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Les Appalaches
1 LE CYCLE DE WILSON
1.1 Le cycle
Avant d’envisager proprement dit l’histoire géologique des Appalaches, permettez-moi de faire une légère
digression pour présenter quelques rappels au sujet du cycle de Wilson dont la formation des Appalaches est un
parfait exemple. Le cycle de Wilson décrit les étapes successives de la tectonique des plaques au cours desquelles
un supercontinent se fracture puis se reconstitue.
Figure 1 : Présentation du cycle de Wilson.
1.2 Description
Reprenons les étapes du cycle de Wilson, quelque peu adapté à l’histoire de la formation des Appalaches (
Figure 2).
Figure 2 : Etapes du cycle de Wilson de séparation et reformation d’un supercontinent
- Etapes A et B : Séparation des continents
Un supercontinent est formé (Etape A)
Par convection du magma sous ce supercontinent, il y a apparition d’un point chaud et fusion des roches
profondes sous ce continent. La formation de ce point chaud s’accompagne également d’un gonflement qui se
propage vers la surface en amincissant la croûte continentale, puis en la fracturant.
Finalement il y a scission du supercontinent en deux blocs distincts : c’est un rift.
- Etapes C et D : Expansion océanique
Le rift s’est élargi. L’eau a pu pénétrer au cœur du rift : c’est la naissance d’un nouvel océan. Au niveau de la
dorsale médio-océanique qui vient remplacer le rift, il y a en permanence apport de basalte et formation
d’ophiolites. Cet apport continuel contribue à éloigner davantage les deux continents : il y a expansion océanique.
- Etape E : Subduction
En s’éloignant de la dorsale médio-océanique, la croûte océanique se refroidit, s’épaissit et, sous son propre poids,
commence à plonger dans l’asthénosphère, démarrant ainsi un processus de subduction. Dans le cas de la
formation des Appalaches, la zone de subduction est apparue au cœur de l’océan Iapetus, proche du continent
Laurentia.
Un arc insulaire se forme sur la plaque chevauchante à la verticale de la zone de fusion partielle de la plaque
subductante. Entre le continent et l’arc insulaire, se forme un bassin après arc.
Sous l’effet de la subduction, les deux continents commencent à se rapprocher.
- Etape F : Obduction
La subduction se poursuit, et le continent de la plaque subductante entre en collision avec l’arc insulaire. L’arc
insulaire et les ophiolites avant et/ou après arcs sont déformés, fracturés puis sont chariés sur le continent : il y a
orogenèse d’une chaîne de montagnes. Les roches de l’arc insulaire et des ophiolites sont métamorphisées : c’est
le phénomène d’obduction.
- Etape G : Erosion et subduction
L’érosion rabote les reliefs de la nouvelle chaîne de montagne et alimente l’océan en grandes quantités de
sédiments continentaux, en particulier en contrebas du plateau continental.
La subduction qui se poursuit de l’autre côté de l’océan continue à rapprocher les deux continents primaires.
- Etape I : Collision
Le second continent entre en collision avec le premier. Il y a à nouveau orogenèse d’une chaîne de montagnes et
création d’un nouveau supercontinent.
2 LA FORMATION DES APPALACHES
La formation des Appalaches est longue et complexe : d’ailleurs nous n’en connaissons pas les origines
exactes et leur première orogenèse demeure encore inconnue. Sous l’effet des orogenèses et érosions postérieures,
il est en effet souvent difficile de pouvoir exploiter le peu de roches anciennes qui sont d’une part restées en place
et d’autre part restées en l’état, sans subir de métamorphisme par exemple.
Toutefois, la formation des grenats d’Asbestos et Thetford mines, ont une histoire plus récente et sont les
conséquences d’événements mieux définis.
2.1 Période archéenne (- 4 000 Ma, -2 500 Ma)
Le continent nord américain est la représentation physique de la plaque tectonique Laurentia. Il repose sur
un noyau continental appelé bouclier canadien, qui fait partie des roches les plus anciennes de notre planète. Ce
bouclier date en effet de la période archéenne, il y a quelques 4 016 Ma.
Figure 3 : Cartes géologiques simplifiées de l’Amérique du nord (présentation du bouclier canadien) et du Québec
2.2 Protérozoïque ( - 2 500 Ma, -640 Ma)
Tout au long des périodes archéenne et protérozoïque, pendant plus de 2 000 Ma, l’épaisseur de la croûte
terrestre a considérablement augmenté. Et l’ensemble archéen-protérozoïque occupe l’ensemble de la masse
continentale de Laurentia, excepté la zone des Montagnes Rocheuses.
