Les roches sédimentaires constituent un élément essentiel du fonctionnement et de la mémoire de la Terre. Leur diversité minéralogique et texturale reflète la multiplicité des environnements dans lesquels elles se forment. Leur stratification, leurs structures sédimentaires, leurs fossiles et leurs signatures géochimiques en font des archives irremplaçables de l'évolution de la surface terrestre. Elles enregistrent les interactions entre lithosphère, hydrosphère, atmosphère et biosphère et constituent, à ce titre, l'un des meilleurs témoignages de l'évolution conjointe du climat, de la tectonique, de la vie et des cycles biogéochimiques au cours de l'histoire de la planète.

À l'échelle de la croûte continentale, les roches sédimentaires ne représentent qu'une fraction du volume total des roches, dominé par les roches magmatiques et métamorphiques. Cependant, elles couvrent une proportion considérable des surfaces. Elles forment notamment les grands ensembles de bassins sédimentaires, les plateformes continentales, les plaines alluviales, les deltas, les marges continentales et de nombreux reliefs caractéristiques. Leur importance géologique est donc beaucoup plus grande que ne le suggère leur abondance volumique. Une grande partie des ressources naturelles exploitées par les sociétés humaines est associée à ces roches : charbon, pétrole, gaz naturel, certains minerais, phosphates, évaporites, matériaux de construction, granulats, argiles et diverses substances industrielles.

Le terme sédiment désigne une accumulation de particules ou de substances précipitées qui n'ont pas encore subi l'ensemble des transformations conduisant à la formation d'une roche. Le passage du sédiment à la roche sédimentaire correspond à la sédimentation suivie de la diagenèse. Le processus commence généralement par la production de matériaux issus de l'altération des roches préexistantes. L'altération peut être physique, chimique ou biologique. L'altération physique provoque la fragmentation des roches sans modification majeure de leur composition minéralogique. Elle intervient notamment sous l'action des variations de température, du gel et du dégel, de la décompression, de l'abrasion et de certains processus gravitaires. L'altération chimique modifie ou détruit les minéraux primaires par dissolution, hydrolyse, oxydation ou hydratation. L'altération biologique combine des mécanismes physiques et chimiques liés aux organismes vivants.

Les produits de l'altération sont ensuite soumis à l'érosion et au transport. Les agents de transport les plus importants sont l'eau, le vent, la glace et la gravité. Les cours d'eau constituent l'un des principaux systèmes de transfert des particules continentales vers les bassins sédimentaires. Les particules sont transportées sous forme de charge dissoute, de charge en suspension ou de charge de fond. La capacité de transport dépend notamment de la vitesse de l'écoulement, de la pente, de la viscosité du fluide et de la taille, de la densité et de la forme des particules. Dans les environnements fluviaux, les galets et les gravier s sont généralement transportés comme charge de fond, tandis que les particules argileuses et une partie des limons peuvent rester longtemps en suspension.

Le transport modifie progressivement les sédiments. Les particules peuvent subir une abrasion qui diminue leur taille et arrondit leurs angles. Elles peuvent également être soumises à un tri granulométrique. Les particules grossières se déposent généralement plus rapidement lorsque l'énergie du milieu diminue, tandis que les particules fines peuvent être transportées beaucoup plus loin. La distance parcourue entre la zone de production et la zone de dépôt peut donc influencer fortement la composition et la texture des sédiments. Les minéraux les moins stables chimiquement ont tendance à être détruits plus rapidement lors d'un transport prolongé et d'une altération intense, tandis que des minéraux résistants comme le quartz peuvent être fortement concentrés dans certains dépôts.

Le dépôt intervient lorsque l'énergie du milieu devient insuffisante pour maintenir les particules en mouvement ou lorsque les conditions physico-chimiques permettent la précipitation de substances dissoutes. Les environnements de sédimentation sont extrêmement diversifiés. Ils comprennent notamment les cônes alluviaux, les cours d'eau, les plaines d'inondation, les lacs, les déserts, les glaciers, les deltas, les estuaires, les plages, les plateformes continentales, les talus continentaux, les plaines abyssales et les bassins océaniques. À ces environnements s'ajoutent les systèmes dominés par la précipitation chimique ou biologique, comme certains lacs salés, les bassins évaporitiques, les récifs carbonatés et les environnements hydrothermaux.

