Article | 03/10/2019

Les déplacements du fer dans les grès Navajo, plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique)

03/10/2019

Matthias Schultz

Professeur de SVT, Lycée H. de Chardonnet, Chalon sur Saône

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

Résumé

Le fer dans les grès Navajo : mobilisation, couleurs, concrétions (billes moqui) et patines du désert.


L'extraordinaire région géologique qu'est le plateau du Colorado, dans l'Ouest des États-Unis d'Amérique, a déjà été largement abordée sur Planet-Terre. Dans cet article nous aimerions revenir sur la présence et les mouvements du fer dans les roches sédimentaires bien préservées et relativement homogènes qui constituent le sous-sol de ce plateau, en particulier dans les grès Navajo.

Le plateau du Colorado est une région géologique homogène qui s'étend sur 340 000 km2 environ, à cheval sur les états du Four Corner : Utah, Nouveau Mexique, Colorado et Arizona, au Sud-Ouest des États-Unis d'Amérique. Ce désert d'altitude entrecoupé de rares forêts présente la plus forte concentration de parcs nationaux du pays, et présente des caractéristiques structurales assez frappantes : malgré une altitude importante (1 600 m en moyenne), les variations de reliefs sont faibles à l'exception des canyons qui entaillent le plateau, et le sous-sol est formé d'un empilement sédimentaire remarquablement tabulaire, quasi-continu du Cambrien à l'Éocène, et très bien conservé latéralement d'une extrémité à l'autre du plateau. Peu de déformations (failles, plis, chevauchements…) ont affecté les roches déposées depuis près de 600 Ma, ce qui explique les coupes naturelles exceptionnelles créées par l'érosion (notamment au niveau du Grand Canyon, des falaises du Grand Staircase…) et contraste fortement avec les régions voisines plus perturbées, telles que la province du Basin and Range, à l'Ouest, ou les montagnes Rocheuses, à l'Est.

Les grès Navajo, en particulier, sont une formation sédimentaire qui couvre de vastes zones du plateau (plus de 260 000 km2 actuellement, pour une surface avant érosion qui aurait pu être jusqu'à 2,5 fois plus importante encore) et contribue largement aux caractéristiques emblématiques des paysages régionaux.

Présentation des grès Navajo

Les grès Navajo sont des grès massifs, pouvant atteindre des épaisseurs considérables (plus de 700 m au niveau du Parc national de Zion, Utah, par exemple). L'érosion de ces grès durs forme typiquement des falaises surmontées de dômes et autres formes arrondies dans le paysage (à l'origine notamment du nom du Parc national de Capitol Reef, par évocation du dôme du Capitole dans l'esprit des pionniers de l'Ouest). Leur couleur, typiquement blanche en position sommitale, peut cependant passer à des roses pâles ou des rouges plus soutenus, souvent vers la base de la pile sédimentaire. En dehors de ces variations de couleur, ces grès sont d'une remarquable homogénéité d'un bord à l'autre du plateau.

Des débats ont longtemps existé sur la datation précise de ces grès (Trias ? Jurassique ?), notamment en raison de la rareté des fossiles retrouvés (parmi lesquels on relève cependant des empreintes de reptiles relativement fréquentes – voir encadré – et quelques squelettes de dinosaures), mais ces débats semblent à présent tranchés en faveur d'un âge jurassique inférieur (autour de −190 Ma).

Dans le détail, les grès Navajo sont des agrégats de grains de quartz clairs, souvent translucides, aux caractéristiques très constantes en termes de forme, d'aspect et de taille. Des études dans le Sud-Ouest de l'Utah relèvent ainsi que 75 % des grains mesurent de 0,08 à 0,75 mm de diamètre, ce qui représente un granoclassement important, avec une moyenne de 0,2 mm (grains fins). La majorité de ces grains sont arrondis, mais on peut observer une certaine gamme de variations depuis de rares grains encore anguleux jusqu'à des sphères parfaites ; leur surface varie entre les pôles « émoussés et luisants » et «  mats et arrondis ». Ces caractéristiques mixtes des grains plaident en faveur d'un transport initial par l'eau, achevé par le vent. Quelques autres fragments minéraux complètent ces grains de quartz, en proportions minoritaires (moins de 10 % au total) : feldspath, mica, magnétite, et plus rarement zircon et tourmaline. Les grains sont cimentés par de la calcite et/ou de la dolomite, et par des oxydes de fer, dont la proportion explique les variations de teinte décrites plus haut.

