Rapport de terrain : dynamique sédimentaire et milieux de

Rapport de terrain : dynamique sédimentaire et milieux de
sédimentation dans la région de Barrème
Sylvain Block
21 octobre 2008
Table des matières
Introduction
1
1
La série sédimentaire plissée de Senez
1
1.1
1.2
1.3
1
4
5
2
3
Description des faciès . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Histoire tectonique et sédimentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Carte géologique, coupe et log stratigraphique de Senez . . . . . . . . . . .
La série sédimentaire tabulaire de Taulanne
6
2.1
2.2
2.3
6
8
9
Description des faciès . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Histoire sédimentaire de Taulanne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Carte géologique et log stratigraphique de Taulanne . . . . . . . . . . . . .
Corrélation des terrains sédimentaires et des milieux de dépôt à l'échelle
régionale
3.1
3.2
Une correspondance entre les lithologies et les histoires sédimentaires des
terrains étudiés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conclusion : la sédimentation du Tertiaire dans le contexte orogénique alpin
9
9
12
Introduction
Les terrains étudiés pendant la seconde partie du stage se situent au niveau de la couverture sédimentaire des Alpes du sud, dans le synclinal de Barrème. Le travail réalisé consistait
à reconnaître les diérentes roches sédimentaires du Mésozoïque et du Cénozïque dans les
environs de Barrème, puis à identier le milieu de dépôt et la géométrie de ces sédiments
an de reconstituer une évolution des milieux de sédimentation dans le cadre de l'histoire
de l'orogenèse alpine. Ce rapport présente d'abord la nature et le contexte de sédimentation
des roches observées à Senez et Taulanne. Les observations faites sur ces deux terrains sont
ensuite corrélées et mises en relation avec les analyses déduites de l'observation des autres
aeurements étudiés dans le synclinal de Barrème.
1
1.1
La série sédimentaire plissée de Senez
Description des faciès
Les Marnes Bleues
Les marnes bleues sont des sédiments qui se sont déposées au Crétacé entre l'Aptien et le
Cénomanien. Ce sont des roches bleues, friables, à grain très n, ne contenant pas de silice,
qui se débitent en petits feuillets ns ou forment parfois des bancs tendres d'une dizaine
de cm d'épaisseur. Occasionnellement (notamment au niveau du faisseau Clansayésien),
de rares bancs carbonatés sont intercalés dans les marnes bleues. L'absence d'éléments
détritiques continentaux indique qu'il s'agit de sédiments de milieu marin distal.
Sur les terrains que nous avons étudié pendant le stage, la limite supérieure des marnes
bleues est une troncature d'érosion : les terrains postérieurs sont en discordance angulaire
dessus (Fig1). Nous n'avons pas vu d'aeurement permettant d'estimer l'épaisseur de ce
niveau stratigraphique.
Le calcaire nummulitique
Le calcaire nummulitique est une roche beige à patine grise datant de l'Éocène, relativement massive et résistante à l'érosion, posée en discordance angulaire sur les marnes bleues
(Fig1).
Figure 1:
Discordance angulaire entre les marnes bleues et le calcaire nummulitique
1
A Senez, le calcaire nummulitique forme une barre nette de 20 à 40 mètres d'épaisseur
dans le paysage. Ailleurs, il peut constituer deux barres distinctes séparées par un niveau
plus marno-calcaire et friable. Cette roche sédimentaire contient des fossiles de nummulites,
de bivalves et de gastéropode. Parmi cette faune, on trouve une majorité de bivalves, en
particulier des huîtres, des organismes qui occupaient préférentiellement des milieux peu
profonds et peu agités. Cette roche est donc un dépôt de milieu marin proximal et calme.
Les marnes nummulitiques
Les marnes nummulitiques sont des sédiments de l'Éocène et de l'Oligocène de couleur
grise, déposés en concordance sur le calcaire nummulitique. Un test de dureté révèle que ces
marnes contiennent des grains de silice en plus des minéraux argileux. Il s'agit donc plutôt de
silts que de marnes, la granulométrie et la stratication sont moins nes que dans les marnes
bleues. On y trouve également des nummulites, des foraminifères benthiques qui vivaient
sur le fonds océanique jusqu'à environ 150m de profondeur. La présence de nummulites et
d'éléments détritiques continentaux tels que les grains de quartz indique que ces sédiments
se sont déposés dans un bassin relativement peu profond, en zone intermédiaire entre le
milieu proximal et le milieu distal.