Les catégories de roches sédimentaires.
Une classification fondamentale distingue les roches sédimentaires détritiques, chimiques et biochimiques ou organogènes. Cette distinction repose essentiellement sur le mécanisme qui produit le sédiment. 

• Les roches détritiques résultent de l'accumulation et de la lithification de fragments issus de roches préexistantes. Exemples : Conglomérat, grès, argile, siltstone.

• Les roches chimiques se forment principalement par précipitation de minéraux à partir d'une solution, généralement à la suite de changements de température, de pression, de pH, de salinité ou d'état de saturation. 
Exemples : Calcaire (parfois chimique), gypse, sel gemme, travertin.

• Les roches biochimiques et organogènes résultent de l'activité des organismes vivants ou de l'accumulation de leurs restes. Exemples : Calcaire coquillier, craie, charbon, diatomite.

Les roches détritiques.
Les roches détritiques (ou clastiques) sont classées principalement selon la granulométrie des particules. Les conglomérats et les brèches sont constitués de fragments relativement grossiers, généralement supérieurs à 2 mm. Dans un conglomérat, les éléments sont essentiellement arrondis, ce qui témoigne généralement d'un transport et d'une abrasion significatifs. Dans une brèche, les éléments sont anguleux ou peu arrondis, ce qui suggère généralement un transport limité ou une fragmentation à proximité de la source. La matrice et le ciment qui entourent les éléments grossiers peuvent être constitués de sable, de limon, d'argile ou de minéraux précipités secondairement.

Les grès sont des roches détritiques dominées par des grains de taille sableuse. Leur composition est extrêmement variable. Certains grès sont essentiellement quartzeux, tandis que d'autres contiennent des feldspaths, des fragments lithiques, des micas et divers minéraux accessoires. Les arkoses sont des grès relativement riches en feldspaths et témoignent généralement d'un apport détritique provenant de roches continentales relativement peu altérées. Les grauwackes constituent des grès souvent riches en fragments lithiques, feldspaths et matrice fine, fréquemment associés à des contextes tectoniques actifs. La nature du ciment peut également varier considérablement : silice, calcite, oxydes et hydroxydes de fer ou autres phases minérales peuvent assurer la cohésion de la roche.

Les siltites et les argilites sont constituées principalement de particules plus fines que celles des grès. Les siltites sont dominées par des particules de taille limoneuse, tandis que les argilites contiennent une forte proportion de particules argileuses. Les argiles sont particulièrement importantes parce qu'elles possèdent une surface spécifique élevée et des propriétés physico-chimiques particulières. Les minéraux argileux les plus fréquents sont la kaolinite, l'illite, les smectites et les chlorites. Leur nature dépend notamment du climat, de la roche mère, du drainage, du pH et de la durée de l'altération.

La granulométrie est l'une des caractéristiques les plus importantes des roches détritiques. Elle renseigne sur l'énergie du milieu de dépôt et sur les conditions de transport. La distribution des tailles de grains peut être décrite par différents paramètres statistiques : diamètre moyen, médiane, classement granulométrique, asymétrie et kurtosis ( =  coefficient d'aplatissement). Un sédiment bien classé possède des grains dont les dimensions sont relativement homogènes, tandis qu'un sédiment mal classé présente une gamme granulométrique étendue. Le degré de classement constitue donc un indicateur paléoenvironnemental précieux, même si son interprétation doit tenir compte de l'histoire complète du dépôt.

La morphologie des grains fournit également des informations. L'arrondi augmente généralement avec l'abrasion mécanique et peut témoigner d'un transport prolongé, mais il dépend aussi de la nature du matériau initial. La sphéricité et la forme des grains influencent leur comportement hydraulique. L'orientation préférentielle des éléments peut renseigner sur la direction des courants. Dans certains conglomérats, l'imbrication des galets permet ainsi de reconstituer la direction d'écoulement d'un ancien cours d'eau.

