Morphologie lithologique : Le Modelé des Roches Magmatiques A - Reliefs associés aux roches plutoniques Comme pour les roches carbonatées, composition chimique et structure vont guider les formes du relief réalisées dans les pays cristallins-cristallophylliens, ce type de roches affleurant sur les grandes surfaces correspondant aux racines érodées (pénéplanées) des anciennes chaînes de montagne. Elles sont d'âge paléozoïque (chaîne hercynienne) pour le sol français métropolitain et il s'agît de la Chaîne hercynienne. Les processus de météorisation dont découle la morphologie lithologique dépendent directement de la composition chimique des matériaux. Les roches magmatiques étant des roches résultant de l'association de minéraux silicatés de natures diverses [quartz, feldspaths alcalins et/ou calco-sodiques, ferro-magnésiens divers (biotite, amphiboles, pyroxènes)], le mécanisme de météorisation majeur sera bien évidemment l'hydrolyse. L'action de cette hydrolyse sera bien évidemment différentielle, l'altérabilité des différentes espèces minérales silicatées n'étant pas la même face au processus de météorisation. En outre, au sein d'un complexe de roches magmatiques, les proportions relatives des différentes espèces minérales ne sont pas constantes et une zone plus riche en minéraux ferro-magnésiens (biotite, par exemple) sera météorisée nettement plus vite qu'une zone essentiellement quartzo-feldspathique. Pour ce qui relève de la morphologie structurale, c'est à la fracturation, au sens large, que reviendra le rôle majeur. Deux types de fractures peuvent être envisagées : failles, plans de perte de cohésion s'accompagnant d'un glissement des volumes rocheux l'un par rapport à l'autre (faille : fracture avec déplacement) ; diaclases (ou joints), plans de perte de cohésion sans déplacement (diaclase : fracture sans déplacement). Les failles joueront un rôle essentiellement à l'échelle du paysage (macromodelé) ; les diaclases, plus nombreuses et plus denses, auront un rôle fondamental à l'échelle de l'affleurement (micromodelé). Front de carrière dans une exploitation de granite (granulats) Granite du Sidobre (Massif Central, Tarn, France) Diaclases parcourant le massif rocheux De loin, on croit lire une stratification.... et on peut penser avoir affaire à une roche sédimentaire.... Photographie P. Elouard Front de carrière dans une exploitation de granite (granulats) Granite du Sidobre (Massif Central, Tarn, France) L'interprétation de la photographie ci-dessus met en relief les différentes familles de plan de fracture (diaclases) affectant le massif rocheux. Leurs géométries d'orientation différentes individualisent des polyèdres, empilés les uns sur les autres. Le massif rocheux est structuré comme une "boîte de sucres", chaque polyèdre correspondant à un "morceau de sucre". Photographie P. Elouard L'importance de la fracturation dans la météorisation des calcaires et des roches endogènes découle du fait qu'il s'agit dans les deux cas de roches cohérentes, imperméables en petit. C'est la fracturation qui va développer une perméabilité en grand dont la conséquence est une multiplication des surfaces soumises à l'action agressive du solvant qu'est l'eau. Importance de la fracturation dans la météorisation des granites. Elle favorise la multiplication des voies de pénétration et l'augmentation des surface de "corrosion". Cette "corrosion" par l'eau est évidemment plus intense à l'intersection des plans de fracturation. Le mécanisme de météorisation est l'hydrolyse (voir plus loin). Les produits dérivant de cette altération, après transport, donnent naissance aux roches détritiques terrigènes (roches silico-clastiques). In Eléments de Géologie (1989), Pomerol C. et Renard M. Armand Colin édit., Paris, 9ème édit., 616 p. A.1. Rappel sur l'hydrolyse (voir ANNEXE 1) Les roches plutoniques (granites et roches apparentées) peuvent être pris comme exemple de roches à fort résidu d'altération. Ces roches sont soumises à l'hydrolyse, mécanisme chimique fondamental de la dégradation des roches formées de silicates (péridots, pyroxènes, amphiboles, micas, feldspaths, quartz). L'hydrolyse consiste en un échange de cations entre l'eau et le réseau cristallin des silicates. En fonction de la structure et de la composition chimique de ces derniers, il y a une altérabilité différentielle des silicates. Séquence d'altérabilité des silicates les plus courants des roches endogènes. En présence d'eau, le comportement des différents cations dépend essentiellement du rapport valence/charge ionique (potentiel ionique). Les cations solubles sont principalement K, Na, Ca, Mg. Par contre, Fe3+ , Al sont très peu solubles et vont précipiter en milieu aqueux. InGéomorphologie structurale (2001), Peulvast J.-P. et Vanney J.-R. Gordon and Breach Sciences Publishers, Paris, 505 p. Surface naturelle d'un granite soumis à l'hydrolyse Les divers composants minéralogiques ne présentant pas la même susceptibilité face au phénomène d'altération, il y a une mise en relief des minéraux les moins sensibles (quartz, feldspaths potassiques) alors que les zones riches en ferromagnésiens (biotite) en en feldspaths plagioclases sont altérées plus vite, correspondant aux zones en creux. Surface naturelle d'un granite soumis à l'hydrolyse Certains quartz sont à la limite du déchaussement, prêts à alimenter le gore s'accumulant au pied de l'affleurement. Les feldspaths, altérables plus lentement que les feldspaths plagioclases, sont également en relief. Les zones entourées d'un pointillé jaune sont des zones riches en biotite et feldspaths plagioclases de petite taille. Altérés plus rapidement, ces minéraux y ont été transformés en argiles, facilement évacuées par les eaux de ruissellement (zones en creux). Les conditions favorisant l'hydrolyse sont : une importante fracturation ; des températures élevées et des précipitations abondantes ; un couvert végétal bien développé, produisant acides humiques et CO2 augmentant le pouvoir hydrolysant de l'eau). En raison de ces conditions, la qualité érosive de l'hydrolyse va dépendre des climats. Hydrolyse et climats : nature minéralogique (intensité de l'hydrolyse) et épaisseur du manteau d'altération en fonction de la latitude (température, pluviométrie, végétation). In Eléments de Géologie (1989), Pomerol C. et Renard M. Armand Colin édit.,Paris, 9ème édit., 616 p. A.2. Reliefs des roches plutoniques selon les zones climatiques A.2. a - Micromodelés (échelle de l'affleurement) En climat tempéré humide (Massif central, Vosges), le quartz et la muscovite du granite sont inaltérables. La biotite et les feldspaths s'hydrolysent en une série de minéraux argileux (dont l'illite). Le granite hydrolysé s'effrite ainsi en un sable argileux (= gore, puis arène granitique). Même si l'altération des silicates reste peu poussée, l'action de cette hydrolyse demeure prépondérante dans le démantèlement du granite : elle favorise la désagrégation mécanique et le déchaussement des minéraux résistants en fragilisant la cohésion des cristaux entre eux. Granite de Royat (Puy-de-Dôme, France) Substratum du plateau arverne, horst supportant la Chaîne volcanique des Puys. Massif rocheux présentant différentes familles de diaclases, surfaces de fracturation propices à la pénétration de l'eau et facilitant le travail d'altération de l'hydrolyse. Photographie J-P Bourseau Granite de Royat (Puy-de-Dôme, France) Substratum du plateau arverne, horst supportant la Chaîne volcanique des Puys. Le coeur des polyèdres définis par les surfaces de diaclases présente une roche encore saine. Certains commencent à acquérir la forme d'une boule. L'auréole plus brune qui ceinture la boule de droite est une zone fortement hydrolysée. Faiblement cohérente, mécaniquement désagrégeable, le ruissellement peut aisément la démanteler en ses dives constituants : agrégats polycristallins, grains de quartz détritiques, feldspaths en voie d'altération, Photographie J-P Bourseau Granite de Royat (Puy-de-Dôme, France) :Substratum du plateau arverne, horst supportant la Chaîne volcanique des Puys. Le ruissellement actif dans ce secteur provoque l'ablation des argiles, donc la désagrégation