Les Grès de Ville
Les Grès de Ville sont des sédiments constitués de grains de sable jaune, se débitant en
petites plaquettes et présentant une stratication et une granulométrie variable. On trouve
des strates nes de quelques cm d'épaisseur contenant du sable relativement n, et d'autres
plus épaisses, atteignant 10 à 20 cm d'épaisseur et pouvant contenir des grains plus grossiers. Des niveaux argileux sont intercalés entre chaque banc de grès. Les strates présentent
un granoclassement et on y observe plusieurs gures de sédimentation :
il y a des lamines planes parallèles, indicatrices d'un milieu de dépôt animé par un
courant rapide, à la base des strates (Fig2(a)),
la surface supérieure des strates est ondulée, il s'agit de rides de courant,
on voit des gouttières d'érosion formées par l'abrasion de la surface du sédiment lors
de l'arrivée d'un courant transportant les éléments détritiques de la strates supérieure
enn, on observe des gures d'impact formés par de gros éléments tombant dans le
sédiment sous jacent (Fig2(b)), des traces de bioturbation,...
(a) Lamines planes parallèles et rides de
(b) Figure d'impact
courant
Figure 2:
Figures de sédimentation dans les Grès de Ville.
2
Le granoclassement, les gures d'érosion décrites ci dessus ainsi que la répétition un
grand nombre de fois de ces séquences gréseuses interstratiées avec des marnes indiquent
que les Grès de Ville sont des turbidites. L'interstratication de grès et de marnes signie
que les marnes nummulitiques se déposent continuellement et sont régulièrement recouvertes
par les turbidites. Ce sédiment s'est donc formé dans le même milieu que les marnes nummulitiques : un milieu distal susamment proche des sources d'éléments détritiques pour
qu'ils y soient transportés.
Les Grès de Ville constituent une unité d'extension nie, au sein de laquelle on trouve
diérentes "sous unités" dont les stratications varient. Ces sous unités correspondent à des
lobes : les turbidites se déposent dans un "delta" sous marin, les strates sont plus épaisses
au centre des chenaux et se perdent dans les marnes en périphérie. Lorsque le chenal est
comblé, un nouveau chenal se met en place, et un autre lobe se dépose à côté du précédent.
Lorsqu'ils sont présents, les Grès de Ville permettent de distinguer les marnes nummulitiques inférieures de l'Éocène, situées stratigraphiquement sous les grès, des marnes
nummulitiques supérieures de l'Oligocène, placées au dessus.
Le grès de Senez
Le grès de Senez est une roche massive brune formant des barres ou des arètes rocheuses
dans le paysage et datant de l'Oligocène. Le grès, déposé en concordance sur les marnes
nummulitiques, a un faciès silteux à sa base. La transition entre les marnes nummulitiques
et le grès est progressive et régulière, et l'on observe des passages des marnes au grès
latéralement dans certains bancs. Cela indique une sédimentation continue.
Le grès est stratié. On voit des stratication entaillées par des limites d'érosion et des
chenaux recomblés. Ceci résulte de l'action des tempêtes sur un fond marin sableux. A Senez
au bord de la nationale, en parcourant latéralement les strates de la partie supérieure du
grès, on observe des lamines planes parallèles, puis des rides de courant, et enn des HCS
(Hummocky Cross Stratications). Il s'agit d'une coupe transversale d'un faciès de plage :
on passe progressivement d'une plage battue par la houle à un fond marin aecté par les
mouvements d'oscillation de la surface de l'eau lors des tempêtes.