Les roches chimiques.
Les roches carbonatées occupent une place particulière parmi les roches sédimentaires. Elles sont principalement constituées de carbonate de calcium sous forme de calcite ou d'aragonite, ou de carbonate de calcium et de magnésium sous forme de dolomite. Le calcaire est la roche carbonatée la plus répandue. Il peut se former par précipitation directe de carbonate de calcium, mais une proportion considérable des calcaires résulte de processus biologiques ou biochimiques.

Les calcaires peuvent être classés selon leur texture, leur composition et la proportion relative de grains, de matrice et de ciment. Les bioclastes, les ooïdes, les peloïdes et les intraclastes constituent différents types de grains carbonatés. Les ooïdes sont des grains généralement sphériques à concentriques qui se développent dans des eaux peu profondes, chaudes et agitées, lorsque la précipitation de carbonate autour d'un noyau est favorisée.

La dolomie est une autre roche carbonatée majeure. Elle est principalement constituée du minéral dolomite. Une partie importante de la dolomite se forme par transformation postérieure de sédiments ou de calcaires préexistants, processus souvent désigné sous le terme de dolomitisation. La circulation de fluides riches en magnésium peut provoquer le remplacement d'une partie du calcium par du magnésium. Les mécanismes exacts de nombreuses dolomitisations naturelles restent complexes et peuvent intervenir à différents stades de l'histoire du bassin sédimentaire.

Les évaporites résultent de la précipitation de minéraux lorsque l'évaporation d'une solution dépasse les apports en eau. Elles se rencontrent particulièrement dans les bassins fermés ou semi-fermés soumis à une forte évaporation. Le gypse, l'anhydrite, l'halite (chorure de sodium) et certains sels potassiques constituent les principales phases évaporitiques. Les séquences évaporitiques enregistrent fréquemment des variations du niveau des bassins, de la salinité et du bilan hydrologique. Elles peuvent également présenter une grande importance économique, notamment pour l'exploitation du sel et de certains minerais potassiques.

Les roches siliceuses, ou roches siliceuses sédimentaires, sont dominées par la silice sous différentes formes minéralogiques. Les cherts et les silex constituent des exemples majeurs. Leur silice peut provenir de l'accumulation de tests siliceux d'organismes microscopiques, notamment des radiolaires et des diatomées, mais aussi de processus de remplacement ou de précipitation secondaire. La silicification peut transformer des sédiments préexistants en introduisant de la silice dans les pores et en remplaçant certains constituants.

Les roches phosphatées, notamment les phosphorites, constituent une autre catégorie importante. Elles sont dominées par des minéraux phosphatés, généralement du groupe de l'apatite. Leur formation est souvent associée à des environnements marins caractérisés par une forte productivité biologique et des conditions favorisant la concentration et la précipitation du phosphore. Les phosphorites représentent une ressource majeure pour l'industrie des engrais et constituent donc un élément important du cycle géochimique du phosphore.

Les roches organogènes.
Les roches carbonées ou organiques comprennent principalement les charbons. Leur origine est liée à l'accumulation de matière végétale dans des environnements où la décomposition est incomplète. Les tourbières constituent des milieux particulièrement favorables à cette accumulation. Lorsque la matière organique est progressivement enfouie, compactée et chauffée, elle évolue vers différents rangs de charbon : lignite, houille puis anthracite. Cette transformation entraîne une diminution progressive de la teneur en matières volatiles et une augmentation relative de la teneur en carbone.

Le pétrole et le gaz naturel sont également étroitement associés aux systèmes sédimentaires, même s'ils ne constituent pas des roches au sens strict lorsqu'ils se présentent sous forme de fluides. Leur genèse repose principalement sur la transformation thermique de matière organique enfouie dans des sédiments. La matière organique peut être incorporée dans des sédiments fins déposés dans des environnements favorables à sa conservation. Au cours de l'enfouissement, l'augmentation de la température et de la pression provoque sa transformation en kérogène puis, selon les conditions thermiques, en hydrocarbures liquides ou gazeux. Les hydrocarbures peuvent ensuite migrer vers des roches réservoirs poreuses et perméables et être piégés sous des couvertures imperméables.

Beaucoup de calcaires impliquent aussi des organismes producteurs de coquilles, de tests ou de squelettes carbonatés.  es récifs carbonatés représentent des constructions biologiques complexes dominées aujourd'hui par certains coraux et organismes associés. Les foraminifères, mollusques, coraux, échinodermes et algues calcaires contribuent ainsi largement à la production de sédiments carbonatés.