L'origine des grains de sable n'est pas parfaitement connue. L'homogénéité et les caractéristiques des grains de quartz (sable très mature) indiquent un transport prolongé, donc des sources assez éloignées. Des études ont permis de tracer l'origine des grains de zircon jusqu'aux Appalaches. Le démantèlement par l'érosion de ces montagnes anciennes à l'Est de l'Amérique du Nord (issues de différentes phases de collisions continentales au Paléozoïque) aurait emporté, d'abord via les cours d'eau, puis via le vent, des grains de sable sur des milliers de kilomètres jusqu'à leur dépôt au niveau de l'actuel plateau du Colorado. Les paléo-Rocheuses, bien plus proches (immédiatement à l'Ouest du plateau du Colorado), sont aussi soupçonnées d'être à l'origine d'une partie des grains de sable, sans preuve formelle à l'heure actuelle. Cet immense bassin sédimentaire intracontinental devait être limité à l'Ouest par un arc magmatique de subduction, constituant ainsi un vaste piège à sédiments (comme a pu l'être le Sahara au Mio-Pliocène, bassin intracontinental situé entre un réseau hydrographique coulant vers le Nord et une barrière formée par l'Atlas marocain).

Partout où ils sont présents, les grès Navajo présentent de superbes stratifications éoliennes entrecroisées, déjà largement photographiées dans Planet-Terre  voir par exemple, à ce sujet les articles Stratifications éoliennes ; Une mini discordance ; Le Parc national de Canyonlands, la vallée de Betatakin… : reculées et mini-canyons du plateau du Colorado (USA) ; Quelques déformations des roches globalement tabulaires du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique) ; Waterpockets, potholes, et taffonis… superbes alvéoles érosives dans les grès du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique) ; ou encore, pour des exemples de strates éoliennes plus proches de nous géographiquement, La discordance hercyno-würmienne et la dune fossile de la Pointe du Tuf à Port-Cros ; Les pseudo-dunes continentales de Sermoyer et la Truchère-Ratenelle.

Cela traduit un transport et un dépôt des grains de sable par le vent, ici dans un paléoenvironnement désertique. Il faut donc visualiser la région au Jurassique comme un immense erg dont les dunes se déplaçaient, s'érodaient et se recouvraient au gré (si on nous pardonne le jeu de mots) des tempêtes successives. Ces dunes ressemblaient probablement à des barkhanes colossales pouvant atteindre individuellement 45 m de hauteur. Le secteur de l'erg Navajo, correspondant à la totalité de l'actuel l'Utah, et d'une partie des états du Nouveau-Mexique, de l'Arizona, du Colorado et du Wyoming, était alors situé autour d'une latitude de 10°N, en bordure Ouest du continent laurentien, d'où l'extrême sécheresse des vents d'Est (alizés) qui atteignaient la zone. En cohérence avec le scénario présenté plus haut pour l'origine des grains, cet immense champ de dune aurait remobilisé des matériaux issus de l'érosion des Appalaches et d'un premier transport fluviatile vers le Sud et l'Ouest.

Pourtant, la reconstitution de la direction moyenne des vents ayant permis la formation des paléodunes montre qu'ils soufflaient depuis le Nord-Nord-Ouest, en contradiction apparente avec les vents attendus à une telle latitude (alizés soufflant depuis l'Est) et susceptibles de transporter le sable issu des Appalaches. Cette contradiction peut être levée si on suppose, comme on l'observe actuellement aux basses latitudes, une inversion transitoire du sens des vents dominants lors d'une période de mousson hivernale, dont les puissantes tempêtes auraient marqué le dépôt des dunes, devenues grès Navajo après diagenèse.

Aspect caractéristique des grès Navajo, roches claires massives constituant des falaises abruptes au niveau des canyons et s'arrondissant en dômes à leur sommet

Figure 1. Aspect caractéristique des grès Navajo, roches claires massives constituant des falaises abruptes au niveau des canyons et s'arrondissant en dômes à leur sommet.

Photographie prise à l'entrée du canyon de Capitol Gorge, dans le Parc national de Capitol Reef, Utah. La cabane de départ de sentier, en bas à droite, permet d'appréhender l'échelle. Notez les stratifications éoliennes entrecroisée ainsi que les placages de patine du désert sombre, au niveau de surfaces verticales à l'entrée des gorges, à droite de l'image.


Aspect caractéristique des grès Navajo, roches claires massives constituant des dômes à leur sommet

Figure 2. Aspect caractéristique des grès Navajo, roches claires massives constituant des dômes à leur sommet.

Photographie prise à proximité du canyon de Capitol Gorge, dans le Parc national de Capitol Reef, Utah. La randonneuse, en bas à gauche, donne l'échelle. Notez les stratifications éoliennes entrecroisées.


Aspect caractéristique des grès Navajo, roches claires massives constituant des falaises abruptes au niveau des canyons et s'arrondissant en dômes à leur sommet

Figure 3. Aspect caractéristique des grès Navajo, roches claires massives constituant des falaises abruptes au niveau des canyons et s'arrondissant en dômes à leur sommet.

Photographie prise dans le canyon de Grand Wash, dans le Parc national de Capitol Reef, Utah. La paroi verticale fait plus d'une centaine de mètres de haut. Les stratifications éoliennes entrecroisées sont évidentes sur toute la paroi, et on constate que la teinte des grès varie du blanc au rouge en passant par les roses depuis leur sommet jusqu'à leur base. Notez également la désquamation « en pelures d'oignon » sur la partie haute, ainsi que les taffonis, en bas à droite, à la base de la paroi (voir à ce sujet l'article Waterpockets, potholes, et taffonis… superbes alvéoles érosives dans les grès du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique)).




