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SORTIE DE GEOLOGIE PREMIERE S
- LYCEE KOEBERLE -
Horaires
indicatifs
08h30 - 09h30
09h45 - 10h30
11h45 - 12h00
13h30 – 16h30
Sites
Objectifs
Carrière de Kintzheim
Château du HautKoenigsbourg
Bergheim
Etude de la croûte continentale
Etude de la couverture sédimentaire gréseuse triasique
ASEPAM mine GabeGottes ou Saint-Louis
Tectonique des plaques et ressources géologiques locales
Indices sédimentaires de l'histoire géologique locale
Repas tiré du sac
ARRET 1 : CARRIERE DE KINTZHEIM
Extrait des cartes géologiques (BRGM) de Sélestat et Colmar au 1/50000ème
Extrait du livret et de la carte géologiques (BRGM) de Sélestat :
γ1b. Granite porphyroblastique de Thannenkirch et de Kintzheim : granites à très grands phénocristaux
d'orthose et de microcline, parfois à amphibole, liés au socle gneissique dont ils dérivent par anatexie.
Datation : 326 Ma +/- 1 Ma (Méthode U-Pb sur zircons - Katrinova 2007).
2
a/ Observer les roches sur le pourtour de la carrière et les décrire.
On peut identifier 3 types de roches :
- Au Sud, à gauche en entrant dans la carrière, ce sont des "gneiss migmatitiques rubanés ou granitiques".
C'est une roche métamorphique contenant du quartz, du mica, des plagioclases du feldspath alcalin, tous suffisamment
gros pour être identifiés à l'œil nu. La foliation est marquée par l'alternance de petits lits clairs constitués
principalement de quartz, de plagioclases et de feldspath, et de fins niveaux plus sombres, micacés avec la présence
éventuelle d'amphiboles. Le protolithe est sans doute des sédiments cambrio-ordoviciens métamorphisés vers 340 Ma.
- A l'Ouest et au nord, c'est le Granite porphyroblastique de Thannenkirch et de Kintzheim : granites à très
grands phénocristaux d'orthose et de microcline, parfois à amphibole, lié au socle gneissique dont il dérive par anatexie.
- A l'Est, c'est un filon de microgranite, parfois rhyolitique (quant on ne voit plus de minéraux). Le filon recoupe
le gneiss et le granite. On peut donc faire de la datation relative...
b/ Identifier la famille de roche auxquelles elles appartiennent – sédimentaire, magmatique (plutonique ou volcanique), métamorphique.
- Le gneiss est une roche métamorphique
- le granite est une roche magmatique plutonique
- La rhyolite est une roche magmatique volcanique
c/ Noter la position de la carrière sur la carte géologique (page 2)
d/ Annoter la photo de la roche ci-contre (titre, minéraux…)
e/ A l’aide des documents 1, 2 et 3, expliquer la formation de cette
roche. Sachant qu’elle s’est formée à partir des gneiss qui se
trouvaient au niveau de la croûte moyenne et enfouis à 40-50 km.
Le document 3 montre qu'à l'époque de formation de ce
granite, les forces compressives se sont relâchées. La chaîne est en
distension et avec l'érosion, les roches situées en profondeur
remontent vers la surface subissant ainsi une décompression. Le
document 1 montre que la croûte est relativement riche en
éléments radioactifs.
Une croûte épaissie contient donc beaucoup de ces éléments.
De plus des magmas fortement radioactifs se sont mis en
place au travers de la croûte vers 340 Ma. Cela crée un
dégagement important de chaleur qui s'accumule car elle ne
se dissipe par conduction thermique que très lentement.
Si on reporte ces informations sur le diagramme du document
2, à 40-50 km de profondeur, les gneiss ont été portés à des
températures d'environ 500°C. Avec la chaleur dégagée par la
radioactivité et la décompression, on arrive à passer le solidus
et pratiquement le liquidus. Le gneiss à donc subit une fusion
presque totale pour donner ce granite d'anatexie.