La formation des roches sédimentaires.
La transformation d'un sédiment meuble en roche sédimentaire correspond à la diagenèse. Celle-ci commence dès les premiers stades de l'enfouissement et peut se poursuivre jusqu'à des températures et des pressions relativement élevées, sans atteindre nécessairement les conditions caractéristiques du métamorphisme. La diagenèse comprend notamment la compaction, la cimentation, la dissolution, la recristallisation, les réactions minéralogiques et les échanges avec les fluides interstitiels.

La compaction résulte principalement de l'augmentation de la pression exercée par les sédiments sus-jacents. Elle entraîne une diminution de la porosité et une réorganisation des grains. Dans les sédiments argileux, elle peut provoquer une réduction particulièrement importante du volume. L'eau interstitielle est progressivement expulsée, tandis que les grains se rapprochent. La compaction constitue donc un mécanisme essentiel de lithification.

La cimentation correspond à la précipitation de minéraux dans les espaces poreux. Les ciments les plus fréquents sont la silice, la calcite, la dolomite et certains oxydes ou hydroxydes de fer. La composition du ciment dépend fortement de la circulation des fluides dans le bassin. La cimentation peut réduire considérablement la porosité et transformer un sédiment initialement meuble et poreux en roche compacte.

La dissolution et la recristallisation modifient également les sédiments pendant la diagenèse. Des minéraux peuvent être dissous puis précipités ailleurs. Dans les carbonates, ces processus peuvent transformer profondément la texture initiale. La pression-dissolution peut notamment provoquer la dissolution préférentielle des grains au niveau des contacts, suivie du transport de la matière dissoute et de sa précipitation dans d'autres zones.

Caractéristiques diverses des roches sédimentaires.
La porosité correspond à la proportion de volume occupée par les pores. La porosité peut être primaire, lorsqu'elle est héritée de la texture initiale du sédiment, ou secondaire, lorsqu'elle résulte de processus postérieurs comme la dissolution ou la fracturation. La perméabilité correspond quant à elle à l'aptitude d'un matériau à laisser circuler un fluide. Une roche peut donc présenter une porosité relativement importante mais une faible perméabilité si ses pores sont mal connectés. Cette distinction est essentielle dans l'étude des aquifères et des réservoirs pétroliers et gaziers.

Les structures sédimentaires constituent des éléments particulièrement importants pour l'interprétation des environnements de dépôt. La stratification correspond à l'organisation des sédiments en couches successives. Elle résulte de variations de la nature, de la granulométrie ou de la composition des matériaux déposés. Les lits peuvent être horizontaux, inclinés ou déformés. La stratification entrecroisée est caractéristique de nombreux environnements soumis à des courants ou à des vents. Elle permet notamment de déterminer la direction des paléocourants.

Les rides sédimentaires se forment sous l'action de courants ou de vagues sur les surfaces sableuses. Leur géométrie permet de distinguer différents mécanismes de transport. Les rides asymétriques sont généralement associées à des courants unidirectionnels, tandis que les rides symétriques peuvent traduire l'action oscillatoire des vagues. Les dunes sédimentaires constituent des structures de plus grande dimension et se développent dans les environnements fluviaux, désertiques et marins.

Les fentes de dessiccation sont des structures produites par le retrait d'un sédiment argileux ou limoneux lorsqu'il sèche. Elles sont particulièrement fréquentes dans les plaines d'inondation, les lacs temporaires et certaines zones littorales. Leur présence dans une série ancienne constitue un indice de l'existence passée d'un environnement périodiquement exposé à l'air. D'autres structures, telles que les figures de charge, les convolutions sédimentaires, les figures d'érosion et les surfaces de ravinement, renseignent sur les conditions physiques régnant lors ou peu après le dépôt.

Les structures biogéniques sont produites par les organismes. Les terriers, pistes, galeries et traces de déplacement constituent la bioturbation. Celle-ci peut perturber la stratification initiale et modifier les propriétés physiques et chimiques des sédiments. L'étude des traces fossiles, appelée ichnologie, permet de reconstituer les conditions environnementales, notamment l'oxygénation, la profondeur, la salinité, la nature du substrat et l'énergie du milieu.