Détail des stratifications éoliennes entrecroisées des grès Navajo, strates soulignées par l'érosion

Figure 6. Détail des stratifications éoliennes entrecroisées des grès Navajo, strates soulignées par l'érosion.

Photographie prise au bord du lac Powell, à proximité du barrage de Glenn Canyon, Arizona (voir à ce sujet l'article Deux exemples de perturbations environnementales le long du fleuve Colorado et de son plateau, États-Unis d'Amérique). Le visiteur donne l'échelle. La couleur blanche est trompeuse ici, elle est due à des dépôts récents par les eaux du lac.


Détail des stratifications éoliennes entrecroisées des grès Navajo, strates soulignées par l'érosion

Figure 7. Détail des stratifications éoliennes entrecroisées des grès Navajo, strates soulignées par l'érosion.

Photographie prise au bord du lac Powell, à proximité du barrage de Glenn Canyon, Arizona (voir à ce sujet l'article Deux exemples de perturbations environnementales le long du fleuve Colorado et de son plateau, États-Unis d'Amérique). La couleur blanche est trompeuse ici, elle est due à des dépôts récents par les eaux du lac.


Mode de formation des stratifications éoliennes entrecroisées des grès Navajo

Figure 8. Mode de formation des stratifications éoliennes entrecroisées des grès Navajo.

Une dune typique a une pente douce et en voie d'érosion en amont, face au vent. Le sable arraché par le vent sur cette face amont retombe derrière la crête de la dune et forme une face "aval" très raide. Coup de vent après coup de vent, la dune avance, et du sable arraché en amont se dépose en couches parallèles à la pente sur la face aval, donc très inclinées (autour de 30°). L'érosion recoupe par une surface horizontale les dépôts plus anciens, qui sont en général des couches inclinées déposées en face aval quelques temps auparavant lorsque l'arrière de la dune était encore là. Si l'épaisseur érodée lors d'une tempête est inférieure à l'épaisseur déposée lors de la tempête précédente, on observe le dispositif montré par les figures précédentes.


Fer et variations de couleur des grès

Il est probable que les sables déposés dans l'erg Navajo n'avaient pas une couleur très marquée initialement : peu de minéraux ferromagnésiens sombres présents en proportion des grains de quartz clairs largement dominants. Cependant le phénomène classique de rubéfaction des grès a dû se produire lors de la diagenèse : malgré le climat aride, des eaux d'infiltration ont circulé dans ces sédiments très poreux (la porosité des grès Navajo est encore aujourd'hui proche de 30 %, comparable à celle de nombreux sédiments non-consolidés ; elle devait être plus grande encore avant diagenèse), dissolvant les minéraux et les redéposant plus loin. Le ciment calcitique et/ou dolomitique s'est ainsi mis en place, soudant les grains de sable entre eux. De façon comparable il s'est produit une altération des minéraux ferromagnésiens, une dissolution du fer, puis son dépôt sous forme de mélanges variables de goethite [FeO(OH)], hématite [Fe2O3] et limonite [FeO(OH)H2O]. Les oxydes de fer ont ainsi contribué au ciment dans les zones les plus riches, ou ont simplement recouvert les grains individuels d'une fine couche rougeâtre dans les zones présentant de plus faibles quantités de fer. Une faible teneur en hématite (moins de 1 % de fer en masse) emballant les grains suffit à donner une couleur rouille à l'ensemble de la roche.

Le fer a pu ensuite être remobilisé par les eaux souterraines à de nombreuses reprises depuis 190 Ma, date approximative du dépôt des grès Navajo, d'où les variations de couleurs observées dans ces roches selon leur position. Ces variations sont bien illustrées ici : depuis un rouge plutôt soutenu dans le secteur de Glenn Canyon (figures 9 et 10), enrichi en fer par les apports des eaux circulantes, à des roses pâles et ocres (proches de la coloration initiale des grès ?) à la base de la formation dans Capitol Reef (figures 3 à 5), puis des blancs très purs au sommet de la formation dans Capitol Reef toujours (figures 1 à 3), là où les eaux d'infiltration ont dissout et emporté presque tout le fer présent initialement (phénomène qualifié de bleaching, littéralement “blanchiment”, par les géologues américains). De telles variations de couleurs des roches sédimentaires en fonction de leur teneur en composés ferriques ou ferreux n'ont rien d'exceptionnelles, comme le souligne la figure 11, que ces variations proviennent des teneurs initiales des dépôts sédimentaires ou des circulations de fluides ultérieures.

Les grès Navajo entaillés en canyon par le fleuve Colorado juste en aval du barrage de Glenn Canyon, Arizona

Figure 9. Les grès Navajo entaillés en canyon par le fleuve Colorado juste en aval du barrage de Glenn Canyon, Arizona.