Pour aller plus loin : le granite de Thannenkirch est associé au
groupe des leucogranites, figurés en bleu lavande sur le document
3. La source des granites d'anatexie reste obscure mais ils sont
probablement issus d'une fusion de toutes les lithologies présentes
dans la croûte moyenne à cette période, à savoir gneiss variés et
monotones (le granite contient des zircons semblables à ceux
trouvés dans les gneiss), granulites, granite des Crêtes, sédiments du
Markstein... Le granite anatectique contient localement de la cordiérite et de
l'andalousite. Cela indique une profondeur inférieure à 10-12 km (4kbar). En
résumé, le granite anatectique se met en place vers 10 km de profondeur, alors
que les leucogranites migrent progressivement vers la surface. Il est difficile de
dire que l'anatexie résulte de l'épaississement crustal. A 10km de profondeur, le
géotherme ne prédit qu'une température de 300°C. Il faut donc une autre
source de chaleur et faire appel à la chaleur produite par désintégration
radioactive dans le granite de type Crêtes. En résumé, 1) on insère une lame de
granite des Crêtes (à forte production de chaleur par désintégration radioactive)
dans la croûte moyenne vers 340 Ma 2) On laisse 10 Ma de maturation
thermique 3) A 330 Ma, la température est suffisante pour une fusion quasi in-situ de la croûte moyenne.
3
Il y a environ 350 Ma, plusieurs blocs continentaux sont entrés en collision et ont formé une vaste chaine de montagne dite
hercynienne. Vers 340 Ma des magmas fortement radioactifs se sont mis en place au travers de la croûte. Vers 330 Ma les forces de
compression ont cessé, ce qui entraine une remontée des roches.
f/ Expliquer, à l'aide des documents 4 et 5 ci-dessous, pourquoi la croûte subit une exhumation (une remontée) suite à
l'action de l'érosion sur un orogène (une montagne).
Suite à l'action de l'érosion, les roches, donc de la masse, sont enlevées en surface. La compensation isostasique fait que
pour rétablir au niveau de la surface de compensation une masse identique au niveau de la chaîne, le manteau, plus
dense, remonte.
Pour aller plus loin : D’autres facteurs interviennent pour expliquer la remontée des roches profondes. Le détachement
de la racine (slab breack-off) vers -330 Ma, la relaxation post-orogénique accompagnée par des failles normales dans
l'orogène qui facilite l'étalement du relief.
Document 4 : L'isostasie :
On définit l'isostasie comme un équilibre des charges réalisé à une profondeur dite de compensation, (la limite lithosphère-asthénosphère),
pour laquelle la pression de charge, le poids des roches sus-jacentes, est le même partout.
La densité du manteau est supérieure à celle de la croûte. La croûte "flotte" donc sur le manteau comme un glaçon sur l'eau. De la même
façon qu'un iceberg, plus volumineux qu'un autre, possède une racine plus grande, au niveau d'une chaine de montagne il a plus de croûte
qui s'enfonce dans le manteau (on parle de racine crustale) pour compenser la surcharge. Le relief est entretenu par la faible densité de la
croûte par rapport au manteau. (Il faut une plus grande épaisseur de croûte que de manteau pour peser une certaine charge).
g/ Nommer les deux roches
principales constitutives de la croûte
continentale.
La croûte continentale est
essentiellement constituée de
granitoïde et de roches
métamorphiques comme le gneiss.
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ARRET 2 : CHATEAU DU HAUT-KOENIGSBOURG
Etude de l’affleurement : Le grès vosgien. Cette formation est constituée de bancs épais de 0,50 à 6 m de grès durs, feldspathiques, dont la
couleur est généralement rouge clair à brun, parfois jaunâtre, même blanchâtre. Les grains de quartz bien roulés, la plupart du type émousséluisant d'un diamètre moyen de 0,25 mm, sont plus ou moins bien cimentés par une matrice siliceuse et ferrugineuse. Des lentilles ou petits lits
d'argile rouge de quelques centimètres d'épaisseur sont stratifiés dans la masse ainsi que des galets de quartz blanc et de quartzites gris ou noirs
(lydiennes). Les surfaces horizontales des bancs présentent parfois de beaux ripple-marks, des traces de gouttes de pluie et des polygones de
dessication. Le Grès vosgien fournit ailleurs un excellent matériau de construction (programme de 1S - ressources).