mécanique de la zone hydrolysée, l'exportation des grains qui compose, leur transport vers une zone de sédimentation. Ce ruissellement permet égalementla poursuite du processus d'altération. Photographie J-P Bourseau __________________ Nota Bene : pour certains auteurs, gore et arène granitique sont synonymes. Ils décrivent les produits de démantèlement, par hydrolyse et désagrégation mécanique, d'une roche endogène, qu'elle soit d'origine métamorphique ou magmatique plutonique. Il s'agit donc d'une association d'agrégats polycristallins (petits fragments de roche), de grains plus ou moins usés de quartz et/ou de fragments de cristaux de feldspaths en voie d'altération, emballés dans une matrice argileuse issue de cette altération. Pour d'autres, le terme d'arène est réservé aux produits de l'altération et de la désagrégation mécanique des roches magmatiques plutoniques. Elles sont plutôt claires et à dominante sableuse. Celui de gore est utilisé, quant à lui, pour décrire les produits d'altération des roches endogènes métamorphiques. Les gores se distinguent des précédentes par une plus grande richesse en phase argileuse secondaire qui résulte : d'une part d'une plus grande abondance en biotite dans ce type de roche ; d'autre part d'une faculté d'altération plus importante en raison de la présence de surfaces d'anisotropies (plans de foliation, schistosité) qui favorisent une meilleure pénétration de l'eau. Enfin, pour une dernière catégorie d'auteurs, l'arène granitique est un produit d'altération de roches endogènes (quelle que soit leur nature) débarassé de sa fraction argileuse par le ruissellement [gore = arène granitique + argiles héritées de l'hydrolyse]. Ce sera notre façon de concevoir ces deux termes. Massif granitique en voie de démantèlement - Un gore grossier empâte la surface météorisée du massif. Il en émerge localement de petites boules. En bas de pente, au pied de la surface météorisée (altération et désagrégation mécanique), un talus de fins éboulis se constitue. Le lessivage de cet ensemble, en extrayant les particules argiles, donnera une arène granitique. Photographie E. Debard __________________ Les masses de granite encore sain dégagées du gore par les eaux de ruissellement donnent des boules (altération en boules) à l'origine de chaos granitiques et des tors. Micromodelés en pays granitiques - Tor : relief ruiniformes réalisé par un empilement géométriques d'énormes blocs aux arètes émoussées. Ils résultent de l'altération de roches cristallines préferentiellement selon leurs diaclases. Ils reposent sur la roche saine de "dos de baleine". Chaos granitiques : ils correspondent à des amas de blocs arrondis (boules) déplacés par la gravité le long de versants, accumulés dans les points bas de la surface topographique et dégagés de leurs arènes par le ruissellement, principal agent d'altération. In Géomorphologie structurale (2001), Peulvast J.-P. et Vanney J.-R. Gordon and Breach Sciences Publishers, Paris, 505 p. Tor granitique littoral Ploumanac'h (Côtes d'Armor, Bretagne, France) Tor peu démantelé pour lequel les polyèdres du massif rocheux ont encore des faces assez planes. In Découvrir le patrimoine géologique de la France (2008). Géosciences, BRGM édit., Orléans, n° 7/8, 252 p. Tor granitique du Signal d'Uchon (Saône-et-Loire, Morvan, Massif Central, France) : tor fortement démantelé présentant simultanément des blocs rocheux polyédriques et des blocs aux formes plus arrondies, tendant vers le volume sphérique . In Découvrir le patrimoine géologique de la France (2008). Géosciences, BRGM édit., Orléans, n° 7/8, 252 p. Ce petit massif qu'il culmine à681 m est surnommé la « perle du Morvan ». Chaos de boules granitiques lavées, sans doute accumulées sur un point bas. In Histoire d'un grain de sable (1980). SERMAP édit.,Paris, diffusion Hatier. A.2. b - Macromodelés (échelle du paysage) C'est principalement le cas des pays à climat tempéré qui sera envisagé ici. A l'exception des formations volcaniques meubles, souvent très poreuses et de ce fait rebelles à la dissection (érosion linéaire), les