La façade sud-est du continent Laurentia est constituée par des roches datant du protérozoïque supérieur (-1 300 à
-1000 Ma) : il s’agit de la chaîne de GRENVILLE. Elle est constituée de roches métamorphiques, qui sont en fait
le reliquat de l’érosion d’une haute chaîne de montagne.
Nous ne connaissons pas l’origine de la formation de cette chaîne de GRENVILLE. Toutefois, à la fin du
protérozoïque, elle était coincée entre les boucliers nord-américain et sud-américain.
2.3 Cambrien (-640 Ma)
A la fin du Protérozoïque, les différentes masses continentales étaient rassemblées en un unique
supercontinent, appelé Rodina.
Au Cambrien, différents points chauds sont apparus sous ce supercontinent qui ont entrainé l’apparition de rifts
continentaux, puis séparation de différentes masses continentales.
La séparation des continents Laurentia et Baltica a ainsi permis l’ouverture d’un nouvel océan, appelé océan
Iapetus (- 460 Ma), puis son expansion sous l’effet de l’action d’une dorsale océanique.
Figure 4 : Histoire de la formation des Appalaches
A- Formation d’un point chaud accompagné de la formation d’un rift
Au cours de cette expansion océanique, des sédiments se sont déposés sur la nouvelle croûte. Avec en particulier,
sur le plateau continental du Laurentia, dépôts de sédiments d’eau peu profonde : sables, boues, calcaires ainsi que
les restes fossilisés des organismes vivants à cette époque. Plus au large, au pied du talus continental, sont venus
s’entasser des quantités phénoménales de sédiments issus de l’érosion de la chaîne de Grenville.
Figure 5 : Histoire de la formation des Appalaches
B- Le rift est envahi par l’eau – Création et expansion de l’océan Iapetus
2.4 Ordovicien – (-510 Ma, – 450 Ma)
Au cours de cette période, le long de la dorsale médio-océanique de l’océan Iapetus, il y a eu formation de
séquences ophiolitiques. Le séquences en affleurement au Québec aujourd’hui, se sont mises en place à l’état
solide au cours de l’ordovicien inférieur (Laurent 1975).
L’expansion de l’océan Iapetus a atteint son apogée à la fin du cambrien, il y a – 510 Ma. Le déplacement du
continent Baltica s’est alors inversé sous l’action d’une ligne de subduction, apparue proche du continent
Laurentia. Les deux continents ont commencé à se rapprocher.
Figure 6 : Histoire de la formation des Appalaches
C- Apparition d’une zone de subduction au large du continent Laurentia
Formation d’un arc insulaire et d’un bassin arrière arc
Cette subduction a engendré un arc insulaire volcanique dont les vestiges sont toujours visibles dans les
Appalaches du Québec.
Pendant ce temps, les péridotites du manteau supérieure se transforment en harzburgites et en dunite : c’est le
phénomène de serpentinisation des couches inférieures de la séquence ophiolitique.
Il est à souligner que c’est la plaque océanique occidentale (côté Laurentia) qui est venue s’enfoncer sous la
plaque océanique orientale (côté Baltica).
Ainsi, à la fin de l’ordocivien (-450 Ma), l’arc volcanique se trouvait au sud-est de la zone de la fosse de
subduction et se déplaçait vers le nord-ouest, jusqu’à entrer en collision avec le continent Laurentia. Il y a eu alors
obduction : le complexe sous-marin, constitué des sédiments arrière arc (sédiments d’eau peu profonde, fossiles
de la faune et de la flore, sédiments de l’érosion de la chaîne de Grenville) ainsi que des sédiments volcaniques
provenant de l’arc insulaire, ont été poussés, élevés sur le plateau continental de Laurentia et déformés. C’est
l’orogenèse de la chaîne taconienne.
Figure 7 : Histoire de la formation des Appalaches
D- orogenèse taconienne
L’obduction de la chaîne taconienne a principalement eu lieu le long d’une grande zone de décollement, la faille
Logan en rouge épais ci-dessus. Ces sédiments marins sont venus se poser, à l’ouest, sur la plateforme du St
Laurent qui n’a pas été déformée.