L'épaisseur du Grès vosgien, est en moyenne de 200 m, mais on constate une diminution progressive du Nord (feuille Molsheim : 250 m au
Heidenkopf) au Sud (feuille Colmar : 180 m au Taennchel).
a/ Positionner l’affleurement sur la carte géologique page 2.
b/ Sur la photo, noter l’orientation, tracer les limites des bancs, le litage oblique, les traces de galets mous. Entourer des
lacunes rectangulaires.
c/ Que représente un banc de grès ? En déduire la famille de la roche. Chacun représente un banc d'alluvion déposé au
fond de l'eau. Il s'agit donc d'une roche issue d'une accumulation de sédiments, une roche sédimentaire.
d/Que montre :- l'alternance de niveaux riches en galets et de niveaux à plus faible granulométrie ?
La variation de la granulométrie traduit des variations de la compétence du courant c'est à dire que selon les moments il
était plus ou moins fort et pouvait apporter des alluvions plus ou moins grossiers.
- la présence de «galets mous » ?
Des niveaux plus altérables de grès argileux se trouvent parfois intercalés entre les bancs de grès. La sédimentation de ces particules
plus fines témoigne de la présence d’eaux calmes situées à l’écart des chenaux actifs. Elles avaient une existence temporaire qui est
attestée par la fréquence des dessiccations. Lors d’une crue, les niveaux argileux étaient aisément fragmentés par les courants. Ils
sont à l’origine des galets mous de couleur rouge sombre à brun, emballés dans les bancs de grès. On retrouve également dans la
plupart des couches des galets argileux intraformationnels polyédriques provenant de dépôts de flaques démantelés par
dessiccation et remaniement. Aujourd’hui soumis à l’affleurement ils s’érodent rapidement et laissent des lacunes rectangulaires
dans la roche.
- l’absence de fossile ?
Les changements rapides du courant et de la position des chenaux actifs ont fait que la vie n'a pas pu s'installer de façon
pérenne.
e/ A l'aide des documents ci-dessous, retrouver et expliquer la direction probable du courant donnée par cette strate.
Comme l'illustre la première image, le courant permet l'accumulation de dépôts en formant des bancs, des rides. Le
pendage de la stratification oblique donne le sens du courant. Avec d'autres marqueurs de sédimentation les géologues
ont reconstitués le sens du courant qui allait de W-SW en E-NE. Le matériel détritique constituant les dépôts provient de
l’érosion de reliefs hercyniens situés à l’W de l’actuel bassin parisien, en Bretagne et au Nord Est du Canada alors soudé
à l’Europe.
5
Etude de la roche :
f/ En frottant deux échantillons de grès rose, la poudre formée est
blanche. A l'aide de la photographie d'une lame mince de grès
observé au MO (ci-contre), expliquer l'origine de la couleur du grès
vosgien.
La roche est formée de grains de quartz, blancs, relativement bien
arrondis et cimentés par un ciment siliceux et riche en oxyde de fer.
Le ciment enrobe les grains de quartz et donne sa couleur "rouille" à
la roche. (l'oxyde de fer représente moins d'1% du poids de la roche).
g/ Une analyse fine à la loupe binoculaire a montré que les grains
composant les grès vosgiens sont luisants (non mats). A l'aide du
document ci-dessous et de la lame de grès, proposer un mode de mise en place de la roche.
L'analyse morphoscopique est l'examen de la forme et de l'aspect des grains. Elle permet la recherche de la nature de l'agent
de transport donc d'usure des grains.
On répartit les grains en 3 grandes catégories :
- N.U. grains non usés, transparents ou colorés, anguleux ont subi
un faible transport
- E.L. grains émoussés luisants, ont des arêtes estompées par un
transport hydrique et relativement long
- R.M. grains ronds mats sont dépolis et arrondis par un transport éolien
Les grains de quartz sont de type "émoussés luisants". Cela illustre un transport par l'eau relativement long.