roches magmatiques(silicatées) sont habituellement très peu perméables en petit. En raison de la pluviométrie et de l'imperméabilité évoquée précédemment, le ruissellement favorise une densité de drainage élevée. Cette caractéristique est partagée avec les roches endogènes métamorphiques (à l'exception des marbres et de certains quartzites qui présentent les comportements des roches sédimentaires carbonatées ou détritiques) . A titre d'exemple, pour ce qui concerne les granites, le rapport entre leur densité de drainage et celle des plateaux calcaires voisins peut varier de 4 à 1. Sous nos climats, ces fortes densités de drainage favorisent une érosion linéaire et un modelé de dissection qui se caractérise par une multiplication des vallons séparant des croupes modestes où l'érosion aréolaire va développer peu à peu les demioranges et ballons. Il existe cependant des nuances entre les différents types de granite et selon les caractères de leurs altérites : la densité est plus forte sur les faciès les plus altérables que sur les faciès les plus résistants pour les ensembles magmatiques du Bas-Léon (Bretagne). L'arène s'accumule dans les points bas, empâtant les vallées principales ; les sommets, quant à eux, sont adoucis. On obtient un relief mammelonné, à versants convexes vers le haut (coupoles, demi-orange, ballons ou dos-de-baleine lorsque le relief adouci s'allonge selon une direction privilégiée ; exemples : ballons des Vosges, Margeride dans le Massif central). L'exploitation de lignes de failles et de fractures contribue souvent à l'individualisation des dômes. Néanmoins, les vallées peuvent être étroites, encaissées surtout s'il y a reprise de l'érosion (prépondérance de l'érosion linéaire) dans le cas d'un rajeunissement des formes du relief (cas du bord oriental du Massif central à la suite du contre-coup tectonique de la mise en place des Alpes). Bloc-diagramme schématique montrant les associations de macromodelés (échelle régionale) caractéristiques des pays granitiques. C'est sous les climats tropicaux humides que coupoles et pains-de-sucre s'exprimeront morphologiquement le mieux. En climat tempéré, le macromodelé reste plus tenu. Ce bloc-diagramme souligne également l'importance de fracturation dans la structuration du paysage à l'échelle régionale. L'exploitation de lignes de failles et de fractures contribue souvent à l'individualisation des dômes. Les zones où les produits de démantèlement s'accumulent présenteront, quant à elles, les modelés observables dans les régions où affleurent les roches meubles et perméables. In Géomorphologie structurale (2001), Peulvast J.-P. et Vanney J.-R. Gordon and Breach Sciences Publishers, Paris, 505 p. Carte topographique de l'IGN à 1/50 000, Gérardmer (feuille n° XXXVI-18) : région des "ballons d'Alsace" (Vosges, France) - Les Têtes des Immerlins, celle des Faux sont des coupoles (des ballons, des demi-oranges) jalonnant un dos-de-baleine de forme complexe. La Ruine (Re)-du-Corbeau est un dos-de-baleine de faible extension. Paysage du Vivarais (Ardèche, France) - Haute-Ardèche, bordure orientale du Massif central. La ligne d'horizon correspond à la surface d'aplanissement tardi-hercynienne (Voir ci-dessous). Cette pénéplaine, en cours de rajeunissement suite au contre-coup tectonique résultant de la mise en place de la Chaîne alpine, présente des modelés d'échelle moyenne en dos-de-baleines et/ou demi-oranges (coupoles) assez caractéristiques. Une partie de l'érosion linéaire des cours d'eau est sous le contrôle des grandes fractures régionales. La trame de ces dernières favorise, puis met en valeur ce modelé de croupes multi-concaves. Photographie P. Elouard. S'il n'y a pas de réactivation du relief, on aboutit à la pénéplanation. Pénéplaine rajeunie (vue aérienne oblique) : Bordure orientale du Massif central (Sud-Est d'Aubenas, Ardèche, France). Il s'agit de la pénéplaine post-hercynienne individualisée à la fin de l'érosion de la chaîne paléozoïque hercynienne. Cette pénéplaine correspond à la surface plane qui constitue le plateau observable sur cette vue. Cette