Notez la couleur rouge brique des grès Navajo, bien plus marquée dans ce secteur qu'à Capitol Reef. On observe aussi quelques placages sombres de patine du désert sur les parois, et des coulées dues aux infiltrations d'eau dans les grès poreux et à leur résurgence au niveau des limites de strates.

Voir, au sujet du barrage, Deux exemples de perturbations environnementales le long du fleuve Colorado et de son plateau, États-Unis d'Amérique.


Les grès Navajo au niveau du barrage de Glenn Canyon, Arizona, sur le fleuve Colorado

Figure 10. Les grès Navajo au niveau du barrage de Glenn Canyon, Arizona, sur le fleuve Colorado.

Notez la couleur rouge brique marquée des grès dans ce secteur. La teinte plus claire au bord du lac est trompeuse : il s'agit de dépôts surfaciques récents dus aux eaux du lac Powell, particulièrement bas au moment de la prise de vue.

Voir, au sujet du barrage, Deux exemples de perturbations environnementales le long du fleuve Colorado et de son plateau, États-Unis d'Amérique.


Illustration de l'importance des teneurs en fer (plus ou moins oxydé) dans les teintes des roches sédimentaires

Figure 11. Illustration de l'importance des teneurs en fer (plus ou moins oxydé) dans les teintes des roches sédimentaires.

La photographie présente les falaises abruptes correspondent au flanc du Waterpocket Fold, à l'entrée Ouest du parc de Capitol Reef (voir à ce sujet l'article Quelques déformations des roches globalement tabulaires du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique).

On observe de bas en haut diverses roches d'âge triasique à jurassique :

  • 1) la formation Moenkopi, rouge sombre en raison des abondants oxydes de fer qu'elle contient, formée de grès silteux et argileux déposés dans de vastes plaines d'inondation côtières ;
  • 2) la formation Chinle, grise, formée d'argiles érodées en badlands, initialement déposées dans des vasières continentales en présence de cendres volcaniques, d'où une accumulation d'uranium et de fer réduits, qui donnent ces couleurs légèrement verdâtres. Cette formation est également visible au premier plan, sous les pieds du photographe (couverte d'éboulis de grès Wingate). Sa base comprend un niveau clair discontinu, le membre Shinarump, un grès conglomératique correspondant à d'anciens chenaux fluviatiles dépourvu de fer ;
  • 3) les grès Wingate, rouges, massifs, d'origine éolienne (ancien erg), formant les falaises principales, assez riches en oxydes de fer, et donc d'aspect très différent des grès Navajo ;
  • 4) la formation Kayenta, constituée de grès fluviatiles de couleurs plus variables, notamment selon leur teneur en fer, et aux strates discontinues ;
  • 5) enfin, les grès Navajo, plus clairs car pauvres en fer ici, massifs, d'origine éolienne (ancien erg), s'érodant en dômes dans le lointain.

On distingue en fond la route SR-24 qui traverse le parc d'Ouest en Est au niveau du Visitor Center.


Les variations de couleurs des grès Navajo sont donc largement expliquées par leurs teneurs variables en composés ferriques. Le secteur du Parc national de Zion (Utah), présente à ce titre un exemple spectaculaire de variation de teintes (figures 12 à 14) : si la base des grès Navajo y est d'un rouge marqué, cette couleur passe ensuite à des roses pâles, puis au blanc au sommet de la formation (particulièrement épaisse à cet endroit). Comment interpréter une telle hétérogénéité ? Plusieurs auteurs ont suggéré que la sous-unité supérieure blanche correspondrait à une zone blanchie (phénomène de bleaching évoqué précédemment) par dissolution du fer dans des eaux d'infiltration acides et chargées en hydrocarbures (gaz naturel…). La réaction peut s'écrire de façon simplifiée : CH2O + 2 Fe2O3(s) + 8 H+ → CO2 + 5 H2O + 4 Fe2+(aq), et peut être adaptée pour des hydrocarbures de forme CnHm (avec n et m deux entiers naturels) au lieu de CH2O, ou encore avec d'autres oxydes et hydroxydes de fer que Fe2O3. En dessous de 120°C, de telles réactions de réduction / dissolution du fer sont très lentes, et nécessitent l'implication de bactéries ferri-réductrices pour avoir lieu de façon importante dans des temps raisonnables.

La sous-unité rouge des grès correspondrait, elle, à la partie inférieure de la nappe phréatique pauvre en hydrocarbures, et la sous-unité rose intermédiaire à la zone de transition dans l'aquifère ancien. La chimie particulière des eaux, alors que l'ensemble de la formation était encore profondément enfoui sous la surface du sol, expliquerait donc ces étonnantes variations verticales de couleur.

Figure 12. Les grès Navajo dans le secteur d'Angels Landing, Parc national de Zion, Utah.

Les grès Navajo passent ici du rouge sombre au blanc en quelques centaines de mètres de bas en haut de la formation, particulièrement épaisse ici. Ils sont surmontés par le membre Sinawava de la formation de Temple Cap, bien visible à gauche et en fond de l'image (grès et argiles littoraux déposés lors d'une courte incursion marine au Jurassique moyen).