Par endroits, la base du grès de Senez est conglomératique. Il s'agit d'un conglomérat
à matrice sableuse, contenant des galets pouvant atteindre 20 cm de diamètre, majoritairement de nature calcaire. Ce conglomérat peut être relié aux conglomérats deltaïques de
Clumanc et uviatiles observés à Toueste. Les grès de Senez sont donc associès au même
système qui a mis en place ces conglomérats. On peut proposer deux milieux de dépôt de
haute énergie pour le conglomérat de Senez :
Il peut s'agir de sédiments uviatiles, le grès de Senez correspond alors sans doute à
la plage proche de l'embouchure du système uviatile.
C'est peut être une berme de plage, mais cela semble peu probable vu la position
basale des conglomérats.
Les molasses rouges
Les molasses rouges sont des sédiments détritiques peu triés de l'Oligocène supérieur,
contenant des argiles rouges et des galets exclusivement de calcaire pouvant atteindre des
diamètres décimétriques. Ces deux caractéristiques impliquent un transport limité et une
source proche pour ces roches. A Senez, au dessus de la barre de calcaire nummulitique, les
molasses rouges présentent un faciès typique de cône alluvial proximal puisque la proportion
de galets est élevée (Fig3). Les molasses sont disposés en discordance angulaire sur les
3
terrains plus anciens. Elles occupent les sommets topographiques et ont des pendages faibles.
Certains niveaux sont légèrement basculées, d'autres sont subhorizontaux. En particulier,
au dessus de la charnière de l'anticlinal au Nord du terrain, on voit que les molasses les plus
anciennes ont été plissées alors que les plus récentes ne sont pas aectées par la tectonique
(Fig4). On a donc un dépôt discordant syntectonique des premières molasses, qui se poursuit
après la n des déformations : les molasses les plus récentes sont post-tectoniques.
Figure 3:
1.2
Molasses de la zone proximale du cône alluvial (forte composante de galets de calcaire)
Histoire tectonique et sédimentaire
Les marnes bleues se déposent en domaine océanique profond entre l'Albien et le Cénomanien. On ne trouve pas de sédiments datant entre la n du Cénomanien et le début
de l'Éocène sur les terrains que nous avons étudié. Il y a une lacune sédimentaire, ce qui
implique que les marnes bleues ont été émergées à la n du Cénomanien, puis elles ont été
plissées et érodées.
Les marnes bleues sont submergées à une faible profondeur à l'Éocène. Le calcaire nummulitique se dépose en discordance sur les marnes en milieu marin calme et peu profond.
La transgression se poursuit, la tranche d'eau augmente dû à une hausse du niveau
de la mer et/ou à une subsidence. Les marnes nummulitiques sédimentent sur le calcaire
nummulitiques dans un milieu susamment peu profond pour que des nummulites y vivent
et pour que des grains de quartz y soient transportés en plus des minéraux argileux. Des
chenaux dans lesquels s'écoulent des courants de turbidité entaillent les marnes nummulitiques. Les séquences turbiditiques qui comblent les chenaux constituent les Grès de Ville.
Les marnes nummulitiques se déposent en continu et recouvrent les Grès de Ville quand les
apports turbiditiques s'interrompent. Les Grès de Ville correspondent approximativement
à la limite entre l'Éocène et l'Oligocène.
L'épisode transgressif est suivi par une régression. La profondeur du bassin diminue,
amenant à faible profondeur un fond marin en pente douce. Dans ces conditions, une plage
se forme, il s'y accumule des éléments détritiques amenés par un euve s'écoulant depuis le
nord. Le sable et les quelques niveaux de galets amenés par le euve sont diagénisés pour
former le grès de Senez. La régression se fait progressivement et le régime de sédimentation
change peu lors de cet événement, comme en témoigne la transition régulière des marnes
au grès.
Une nouvelle transgression a lieu. En conséquence, le grès de Senez est recouvert par la
sédimentation des marnes nummulitiques.