plénéplaine a été portée en altitude lors de la mise en place de la chaîne alpine (c'est la raison pour laquelle elle correspond actuellemement à un plateau dont l'altitude est de 800-900 m). Suite à ce contre-coup tectonique, il y a eu une reprise de l'érosion. Il s'en suit donc un rajeunissement des formes du relief, principalement lié à l'érosion linéaire active des cours d'eau descendant en direction de la vallée du Rhône. Sur cette vue, il s'agit du Chassezac. Photo IGN. Plus spécialement sous climat désertique, la pénéplaine reste parsemée de reliefs isolés (montinsule ou inselberg), parfois aux flancs abrupts, émergeant soit d'un glacis d'érosion, soit d'un glacis d'épandage. Algérie (Sahara, bordure occidentale du Hoggar, en limite du Tanezrouft). Inselberg (= montinsule) dans des gneiss du Précambrien - On noter la présence, sur certains secteurs de la partie basse des montinsules, d'un éboulis constitué de matériaux de granulométrie assez fine. Ces éboulis sont probablement alimenté par les produits de la désagrégation mécanique résultant de la thermoclastie. Au pied des reliefs résiduels s'étend un glacis d'accumulation (glacis d'épandage) réalisé par les écoulements d'eau aréolaires qu'engendrent les pluies exceptionnnelles de ces régions. Ce glacis peut être également soumis à la déflation (entraînement par le vent des matériaux fins... lorsqu'ils sont secs) qui ne laissera sur place que les blocs les plus gros. Il s'y installera alors un reg ! Photographie P. Elouard Sous les climats équatoriaux et tropicaux humides, l'hydrolyse sera plus importante (voir ANNEXE 1). Pour ces climats à fort drainage et en milieu acide, la transformation des minéraux argileux se poursuit jusqu'à la kaolinite (la plus alumineuse des argiles) et aux hydrates d'alumine (gibbsite) et de fer (goethite). La totalité de la silice est solubilisée (voir ANNEXE 1). Les manteaux d'altérites peuvent atteindre plus de 100 m d'épaisseur. On leur donne le nom général de latérite. En climat de haute montagne, la morphologie des granites des chaînes de montagne récentes est totalement différente. L'eau étant souvent gelée, lacryoclastie l'emporte sur l'hydrolyse. On obtient des reliefs déchiquetés, en aiguilles (Mont Blanc, Pelvoux), dont le débit en faces (et facettes) est contrôlé par les directions des plans de fractures principaux. La thermoclastie, par le biais de dilatations différentielles qui engendrent une microfracturation de la roche, participe également de façon active à la désagrégation mécanique du massif rocheux. Au-dessus : aiguille-de-la-République A droite : aiguille-du-Grépon (Mont-Blanc, aiguilles de Chamonix, Massifs cristallins externes, Alpes) La photographie montre les plans de fractures verticaux favorisant la pénétration de l'eau et facilitant le débit en grandes lames. Sur cette photographie, on peut observer trois directions de diaclases (une est horizontale) favorisant un débit du massif rocheux en polyèdres. Les produits de démantèlement de la cryoclastie et de la thermoclastie s'accumulent au pied des relief en d'importants talus d'éboulis (modelés d'accumulation)... que les glaciers pourront évacuer vers l'aval ! Effets conjugués de la désagrégation mécanique (réalisée par la thermoclastie et la cryoclastie) et de la gravité : éboulis de pied de pente (modelé d'accumulation). Alpes du Briançonnais (France) - Photographie P. Elouard Effets conjugués de la désagrégation mécanique (réalisée par la thermoclastie et la cryoclastie) et de la gravité : Le bord droit de la vallée glaciaire est bordé par une succession d'éboulis de pied de pente (modelé d'accumulation). Leur forme générale est celle de surfaces triangulaires, courbes (on parle de "cônes") qui empâtent la partie basse des falaises (vallée en U) qui leur donnent partiellement naissance. Massif de Belledonne (Alpes, France) Photographie P. Elouard A.3. Comportement des granites intrusifs Les granites intrusifs (ou batholites), en contact franc avec les matériaux encaissants, représentent un cas favorable à une nette manifestation de l'érosion