Figure 13. Les grès Navajo dans le secteur du canyon de Zion, Parc national de Zion, Utah.

Les grès Navajo passent ici du rouge sombre au blanc en quelques centaines de mètres de bas en haut de la formation, particulièrement épaisse ici. Ils sont surmontés par le membre Sinawava de la formation de Temple Cap, bien visible à droite et en fond de l'image (grès et argiles littoraux déposés lors d'une courte incursion marine au Jurassique moyen).


Les grès Navajo dans le parc national de Zion, Utah

Figure 14. Les grès Navajo dans le parc national de Zion, Utah.

Les grès Navajo passent ici du rouge sombre au blanc en quelques centaines de mètres de bas en haut de la formation, particulièrement épaisse ici. Ils sont surmontés par le membre Sinawava de la formation de Temple Cap, bien visible à gauche (grès et argiles littoraux déposés lors d'une courte incursion marine au Jurassique moyen). Notez à ce niveau les coulées rouges issues de ce membre Sinawava riche en fer, coulées d'oxydes de fer laissées par le ruissellement en surface des grès Navajo sommitaux blancs.


Fer et concrétions dans les grès

Si le fer dissout peut ensuite être exporté totalement des grès Navajo, ou encore redéposé plus loin dans les grès sous forme diffuse, il peut aussi être concentré sous forme de concrétions en certains lieux. On trouve ainsi en divers points du plateau du Colorado de surprenantes concrétions ferreuses de formes variables : les moqui marbles (littéralement “billes moqui”, terme issu de la langue amérindienne Hopi désignant les morts, car dans la tradition Hopi ces billes seraient abandonnées par les esprits des morts lors de leurs jeux nocturnes). Souvent quasi-sphériques, mais parfois plus torturées, les billes varient entre la taille d'un pois et celle d'une balle de tennis. Elles sont généralement formées d'une enveloppe externe d'hématite (parfois avec une proportion de goethite et d'hydroxydes de fer amorphes) et d'oxydes de manganèse cimentant des grains de quartz. Cette couche externe rouge-brune entoure habituellement un cœur purement gréseux (à ciment quartzique, en général, en tout cas pauvre en fer, voir figure 19).

L'origine des ciments riches en fer et manganèse est sans doute un fluide réducteur riche en métaux dissouts, par exemple des eaux d'infiltration acides, chargées en CO2 et en matière organique : hydrocarbures, etc., ayant dissout le fer et le manganèse ailleurs dans les grès Navajo. La précipitation sous forme de billes a probablement eu lieu lors de la rencontre de conditions plus oxydantes et/ou plus basiques (présence de carbonates par exemple) en sub-surface. La forme oxydée du fer (ion Fe3+) est en effet beaucoup moins soluble que la forme réduite (ion Fe2+), en particulier à des pH neutres, voire légèrement basiques. D'autres mécanismes de formation ont été proposés et restent un sujet de recherche actuel : altération in situ de grès cimentés par de la sidérite [FeCO3], par exemple, ou encore contribution d'activités bactériennes à ces dépôts métalliques.

Des datations ont été proposées pour ces divers événements : formation des grès Navajo il y a 190 Ma environ, dissolution du fer et blanchiment de ces grès (bleaching) dans certains secteurs de −65 à −25 Ma, et formation des moqui marbles dans d'autres secteurs (Sud de l'Utah principalement) entre −25 et −6 Ma.

Aujourd'hui, on peut observer ces billes in situ dans les grès (figures 15 et 16), mais aussi libres en surface (figure 17), lorsque l'érosion les a dégagées de leur matrice de grès moins indurée.

Notons au passage que d'autres types de concrétions ferreuses, plus développées mais plus rares, constituent parfois des pinacles ou des couches en reliefs en certains points de la région.

L'esthétique surprenante des billes moqui en fait des objets de collection (leur récolte est cependant bien entendu interdite dans les parcs), comme de spéculations mystiques plus ou moins farfelues, mais c'est surtout leur analogie possible avec les sphérules ferreuses observées sur Mars par les rovers de la NASA (berries étudiées par Opportunity dans une matrice d'évaporites sulfatées et d'argiles, et libérées en surface par l'érosion) qui a fait couler beaucoup d'encre. Ces berries de Meridiani Planum sont probablement d'origine sédimentaire / diagénétique (elles sont en tous cas observées, comme les billes moqui de l'Utah, in situ dans des sédiments éoliens stratifiés, mais également libérées par l'érosion, en amas à la surface du sol), et leur taille (quelques millimètres) est comparable aux plus petites moqui marbles. Elles ont déjà été évoquées dans Les berries (myrtilles) et autres sphérules martiennes : le point sur les équivalents terrestres et Les berries martiennes sont très riches en hématite (oxyde de fer).

La validité de l'analogie entre les sphérules martiennes et celles de l'Utah reste très débattue aujourd'hui (la structure interne des berries, constituées d'hématite massive, semble par exemple différente de celle des moqui marbles ; leurs tailles ont été décrites comme trop homogènes pour des concrétions en milieu aqueux ; etc.).