L’homogénéité de la granulométrie montre également un trajet long. Le dépôt s'est donc fait à plusieurs centaines de
km de la source.
g/ D’après l'ensemble des informations relevées, le paysage de notre région au trias était probablement :
a- Un océan profond
b- Un delta
c- Une région désertique avec des dunes
d- Une forêt tropicale
e- Un lac
f- Une chaîne de montagne relativement haute
Le grès vosgien permet donc de reconstituer un paysage de large plaine d'épandage deltaïque dépourvue de
végétation, et donc essentiellement soumise aux caprices des vents, parcourue par des chenaux en tresse. Les chenaux
de ce type se caractérisent par une grande largeur par rapport à leur profondeur, leur division en nombreux bras
séparant des îles temporaires, et leur propension à des divagations fréquentes et désordonnées.
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ARRET 3 : BERGHEIM - CARRIERE DU KANTZLERBERG
Vue d’ensemble de la carrière
a/ Orienter et décrire précisément l'affleurement et les roches qui s'y trouvent.
L'élément le plus frappant de cette carrière est la présence d'un très beau contact anormal situé au niveau d’une faille
qui présente un pendage de 45° d'est en ouest. Elle sépare :
- à l’ouest, le conglomérat (des galets de calcaire oolithique du Bajocien et de calcaire du Muschelkalk, des
galets de grès triasique, pris dans une matrice argilo-sableuse), dont les éléments présentent une hétérométrie ce qui
traduit des dépôts de torrents situé à proximité de la source,
- à l’est, le calcaire oolithique blanc à patine ocre. Ce calcaire fortement fracturé renferme de nombreux restes
de fossiles (bivalves, crinoïdes, oursins). Certains plans de fracturation présentent des stries horizontales témoins de
mouvements tangentiels qui s'ajoutent aux mouvements verticaux dus à l'effondrement du fossé.
Dans la partie contiguë à la faille, le calcaire oolithique montre des dissolutions et des formes karstiques.
b/ Quel est l’âge de la « grande oolithe» et quelles sont les conditions de sa mise en place ?
« La Grande Oolithe » date du Bajocien supérieur (-178 Ma à – 170 Ma), elle présente des
strates redressées presque à la verticale et des bancs décimétriques à métriques,
découpés en blocs. Ce découpage est lié à la tectonique du Tertiaire. Les restes de la vie
animale marine se déposent petit à petit sur le fond de la mer. Dans les courants marins,
des petits grains de sable ou morceaux de coquille roulent au fond de l’eau et se couvrent
doucement de calcaire (un peu comme une boule de neige qui grossit en roulant). Cela
forme des petites billes de calcaire de 1 à 2 mm que l’on appelle des oolithes (oolithe vient
du grec ôon qui signifie « oeuf » et lithos qui signifie « pierre ». La cimentation de ces
oolithes par de la calcite (minéral du calcaire) donne le calcaire oolithique.
c/ Quel est l’âge du conglomérat et quelles sont les conditions de sa mise en place ?
Il est daté du Lattorfien, début de l’Oligocène (-34 Ma à -23 Ma),
Les conglomérats obéissent au principe de la sédimentation inverse : les niveaux les plus récents contiennent des galets de matériel
le plus ancien. Les galets sont d'origine torrentiel, fluviatile, plus ou moins arrondis (certains pas du tout), de taille variable (du mm
au m) ; mal triés, ils comprennent toute la gamme des terrains anté-bathoniens (cependant les galets de socle y sont rares).
Les conglomérats dits "côtiers" et les marnes interstratifiées sont les produits grossiers du démantèlement de la couverture
sédimentaire qui recouvrait complètement les Vosges (et la Forêt Noire). Ils témoignent de l'érosion active des reliefs proches (à
l'Ouest) consécutifs à l’effondrement du fossé. Les sédiments détritiques sont transportés par des cours d’eau qui ont entaillé
profondément le relief en formant des canyons et se déversent, mal triés, dans le fossé en formant des "fan delta". La
sédimentation devient de plus en plus fine au fur et à mesure qu’on s’approche du centre du fossé
d/ Tracer sur la photo de l'affleurement l'accident principal (la faille). Quel est son pendage et son fonctionnement ?