4
La série sédimentaire continue de l'Éocène et de l'Oligocène s'interrompt, l'ensemble
des roches sédimentaires est émergé puis plissé et faillé par une tectonique en compression
Est-Ouest associée à l'orogenèse alpine. Sur le terrain, ce raccourcissement se manifeste par
plusieurs structures :
Les marnes nummulitiques et le grès de Senez sont aectés par une série de plis de
grande amplitude. L'intensité du plissement augmente d'Ouest en Est. En eet, à
l'Ouest de la route ces roches sont plissées en un synclinal dont les ancs sont peu
pentés ; à l'Est de la route, on observe un anticlinal au relief plus prononcé d'axe 154
N 20 ; puis à l'Est de l'anticlinal, on observe un synclinal qui a évolué en pli-faille et
qui résulte en un doublement de l'épaisseur du grès de Senez à l'aeurement.
Dans la partie orientale du terrain cartographié, on observe un anticlinal déjeté vers
l'Ouest, dont le anc aval est extrêmement aminci, et qui évolue aussi en pli faille :
on a alors un chevauchement des marnes bleues sur les marnes nummulitiques.
Les molasses rouges, qui sont des éléments détritiques continentaux issus de l'érosion des reliefs environnants formés par la tectonique compressive, se déposent en
discordance sur des terrains plissés, mais la compression n'est pas terminée. Les molasses les plus anciennes sont syntectoniques alors que les dépôts les plus récents sont
post-tectonique.
Figure 4:
1.3
Molasses rouges discordantes sur la charnière de l'anticlinal
Carte géologique, coupe et log stratigraphique de Senez
Le log stratigraphique suivant a une fonction synthétique, je ne dispose pas des observations nécessaires pour représenter les bonnes épaisseurs des niveaux de marnes nummulitiques.
5
(a) Carte géologique de Senez
(b) Log stratigraphique
Figure 5:
Figure 6:
2
Coupe géologique Est-Ouest selon l'axe du chemin de GR
La série sédimentaire tabulaire de Taulanne
2.1
Description des faciès
Les terrains du Mésozoïque
A la base de la colonne stratigraphique à Taulanne, on observe :
La barre de calcaire gris, massif du Tithonique qui forme une falaise au niveau des
sommets topographiques,
la série marno-calcaire du Berriasien, à dominante calcaire, qui est reconnaissable aux
fossiles de ammeches et de berriasella,
la série marno-calcaire du Valanginien, majoritairement marneuse.
On a une grande lacune sédimentaire après la n du Valanginien. Les sédiments du
Cénozoïque sont disposés en discordance sur les terrains du Mésozoïque.
6
Le conglomérat de Taulanne
Un conglomérat à matrice sableuse et contenant des galets de calcaire pouvant atteindre
une dizaine de cm de diamètre s'est déposé en discordance sur la série marno-calcaire du
Valanginien. Le conglomérat contient des éléments détritiques de grande dimension, ce qui
indique qu'il s'agit d'un sédiment déposé dans un milieu à haute énergie comme un euve
dont le courant peut être fort. Certains galets de calcaire dans le conglomérat portent des
traces de dissolution caractéristiques d'organismes lithophages (des mollusques marins dont
les sécrétions acides creusent la roche) comparables à celles que l'on a pu observer dans le
calcaire nummulitique à Senez. Un euve de haute énergie apportait donc des produits de
l'érosion d'un relief calcaire proche dans un bassin marin. Le sable et les galets ont alors été
remaniés en milieu marin et diagénisés pour former ce conglomérat.
Les marnes grises
Cette unité géologique est identique aux marnes nummulitiques observées à Senez et
Clumanc. Cependant, la partie inférieure de la série de marnes, au contact du conglomérat,
a une composante gréseuse particulièrement importante à Taulanne. On observe des bancs de
grès bruns-jaunes intercalés entre les marnes grises. Les marnes sont plus "pures" au sommet
de la série, ce qui indique un milieu de dépôt plus profond et distal. Elles contiennent des
terriers et des fossiles de gastéropodes et de bivalves.
Le grès
Entre deux niveaux de marnes grises plus ou moins gréseuses, il y a une unité de grès
jaune massif qui porte des traces de bioturbation telles que de nombreux terriers. On observe
aussi des HCS qui montrent que le sable qui constitue la roche s'est déposé sous une faible
tranche d'eau, dans la zone ou l'oscillation du niveau marin du fait de la houle est perceptible. Le grès correspond donc à un milieu de plage et d'avant plage. Autant au dessus qu'en
dessous du grès, on trouve des alternances de silts gris et de bancs de grès qui constituent
une transition entre les marnes grises et cette unité. Le passage des marnes au grès puis des
grès au marnes s'est donc fait progressivement via un milieu de dépôt intermédiaire entre
le milieu de plage et le milieu distal.