Cambrien supérieur - 514 Ma
Ordovicien moyen -458 Ma
Silurien moyen -425 Ma
Dévonien supérieur -390 Ma
Carbonifère inférieur – 356 Ma
Cabonifère supérieur -306 Ma
Figure 8 : Evolution des continents en fonction des époques géologiques
présentation du niveau des océans, et de la végétation - cartes de Scortese
2.5 Silurien – (-450 Ma ,– 420 Ma)
Au Silurien la côte orientale du Québec était située autour du 25° de latitude nord, en zone tropicale. C’est
pourquoi s’est développée sur le plateau continental, une grande barrière de récif produisant de grande quantité de
calcaire.
Iapetus était au Silurien un océan étroit entre Laurentia et Baltica. La faible élévation de la chaîne taconienne a
permis une érosion rapide due à l’agression des pluies tropicales, qui, couplées à un enfoncement tectonique, a
amené un envahissement progressif de la mer. Il s'est donc développé, entre Laurentia et Avalonia, un bassin
marin qui a reçu durant tout le Silurien et une grande partie du Dévonien, les sédiments provenant de l'érosion de
la jeune chaîne taconienne et du continent Laurentia, ainsi que des épanchements volcaniques probablement dus à
une zone de subduction au large de la chaîne taconienne.
Figure 9 : Histoire de la formation des Appalaches
E- fermeture du bassin avant arc lors du rapprochement entre Laurentia et Avalonia.
2.6 Dévonien – (- 400 Ma, – 360 Ma)
C’est à cette période qu’intervint la collision entre Laurentia et le microcontinent Avalonia qui est à
l’origine de l'orogenèse acadienne. Cette orogenèse marque une deuxième phase cruciale dans la formation des
Appalaches.
Au nord des Appalaches actuelles, se forme une chaîne avec des intrusions granitiques (par exemple en
Gaspésie) ; puis cette région a subi une forte érosion. Au sud, l’arc insulaire et terrane d’Avalonia (Terre-Neuve,
Nouvelle-Écosse et Nouvelle-Angleterre) entre en collision avec Laurentia, comblant la partie ouest de l’océan
Iapetus.
Figure 10 : Histoire de la formation des Appalaches
F- orogenèse acadienne
Au cours de cette obduction, une partie de la croûte océanique formée de séquences ophiolitiques, a été charriée
avec des sédiments et des éléments volcaniques, sur le continent Laurentia. Ces séquences ophiolitiques ont subi
l’intrusion de roches felsiques au cours de cette obduction qui ont conduit à la rodingitisation partielle des
serpentines avec pour principal attrait, la formation des grenats hessonite du Québec.
Il est à noter que Church (1987) qui a étudié les ophiolites de Thetford Mines, Oshin et Crockett (1987), puis
Laurent et Hébert (1989) parviendront tous à la conclusion que la formation et la localisation des ophiolites de
Thetford mines et Asbestos, sont originaires d’une ancienne croûte océanique avant-arc, donc très au large, mais
qu’un décrochement a propulsé ces ophiolites en position arrière-arc.
En revanche, ces auteurs ainsi que Harnois et Morency (1989), ont démontré que l’ophiolite d’Orford, plus au
sud, est bien d’origine arrière-arc.
Aux alentours de -340 Ma, la course des continents du sud-est vers le nord-ouest se poursuit et le supercontinent
Gondwana entre en collision avec l’ensemble Laurentia+Avalonia, avec pour conséquence la formation de la
chaîne des Mauritanides. C’est l’orogenèse hercynienne.
2.7 Carbonifère – (-310 Ma, -250 Ma)
L'orogenèse alléghanienne constitue l’ultime phase orogenique de formation des Appalaches. Le
Gondwana, plus précisément le nord-ouest de l'Afrique actuelle heurte la Laurasia, dans le processus de formation
de la Pangée au Permien-Pennsylvanien. Cela provoqua l'élévation du cœur métamorphique des Appalaches, la
formation de failles et du métamorphisme induit.
L'érosion continue de produire d’importantes quantités de sédiments qui se déposent dans la mer peu profonde
située à l'ouest des Appalaches.
Figure 11 : Histoire de la formation des Appalaches
G- Formation du supercontinent Pangée accompagnée de l’orogenèse alléghanienne
2.8 Et après…
C'est au Jurassique que la Pangée a commencé à se fragmenter. La fracture qui a séparé l'Afrique de
l'Amérique s'est faite dans les Mauritanides.
Avec l'ouverture de l'Atlantique, des morceaux de ces Mauritanides - certains disent des morceaux du Maroc sont restés accrochés à la masses continentales américaine. La Floride en est un exemple, ainsi que la moitié sud
de la Nouvelle-Écosse.