Il s'agit d'une faille normale qui a un pendage d'environ 45°.
e/ Noter la position de la carrière sur la carte géologique (page 8)
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Extrait de la carte géologique (BRGM) de Colmar au 1/50000ème
Bloc-diagramme du Champs de fracture de Ribeauvillé (d’après Sittler)
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f/ A l'aide de vos réponses précédentes et des
documents, expliquer le contact anormal entre les
deux roches. Autrement dit, expliquer la présence de
galets de calcaire oolithiques jurassiques et de grès
dans des roches oligocènes (tertiaires).
C’est un contact anormal c'est-à-dire que les roches,
de part et d’autre du contact, ne se sont pas
déposées ainsi à l’origine.
L’extension au tertiaire a provoqué la fracturation
des roches et la formation de failles normales, d’un
rift et donc d’une dépression au centre. L’érosion sur
les reliefs les plus hauts a entrainé les débris de
roches vers la dépression, plus à l’Est ici. Les cônes
alluviaux se sont donc déposés sur les compartiments affaissés, relativement préservés de l’érosion. Sur les collines
sous-vosgiennes on retrouve donc la série sédimentaire complète du secondaire surmontée des dépôts tertiaires
composés d’un conglomérat fait à partir du décapage de la série sédimentaire située plus haut.
g/ Positionner l’affleurement sur la reconstitution de notre région à l'oligocène (document ci-dessous).
h/ L'histoire cénozoïque de notre région est marquée par la formation d'un fossé d'effondrement. En quoi est-ce que
cet affleurement constitue un argument sédimentaire de sa mise en place et permet de dater l'événement ?
La subsidence importante du fossé durant l’éocène et l’oligocène permet la mise en place de reliefs abruptes de
chaque côté du fossé. Les eaux de pluie y descendent en torrents qui charrient des blocs de roche de la couverture
secondaire (Grès et marnes du Trias, Calcaires oolithique du jurassique). Réciproquement, ces dépôts de torrent
comptent donc comme autant d’indices sédimentaires permettant de dater l’effondrement du fossé.
(Un peu plus tard à l’oligocène, le lessivage des dépôts triasiques et de ses niveaux salés du Keuper augmente la salinité
des eaux du fossé. Associé à un climat devenu plus aride, cela favorisa le dépôt de potasse et de sel gemme.)
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ARRET 4 : VISITE DE LA MINE GABE GOTTES OU SAINT LOUIS
Les filons de Sainte-Marie sont exceptionnellement riches en minéraux différents. Plus de 150 espèces de minéraux ont été
recensées dans les filons, ce qui fait de Sainte-Marie-aux-Mines un site mondialement connu pour sa richesse minéralogique.
On cherche à comprendre comment l’histoire géologique de la région de Sainte Marie aux Mines a permis la mise en place de filons
de minerais exploités par l’homme.
I. Etude de la roche dans laquelle le minerai est trouvé.
a/ Situer sur l’extrait de carte géologique, la mine Saint Louis ou Gabe-Gottes à proximité et préciser la nature de la
roche qui affleure. Repasser en une couleur le trajet du bus et en une autre couleur le filon de la mine St Louis.
Extrait simplifié d'une carte des filons de Sainte Marie aux Mines (1cm = 500 m)
b/ Observez la roche et notez ses caractéristiques macroscopiques : cohérente ou
meuble, minéraux visibles ou pas, taille, nombre, nature, organisation de ces
minéraux.... Présence ou non de fossiles.
C'est une roche contenant du quartz, du mica, des plagioclases du feldspath
alcalin, tous suffisamment gros pour être identifiés à l'œil nu. La foliation est
marquée par l'alternance de petits lits clairs constitués principalement de quartz,
de plagioclases et de feldspath, et de fins niveaux plus sombres, micacés avec la
présence éventuelle d'amphiboles. On observe parfois un minéral de couleur lie
de vin, globulaire, du grenat.
c/ Notez grâce au document 2 les caractéristiques microscopiques de la roche :
cristallisation totale ou présence d'un verre, organisation et tailles des minéraux.