Couches de grès Navajo particulièrement riches en concrétions ferreuses (billes moqui) au niveau de Horseshoe Bend, méandre sur le fleuve Colorado à proximité de Page, Arizona

Figure 15. Couches de grès Navajo particulièrement riches en concrétions ferreuses (billes moqui) au niveau de Horseshoe Bend, méandre sur le fleuve Colorado à proximité de Page, Arizona.

Les strates au premier plan à gauche de l'image regorgent de billes moqui in situ, vraisemblablement précipitées en sub-surface à partir des eaux d'infiltration. La couleur rouge des grès dans ce secteur marque leur teneur plutôt élevée en fer localement. Notez aussi les plaquages sombres de patine du désert sur les parois au fond à droite de l'image.


Détails de couches de grès Navajo particulièrement riches en concrétions ferreuses in situ (billes moqui, ici de petite dimension, moins d'un centimètre en moyenne) à proximité de Page, Arizona

Figure 16. Détails de couches de grès Navajo particulièrement riches en concrétions ferreuses in situ (billes moqui, ici de petite dimension, moins d'un centimètre en moyenne) à proximité de Page, Arizona.

Ces billes moqui ont vraisemblablement précipité en sub-surface à partir des eaux d'infiltration. Les zones plus concentrées en concrétions ferreuses, particulièrement indurées, sont mises en relief par l'érosion.


Amoncèlement de billes moqui de tailles et formes variables laissées par l'érosion à la surface des grès Navajo, dans le Grand Staircase-Escalante National Monument, Utah

Figure 17. Amoncèlement de billes moqui de tailles et formes variables laissées par l'érosion à la surface des grès Navajo, dans le Grand Staircase-Escalante National Monument, Utah.

Ces billes assez évoluées ici ont une enveloppe externe particulièrement riche en hématite et oxydes de manganèse, d'où leur aspect rouge sombre et leur surface lisse.


Détail de billes moqui de tailles et formes variables laissées par l'érosion à la surface des grès Navajo, à proximité de Page, Arizona

Figure 18. Détail de billes moqui de tailles et formes variables laissées par l'érosion à la surface des grès Navajo, à proximité de Page, Arizona.

Ces billes moqui ont vraisemblablement précipité en sub-surface à partir des eaux d'infiltration. On voit qu'il s'agit ici de simples sphérules de grains de sables mieux cimentés par des oxydes de fer et manganèse que les grès d'origine et avoisinants (stade peu avancé de la formation des billes).



Lame mince d'une concrétion ferreuse dans les grès Navajo (région d'Escalante, Utah), photographiée en lumière polarisée analysée

Figure 20. Lame mince d'une concrétion ferreuse dans les grès Navajo (région d'Escalante, Utah), photographiée en lumière polarisée analysée.

Dimensions de l'image : 1 mm de côté environ.

On voit que les grains de quartz du grès Navajo initial sont cimentés par de l'hématite qui a cristallisé de façon radiale depuis les grains vers l'intérieur des pores.


Fer, manganèse, et patine du désert

Rappelons enfin que le fer peut aussi constituer de fins placages sombres en surface des roches, désignés sous le nom de “patine du désert” (desert varnish en anglais), bien visibles aux figures 1, 9, 15 et 21 à 26. L'origine de cette patine de quelques dizaines de micromètres d'épaisseur, déjà observée par le naturaliste des XVIIIe et XIXe siècles Alexander Humboldt, est restée assez mal comprise jusqu'au début du XXIe siècle, mais donne aujourd'hui lieu à de nombreuses études, parfois contradictoires, mais qui affinent nos connaissances sur le sujet.

Les oxydes et hydroxydes de fer y sont associés à des oxydes de manganèse, de la silice et des argiles, ce qui donne une croûte noire tirant plus ou moins sur le rouge sombre selon les proportions relatives des deux principaux métaux. On pourrait penser que les eaux d'infiltration jouent un rôle dans le transport du fer et du manganèse, puis dans leur dépôt en surface (donc en conditions oxydantes et déshydratantes, ce qui favoriserait la précipitation des minéraux dissouts) ; cependant des études ont montré qu'une part significative du fer et du manganèse provient en fait des poussières atmosphériques (apportées par le vent ou les gouttes de pluie). Les activités bactériennes ont sans doute un rôle fondamental dans ces placages : les particules riches en métaux seraient fixées par les biofilms, et ces métaux précipités sous forme d'oxydes par le métabolisme microbien. Ce mode de mise en place est cohérent avec la concentration des zones patinées sur les surfaces où des ruissellements temporaires d'eau se produisent après les pluies, favorisant l'activité des microorganismes.

Il semble de plus en plus probable que la nature (chimie, etc.) des roches sur lesquelles se forme la patine est secondaire ; cependant, il faut des centaines d'années pour former cette patine, d'où sa présence uniquement sur des parois extrêmement résistantes à l'érosion (telles que les grès durs Navajo).