différentielle. Ils se présentent aussi bien en positions culminantes que déprimées, sous toutes les latitudes. En position culminante : exemple des coupoles, des reliefs résiduels dressés au-dessus des plaines désertiques (Sahara central), des savanes africaines (Nord Cameroun, Ouganda) ou des forêts tropicales humides (Antilles, Gabon) ; Mont-Lozère (Lozère, France) - Il correspond à un batholite granitique (30 à 35 km de long, 20 à 25 km de large) circonscrit dans les schistes métamorphiques des Cévennes. Ce batolithe (dans lequel différents faciès ont été recensés) culmine au sommet de Finiels (1 966 m), alignant son dos-de-baleine selon une direction générale W-NW - E-SE. De part et d'autre du sommet de Finiels, la ligne de crète sommitale décroît progressivement d'altitude conférant à l'ensemble ce modelé en "dos-de-baleine". A l'Est, cette crête sommitale est tronquée par un acccident décrochant senestre (environs de la "Tête-de-Boeuf" ), d'orientation nord-sud : la faille de Villefort au voisinage de laquelle sont situées les localités de Génolhac, Concoules et Villefort. Dans le compartiment oriental, le prolongement des granites du Mont-Lozère correspond au ganite du massif de la Borne. L'encaissant de ce batholite correspond aux micaschistes des Cévennes. Il s'agit de micaschistes à biotite-muscovite, à grenat, à amphiboles qui selon les moments peuvent être à dominante phylliteuse ou quartzeuse. Ces micaschistes présentent des intercalations nombreuses de quartzites et des horizons gneissiques. Dans les micaschistes, les reliefs sont accusés et plus heurtés que dans le batholite. Carte topographique de l'IGN à 1/100 000, Alès (feuille M20, équidistance des courbes de niveau 40 m). Voir ANNEXE 4. : exemple des cuvettes d'érosion, parfois en chaudron des vieux socles (Sahara - Hoggar, Canada, Ecosse). Dans une même région, on peut avoir des morphologies granitiques contradictoires. C'est le cas en France : les coupoles du Massif central (Mont Lozère, Forez) s'opposent à la cuvette de Flamanville (presqu'ile du Cotentin, Manche, France, voir ANNEXE 3). En position déprimée Le batholite de Flamanville : contexte géologique [extrait de la carte à 1/50 000, Cherbourg (feuille n° 72), BRGM édit.]. L'auréole de métamorphisme de contact développée dans les assises du Paléozoïque est soulignée par une surcharge en tiretés brun-rouge et l'attibution du suffixe (γ,e) à la formation sédimentaire métamorphisée. Assises duPaléozoïque ba : schistes et grès du Cambrien ; s2 : grès armoricains de l'Ordovicien inférieur ; s3 : schistes àCalymene tristani ; s4b- a : schistes, schistes gréseux et grès de l'Ordovicien supérieur ; s5a : quartzites sombres du Silurien ; s5-a : schistes à Graptolites du Silurien supérieur ; d2 : grés, schistes et calcaires du Dévonien. Granite de Flamanville : γ3, γ,e. Noter le lambeau de Sénonien (Crétacé supérieur, C7-4) préservé par l'érosion sur le granite intrusif. Montage des cartes topographiques de l'IGN à 1/50 000, Les Pieux (feuille XI-10) et Cherbourg (feuille XII-10). Le trait rouge circonscrit la périphérie du batholite. Le tait rose donne, quant à lui, la limite d'extension de l'auréole de métamorphisme de contact. On notera d'abord l'influence du batholite... sur la morphologie de la côte. On remarquera ensuite que ce sont les roches de l'auréole du métamorphisme de contact qui portent les reliefs les plus importants. Elles sont plus résistantes que le granite lui-même qui s'observe à l'affleurement dans une zone déprimée. Pour ce qui est des formations sédimentaires paléozoïques, le rôle morphologique majeur est joué par les quartzites blanc, à grain fin, de l'Ordovicien inférieur ("Grès armoricains, s2) dont la position sur cette carte est soulignée par les traits de couleur marron. Nota Bene : observer que sur cette carte topographique ancienne, le quadrillage kilométrique lambert est reporté ! Ce comportement variable est lié à la composition minéralogique des granites, à leur texture, à l'âge de leur mise en place et aux climats sous lesquels s'est effectuée leur évolution morphologique