé le long de la côte près de Moeraki , sur l'île du Sud , en Nouvelle-Zélande . Elles sont composées de boue cimentée par de la calcite avec des veines septariennes de calcite et de rares quartz de stade tardif et de dolomite ferreuse . Les concrétions septariennes beaucoup plus petites trouvées dans l' argile de Kimmeridge exposée dans les falaises le long de la côte du Wessex en Angleterre sont des exemples plus typiques de concrétions septariennes.

Les concrétions en boulets de canon sont de grandes concrétions sphériques, qui ressemblent à des boulets de canon. On les trouve le long de la rivière Cannonball dans les comtés de Morton et de Sioux, dans le Dakota du Nord , et peuvent atteindre 3 m (9,8 pieds) de diamètre. Elles ont été créées par la cimentation précoce du sable et du limon par la calcite . Des concrétions en boulets de canon similaires, qui mesurent jusqu'à 4 à 6 m (13 à 20 pieds) de diamètre, se trouvent associées aux affleurements de grès de la formation Frontier dans le nord-est de l' Utah et le centre du Wyoming . Elles se sont formées par la cimentation précoce du sable par la calcite. Des concrétions géantes en boulets de canon quelque peu altérées et érodées, mesurant jusqu'à 6 mètres (20 pieds) de diamètre, sont présentes en abondance à « Rock City » dans le comté d'Ottawa, au Kansas . De gros rochers sphériques se trouvent également le long de la plage de Koekohe près de Moeraki sur la côte est de l'île du Sud de la Nouvelle-Zélande . Les Moeraki Boulders , Ward Beach Boulders et Koutu Boulders de Nouvelle-Zélande sont des exemples de concrétions septariennes, qui sont également des concrétions en boulets de canon. Les gros rochers sphériques, que l'on trouve sur la rive du lac Huron près de Kettle Point, en Ontario , et que l'on appelle localement « kettles » , sont des concrétions typiques en boulets de canon. Des concrétions en boulets de canon ont également été signalées à Van Mijenfjorden , au Spitzberg ; près de Haines Junction , dans le territoire du Yukon , au Canada ; à Jameson Land , dans l'est du Groenland ; près de Mecevici, Ozimici et Zavidovici en Bosnie-Herzégovine ; en Alaska dans la péninsule de Kenai , dans le parc d'État Captain Cook, au nord de la plage de Cook Inlet et sur l'île Kodiak au nord-est de Fossil Beach. Ce type de concrétion se trouve également en Roumanie, où elles sont connues sous le nom de trovants .

Les concrétions hiatales se distinguent par leur histoire stratigraphique d'exhumation, d'exposition et de réenfouissement. On les trouve là où l'érosion sous-marine a concentré les concrétions diagénétiques précoces sous forme de surfaces de décalage en emportant les sédiments fins environnants. Leur importance pour la stratigraphie, la sédimentologie et la paléontologie a été notée pour la première fois par Voigt qui les a appelées Hiatus-Konkretionen . "Hiatus" fait référence à la rupture de sédimentation qui a permis cette érosion et cette exposition. On les trouve partout dans le registre fossile, mais elles sont plus courantes pendant les périodes où les conditions de mer de calcite prévalaient, comme l' Ordovicien , le Jurassique et le Crétacé . La plupart sont formées à partir des remplissages cimentés de systèmes de terriers dans des sédiments silicoclastiques ou carbonatés.

Les concrétions hiatales se distinguent des autres types par le fait qu'elles étaient souvent incrustées d'organismes marins, notamment des bryozoaires , des échinodermes et des vers tubicoles au Paléozoïque et des bryozoaires, des huîtres et des vers tubicoles au Mésozoïque et au Cénozoïque. Les concrétions hiatales sont également souvent considérablement creusées par des vers et des bivalves.

Les concrétions allongées se forment parallèlement aux couches sédimentaires et ont été étudiées de manière approfondie en raison de l'influence déduite de la direction de l'écoulement des eaux souterraines de la zone phréatique (saturée) sur l'orientation de l'axe d'allongement. En plus de fournir des informations sur l'orientation de l'écoulement passé des fluides dans la roche hôte, les concrétions allongées peuvent donner un aperçu des tendances locales en matière de perméabilité (c'est-à-dire la structure de corrélation de la perméabilité, la variation de la vitesse des eaux souterraines, et les types de caractéristiques géologiques qui influencent l'écoulement.

Les concrétions allongées sont bien connues dans la formation d'argile de Kimmeridge , dans le nord-ouest de l'Europe. Dans les affleurements, où elles ont acquis le nom de « doggers », elles ne mesurent généralement que quelques mètres de large, mais dans le sous-sol, on peut les voir pénétrer jusqu'à des dizaines de mètres de profondeur. Contrairement aux couches calcaires, cependant, il est impossible de les corréler de manière cohérente entre des puits même très rapprochés.