On peut observer la présence d'une telle patine dans d'autres régions du monde, sous des climats montagnards ou tropicaux, d'où le terme générique de rock varnish désormais employé par certains géologues. Mieux encore, des surfaces patinées sont abondamment observées sur Mars, ce qui pose de nombreuses questions, là encore, sur la réelle analogie de cette patine extraterrestre avec celle des déserts de notre planète (avec des implications sur la présence de vie microbienne dans ces patines…).

Quelle que soit leur origine, ces surfaces sombres ont constitué à de nombreuses reprises d'excellents supports de gravures (révélant les couleurs plus claires des grès sous-jacents, figures 22 à 27). Ainsi l'Ouest des États-Unis d'Amérique comprend des centaines de sites gravés de pétroglyphes amérindiens, dont la signification et la datation précises sont mal connues, ce qui n'empêche pas de les admirer. Les plus anciens pourraient avoir plusieurs milliers d'années, avec un maximum associé à la culture des indiens Anasazis, Fremont… autour de l'an 1300 de notre ère. Certains pétroglyphes comportent des cavaliers employant des arcs et flèches, ce qui permet de les dater d'après l'arrivée progressive des Espagnols (introduction du cheval) dans la région entre le XVIe et le XVIIIe siècle. Enfin, les pionniers et colons européens passant dans la région ont gravé à leur tour les surfaces patinées des grès, laissant des noms et des dates remontant au XIXe siècle. Les visiteurs contemporains laissent occasionnellement aussi une trace de leur passage… dégradant parfois de façon irrémédiable des œuvres historiques ou de belles surfaces géologiques qui n'en demandaient pas tant !

Patine du désert à la surface d'un bloc de grès éboulés, parc national de Capitol Reef, Utah

Figure 21. Patine du désert à la surface d'un bloc de grès éboulés, parc national de Capitol Reef, Utah.

Cette patine serait essentiellement formée d'oxydes et hydroxydes de fer et de manganèse fixés par des biofilms bactériens.


Patine du désert à la surface des grès couverte de pétroglyphes amérindiens

Figure 22. Patine du désert à la surface des grès couverte de pétroglyphes amérindiens.

Photographie prise le long du fleuve Colorado et de la route SR-279, non loin du Parc national de Canyonlands et à l'Ouest de la ville de Moab, Utah. Cette fine patine sombre, qui serait essentiellement formée d'oxydes et hydroxydes de fer et de manganèse, offre de superbes opportunités de gravures, dont la datation et l'interprétation restent soumises à caution.


Patine du désert à la surface des grès couverte de pétroglyphes amérindiens

Figure 23. Patine du désert à la surface des grès couverte de pétroglyphes amérindiens.

Photographie prise le long du fleuve Colorado et de la route SR-279, non loin du Parc national de Canyonlands et à l'Ouest de la ville de Moab, Utah. Cette fine patine sombre, qui serait essentiellement formée d'oxydes et hydroxydes de fer et de manganèse, offre de superbes opportunités de gravures, dont la datation et l'interprétation restent soumises à caution.


Patine du désert à la surface des grès couverte de pétroglyphes amérindiens

Figure 24. Patine du désert à la surface des grès couverte de pétroglyphes amérindiens.

Photographie prise le long du fleuve Colorado et de la route SR-279, non loin du Parc national de Canyonlands et à l'Ouest de la ville de Moab, Utah. Cette fine patine sombre, qui serait essentiellement formée d'oxydes et hydroxydes de fer et de manganèse, offre de superbes opportunités de gravures, dont la datation et l'interprétation restent soumises à caution.


Patine du désert à la surface des grès couverte de pétroglyphes amérindiens

Figure 25. Patine du désert à la surface des grès couverte de pétroglyphes amérindiens.

Photographie prise le long du fleuve Colorado et de la route SR-279, non loin du Parc national de Canyonlands et à l'Ouest de la ville de Moab, Utah. Cette fine patine sombre, qui serait essentiellement formée d'oxydes et hydroxydes de fer et de manganèse, offre de superbes opportunités de gravures, dont la datation et l'interprétation restent soumises à caution.


Patine du désert à la surface des grès couverte de pétroglyphes amérindiens

Figure 26. Patine du désert à la surface des grès couverte de pétroglyphes amérindiens.

Photographie prise au niveau du joliment nommé Newspaper Rock, le long de la route SR-211, non loin du Parc national de Canyonlands (secteur The Needles), Utah. Cette fine patine sombre, qui serait essentiellement formée d'oxydes et hydroxydes de fer et de manganèse, offre de superbes opportunités de gravures, dont la datation et l'interprétation restent soumises à caution.

On peut cependant noter que les 650 pétroglyphes présents sont très étalés dans le temps, diverses cultures et styles étant identifiables, la patine du désert ayant commencé à se reformer sur les plus anciennes gravures, et des chevaux et des arcs étant présents sur les plus récentes (ce qui permet d'affirmer qu'ils sont postérieurs à l'arrivée des Espagnols dans la région). La raison d'une telle concentration de pétroglyphes à cet endroit demeure incertaine. Des graffitis et dégradations sub-actuelles par des visiteurs indélicats sont aussi observables.