La roche est entièrement cristallisée on remarque à cette échelle aussi
l’orientation préférentielle des minéraux qui sont relativement allongés.
d/ En tenant compte des minéraux constitutifs de la roche et du diagramme de pression – température du document 3,
indiquez dans quelles conditions de P/T s’est trouvée la roche.
La roche contient du grenat, cela signifie que la roche est passée au cours de son histoire dans des conditions MT-HP
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e/ A quelle famille appartient cette roche ?
C’est une roche Métamorphique (facies schiste bleu)
Document 3 : Diagramme pression – température
La plupart des minéraux ne sont stables que dans des
conditions bien définies de pression et de température. Quand
une espèce minérale n'est plus stable, elle réagit avec des
minéraux voisins pour former de nouveaux minéraux. Des
études au laboratoire permettent de connaître, pour chaque
espèce minérale, sa zone de stabilité. Il est donc possible de
déduire les conditions de pression et de température qui ont
été subies par une roche actuellement à l'affleurement à partir
de sa composition minéralogique.
Des minéraux formés en profondeur peuvent être préservés
lors du retour en surface, soit parce qu'ils n'ont pas le temps
de subir les transformations minéralogiques correspondantes,
soit parce que certaines réactions sont irréversibles.
f/ Tracer le trajet pression-température-temps de la
roche sur le document 3.
II/ Contexte tectonique et mise en place du minerai
- Un filon est une cassure de la croûte terrestre, remplie de minerai. De façon simplifiée, on peut dire que le minerai est une roche contenant
un ou plusieurs métaux (minerai de fer, minerai de plomb...) dont l’abondance justifie l’exploitation.
- Les filons de Sainte-Marie-aux-Mines se sont formés à l’ère tertiaire (il y a entre 65 et 1,64 millions d’années) lors de la formation du fossé
rhénan.
- Dans le district de Sainte-Marie-aux-Mines, les filons étaient en général verticaux ou presque, très étroits, allant de quelques centimètres
à 1 mètre maximum de largeur. Par contre, ils pouvaient atteindre des hauteurs de 200 à 300 mètres.
- L’eau chauffée et sous pression est capable d’arracher des éléments à une roche et de les déposer plus loin en concentrant certaines
substances.
Document 4 : Origine des filons de minerai
g/ A partir de ces informations et du I/, donnez
les grandes étapes de l'histoire géologique de
Sainte Marie aux Mines et proposez un
scénario de formation des filons de minerai.
1- Des roches se sont mises en place au début
du primaire.
2- Elles ont été métamorphisées vers -340Ma
au cours de l’orogénèse hercynienne.
3- Au cours du tertiaire, vers -25 Ma des forces
distensives, sans doute liées à la subduction de
l’océan alpin, ont repris les zones de faiblesse
hercynienne pour former des failles normale et
créer un début de rifting.
4- les fractures dans les roches du socle ont
permis la circulation de fluide, de dissolutiontransport-dépôt de différents minéraux et
éléments chimiques. Certaines zones de faille se sont alors remplies de ces dépôts. (Lors des mouvements du socle, lors
des séismes, ont crée de rapides et fortes dépressions qui entrainent des précipitations de minéraux)
Document 5 : Schéma du contexte tectonique de l’Alsace au Tertiaire (-65 à – 1,64 Ma) :
III/ L’exploitation du minerai par les mineurs
h/ Quand la mine Saint Louis a-t-elle été exploitée ? i/ Comment les mineurs réussissaient-ils à creuser les galeries ?
j/ Quels sont les principaux minerais exploités ?
Bilan : A partir d’exemples de la sortie, présentez, dans le cadre de la tectonique des plaques, les évènements
géologiques qui ont du se succéder pour aboutir à la mise en place de ressources exploitables par l’Homme.
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