Les billes de Moqui , également appelées boules de Moqui ou « billes de Moki », sont des concrétions d'oxyde de fer que l'on trouve en abondance dans les affleurements du grès Navajo du centre-sud et du sud-est de l'Utah. Ces concrétions ont des formes variées, allant de sphères à des disques, des boutons, des boules à pointes, des formes cylindriques et d'autres formes étranges. Leur taille varie de celle d'un pois à celle d'une balle de baseball.

Les concrétions ont été créées par la précipitation de fer, qui était dissous dans les eaux souterraines. Le fer était à l'origine présent sous forme d'une fine pellicule d'oxyde de fer entourant les grains de sable du grès Navajo. Les eaux souterraines contenant du méthane ou du pétrole provenant des couches rocheuses sous-jacentes ont réagi avec l'oxyde de fer, le transformant en fer réduit soluble. Lorsque les eaux souterraines contenant du fer sont entrées en contact avec des eaux souterraines plus riches en oxygène, le fer réduit a été reconverti en oxyde de fer insoluble, qui a formé les concrétions. Il est possible que le fer réduit ait d'abord formé des concrétions de sidérite qui ont ensuite été oxydées. Les bactéries oxydant le fer ont peut-être joué un rôle.

Les pop rocks du Kansas sont des concrétions de sulfure de fer, c'est-à- dire de pyrite et de marcassite , ou dans certains cas de jarosite , que l'on trouve dans les affleurements du membre de craie de Smoky Hill de la formation de Niobrara dans le comté de Gove, au Kansas . Elles sont généralement associées à de fines couches de cendres volcaniques altérées, appelées bentonite , qui se trouvent dans la craie comprenant le membre de craie de Smoky Hill. Quelques-unes de ces concrétions renferment, au moins en partie, de grandes valves aplaties de bivalves inocéramidés . La taille de ces concrétions varie de quelques millimètres à 0,7 m (2,3 pieds) de longueur et 12 cm (0,39 pied) d'épaisseur. La plupart de ces concrétions sont des sphéroïdes aplatis . D'autres « pop rocks » sont de petites concrétions de pyrite polycuboïdes, qui mesurent jusqu'à 7 cm (0,23 pied) de diamètre. Ces concrétions sont appelées « pop rocks » parce qu'elles explosent si on les jette au feu. De plus, lorsqu'elles sont coupées ou martelées, elles produisent des étincelles et une odeur de soufre brûlé. Contrairement à ce qui a été publié sur Internet, aucune des concrétions de sulfure de fer que l'on trouve dans le membre de craie de Smoky Hill n'a été créée par le remplacement de fossiles ou par des processus métamorphiques. En fait, les roches métamorphiques sont complètement absentes du membre de craie de Smoky Hill. vase calcaire marine anoxique après son accumulation et avant sa lithification en craie.

Les concrétions de sulfure de fer, telles que les roches du Kansas Pop, constituées de pyrite et de marcassite , ne sont pas magnétiques. En revanche, les concrétions de sulfure de fer, qui sont composées ou contiennent de la pyrrhotite ou de la smythite, seront magnétiques à des degrés divers. Le chauffage prolongé d'une concrétion de pyrite ou de marcassite transformera des parties de l'un ou l'autre minéral en pyrrhotite, ce qui rendra la concrétion légèrement magnétique.

Les concrétions discales composées de carbonate de calcium sont souvent trouvées en train de s'éroder à partir d'affleurements de limon et d'argile interlaminés , de dépôts varvés de lacs proglaciaires . Par exemple, un grand nombre de concrétions remarquablement symétriques ont été trouvées en train de s'éroder à partir d'affleurements de sédiments de lacs proglaciaires du Quaternaire le long et dans les graviers du fleuve Connecticut et de ses affluents dans le Massachusetts et le Vermont . Selon la source spécifique de ces concrétions, elles varient dans une infinie variété de formes qui incluent des formes de disque ; des formes de croissant ; des formes de montre ; des formes cylindriques ou de massue ; des masses botryoïdales ; et des formes animales. Leur longueur peut varier de 5,1 cm (2 po) à plus de 56 cm (22 po) et présentent souvent des rainures concentriques sur leurs surfaces. Dans la vallée du fleuve Connecticut , ces concrétions sont souvent appelées « argiles argileuses » car elles sont plus dures que l'argile qui les entoure. Dans les briqueteries locales, on les appelait « chiens d'argile », soit en raison de leur forme animale, soit parce que les concrétions étaient gênantes pour mouler les briques. Des concrétions de carbonate de calcium en forme de disque similaires ont également été trouvées dans la vallée de la rivière Harricana , dans la région administrative de l'Abitibi-Témiscamingue au Québec , et dans le comté d'Östergötland , en Suède. En Scandinavie , elles sont connues sous le nom de « marlekor » (« pierres de fée »).

Les gogottes sont des concrétions de grès trouvées dans des sédiments de l'Oligocène (~30 millions d'années) près de Fontainebleau , en France. Les gogottes ont atteint des prix élevés aux enchères en raison de leur qualité sculpturale.