Patine du désert à la surface des grès Navajo de Capitol Gorge, Parc national de Capitol Reef, Utah

Figure 27. Patine du désert à la surface des grès Navajo de Capitol Gorge, Parc national de Capitol Reef, Utah.

Les amérindiens, puis les pionniers et colons blancs empruntaient ce canyon pour franchir la barrière naturelle constituée par les escarpements de grès de Capitol Reef (d'où le nom de “reef” : récif, barrière). Depuis le XIXe siècle, certains ont laissé leur nom et la date de leur passage au site surnommé « Pioneer register » » (“registre des pionniers”). Des graffitis et dégradations récentes sont observables, peut-être même plus que les témoignages historiques…


À titre d'ouverture, on notera que les roches patinées ont pu servir partout sur Terre de surfaces de gravure, quelle que soit l'origine de la patine. Ainsi les surfaces lisses laissées par les glaciers (roches moutonnées) sur les siltites et grès de la vallée des Merveilles (Mercantour, France) ont constitué de tels supports artistiques pour des dizaines de milliers de gravures à partir de l'âge du Bronze (figures 28 et 29).

Bibliographie

Cet article s'appuie en partie sur l'excellent ouvrage de vulgarisation de Morris et al. (2010) ainsi que sur les informations fournies par le Service des parcs nationaux.

T.H. Morris, S.M. Ritter, D.P. Laycock, 2010. Geology Unfolded, an illustrated guide to the Geology of Utah's National Parks, BYU Press, 72 p.

Pour aller plus loin, une source intéressante, parmi de nombreuses autres, au sujet de l'erg Navajo.

Un article sur le bleaching des grès Navajo par des eaux d'infiltration riches en hydrocarbures.

De nombreux articles sur les sphérules martiennes et les billes moqui.

T. Gánti, T. Pócs, Sz. Bérczi, Z. Ditrói-Puskás, K. Gál-Solymos, A. Horváth, M. Nagy, I. Kubovics, 2005. Morphological investigations of Martian spherules, comparisons to collected terrestrial counterparts, Lunar and Planetary Science XXXVI [pdf]

D. M. Burt, L.P. Knauth, K.H. Wohletz, 2007. Sedimentary concretions vs. Impact condensates: origin of the hematitic spherules of Meridiani Planum, Mars, Lunar and Planetary Science XXXVIII [pdf]

A.D. Aubrey, E. Parker, J.H. Chalmers, D. Lal, J.L. Bada, 2007. Ironstone concretions – analogs to Martian hematite spherules, Lunar and Planetary Science XXXVIII [pdf]

W.M. Calvin, J.D. Shoffner, J.R. Johnson, A.H. Knoll, J.M. Pocock, S.W. Squyres, C M. Weitz, R.E. Arvidson, J.F. Bell III, P.R. Christensen, P.A. de Souza Jr., W.H. Farrand, T.D. Glotch, K.E. Herkenhoff, B.L. Jolliff, A.T. Knudson, S.M. McLennan, A.D. Rogers, S.D. Thompson, 2008. Hematite spherules at Meridiani: Results from MI, Mini-TES, and Pancam, Journal of Geophysical research, 113, E12S37 [pdf]

D.B. Loope, R.M. Kettler, K.A. Weber, 2011. Morphologic Clues to the Origins of Iron Oxide–Cemented Spheroids, Boxworks, and Pipelike Concretions, Navajo Sandstone of South-Central Utah, U.S.A., The Journal of Geology, 119, 5, 505-520 [pdf]

Nombreux articles de M.A. Chan et ses collègues, une sélection.

M.A. Chan, J. Ormö, 2005. Red rock and red planet diagenesis: Comparisons of Earth and Mars concretions, GSA TODAY, 15, 8, 4-10 [pdf]

S.L. Potter, M.A. Chan, E.U. Petersen, M. Darby Dyar, E. Sklute, 2011. Characterization of Navajo Sandstone concretions: Mars comparison and criteria for distinguishing diagenetic origins, Earth and Planetary Science Letters, 301, 3–4, 444-456 [pdf]

M.A. Chan, S.L. Potter, B.B. Bowen, W.T. Parry, L.M. Barge, W. Seiler, E.U. Petersen, J.R. 2012, Bowman, Characteristics of Terrestrial Ferric Oxide Concretions and Implications for Mars, SEPM Special Publications, [pdf]

Quelques articles sur la patine du désert.

W.S. Broecker, Tanzhuo Liu, 2001. Rock Varnish: Recorder of Desert Wetness?, GSA Today, 1, 8, 4-10

N. Thiagarajan, C.-T.A. Lee, 2004. Trace-element evidence for the origin of desert varnish by direct aqueous atmospheric deposition, Earth and Planetary Science Letters, 224, 1–2, 131-141

R.S. Perry, M.A. Sephton, 2008. Solving the mystery of desert varnish with microscopy, Infocus, 11