La présence de fossiles permet de reconstituer l'évolution de la biodiversité et les environnements anciens. Certains organismes possèdent une répartition stratigraphique relativement courte et une large distribution géographique : ils peuvent alors servir de fossiles stratigraphiques ou fossiles-guides. D'autres organismes sont particulièrement utiles pour caractériser un environnement donné. Les assemblages fossiles peuvent ainsi fournir des informations sur la profondeur marine, la température, la salinité, l'oxygénation, la productivité biologique ou la nature du substrat.

L'utilisation des roches sédimentaires.
Les roches sédimentaires possèdent une importance économique exceptionnelle. Les calcaires sont exploités pour la production de ciment et de chaux. Les grès, calcaires, ardoises et autres roches sédimentaires sont utilisés comme pierres de construction ou matériaux décoratifs. Les argiles sont essentielles dans la fabrication des briques, des tuiles, des céramiques et de nombreux produits industriels. Les évaporites fournissent du sel, du gypse et certains sels potassiques. Les phosphorites sont utilisées pour la production d'engrais phosphatés.

Les ressources énergétiques fossiles sont également liées aux bassins sédimentaires. Les systèmes pétroliers conventionnels nécessitent généralement l'association d'une roche mère riche en matière organique, d'une maturation thermique suffisante, d'une migration des hydrocarbures, d'une roche réservoir poreuse et perméable, d'une couverture relativement imperméable et d'un piège structural ou stratigraphique. L'étude des roches sédimentaires est donc fondamentale pour comprendre la distribution des ressources en hydrocarbures.

Les aquifères sont eux aussi fréquemment constitués de roches sédimentaires. Les grès, les conglomérats et certaines formations carbonatées peuvent présenter une porosité et une perméabilité suffisantes pour stocker et transmettre de grandes quantités d'eau souterraine. Dans les calcaires fracturés ou karstifiés, la circulation peut être particulièrement rapide et concentrée le long des fractures et des conduits de dissolution. Les propriétés hydrogéologiques des roches sédimentaires sont donc déterminantes pour la gestion des ressources en eau.

L'étude des roches sédimentaires.
L'étude des roches sédimentaires repose sur une approche multidisciplinaire. La pétrographie permet d'étudier les constituants minéraux et la texture des roches au microscope. La granulométrie caractérise les dimensions des particules. La minéralogie par diffraction des rayons X permet notamment d'identifier les minéraux argileux. La géochimie fournit des informations sur la provenance des sédiments, les conditions de dépôt et les transformations diagénétiques. La paléontologie et la micropaléontologie permettent d'étudier les organismes fossiles. La sédimentologie analyse les processus de transport, de dépôt et de transformation.

L'analyse de provenance cherche à déterminer l'origine des matériaux détritiques. Elle peut s'appuyer sur la composition minéralogique, la géochimie des éléments majeurs et traces, la géochronologie des zircons détritiques et les signatures isotopiques. Les zircons détritiques sont particulièrement utiles parce qu'ils peuvent conserver des âges radiométriques correspondant à différentes générations de roches sources. Leur étude permet ainsi de reconstruire les réseaux de drainage anciens, l'érosion des chaînes de montagnes et les relations entre différents domaines crustaux.

Les roches sédimentaires peuvent également conserver des informations sur les grandes crises environnementales et biologiques. Certaines limites stratigraphiques sont associées à des anomalies isotopiques, à des changements de faciès, à des concentrations particulières en éléments traces ou à des modifications brutales des assemblages fossiles. Les séries sédimentaires sont ainsi essentielles pour comprendre les extinctions massives, les changements climatiques rapides, les variations du niveau marin et les perturbations du cycle du carbone.

Une couche sédimentaire peut conserver la nature des matériaux érodés dans une région continentale, la direction des courants qui les transportent, l'environnement dans lequel ils se déposent, les organismes qui y vivent, les conditions climatiques contemporaines, les propriétés chimiques de l'eau et les transformations intervenues après l'enfouissement. L'étude successive de nombreuses couches permet alors de reconstituer des histoires géologiques qui s'étendent de quelques années à plusieurs milliards d'années.