La série carbonatée
Les sédiments les plus récents observés sur ce terrain sont des calcaires. On distingue
trois sous unité dans ces roches carbonatées :
A la base de la série, le calcaire est jaunâtre, plus ou moins grèseux, il contient de gros
grains de calcite ainsi que des nodules de silex. Cette roche, qui peut être qualiée de
"calcarénite", s'est formée en milieu marin proximal, relativement agité.
Au dessus de cette sous unité, on trouve une roche plus grise et à grain beaucoup plus
n, contenant des fossiles de gastéropodes et de miliole, un foraminifère benthique
caractéristique de milieux connés et salés. Ce calcaire micritique s'est donc formé
dans un environnement de type lagune ou mer fermée.
Au sommet de la série carbonatée se trouve une épaisse couche de tuf calcaire, c'est
à dire un calcaire poreux, laminé, précipité sur des végétaux tels que des algues ou
des mousses du fait de leurs actions photosynthétiques. Il s'agit d'un dépôt carbonaté
7
continental, lacustre ou palustre.
Les roches carbonatées décrites ci-dessus illustrent l'évolution du milieu de sédimentation : on passe d'un milieu océanique peu profond à un bassin conné d'eau salée, puis
des dépôts carbonatés continentaux se forment dans un milieu d'eau douce. Cette évolution
caractérise la fermeture d'une mer ou d'un océan.
2.2
Histoire sédimentaire de Taulanne
Les sédiments du Mésozoïque sont émergés, plissée et érodés jusqu'aux terrains du Valaginien avant d'être immérgés à nouveau. Le bassin marin peu profond qui recouvre la
région est alimenté par un euve qui charrie des matériaux détritiques grossiers depuis des
reliefs proches. Ces éléments sont remaniés en milieu marin et forment un conglomérat qui
recouvre en discordance le Mésozoïque.
Par la suite, une transgression a lieu, résultant sans doute de la subsidence du bassin.
La profondeur du milieu de sédimentation augmente, ce qui permet le dépôt de marnes
grises. Ces marnes deviennent de plus en plus gréseuses : des bancs de grès sont intercalés
entre les silts. Ceci indique une augmentation graduelle de l'énergie du milieu, donc une
baisse progressive du niveau marin due à une régression ou a un comblement du bassin. Au
maximum de cet événement, on se trouve au niveau d'une plage qui donne les grès après
diagenèse.
Le bassin sédimentaire s'approfondit à nouveau lors d'une transgression. Les grès sont
recouverts d'abord par une alternance marno gréseuse puis par des marnes déposées en
milieu distal.
La fermeture du bassin d'avant pays s'amorce ensuite, l'épaisseur de la tranche d'eau
diminue, ce qui permet la mise en place d'une couche de calcaires à silex. Elle se poursuit et
se traduit par la formation de milieux connés comme des lagunes ou des mers dont l'eau
est peu renouvellée, dans lesquels du calcaire micritique à milioles se dépose. Au nal, la
mer se retire, la dépression est remplie par un lac dans lequel se forment des carbonates
continentaux : des tufs calcaires.
8
2.3
Carte géologique et log stratigraphique de Taulanne
(a) Carte géologique de Taulanne
(b) Log stratigraphique
Figure 7:
3
Corrélation des terrains sédimentaires et des milieux de
dépôt à l'échelle régionale
3.1
Une correspondance entre les lithologies et les histoires
sédimentaires des terrains étudiés
Les terrains de Clumanc, Senez et Taulanne, que nous avons étudié pendant ce stage,
sont alignés selon un axe Nord-Sud. Sur place, nous avons vu que certaines unités géologiques étaient continues et présentes à chacun des trois lieux, alors que d'autres avaient
une extension nies et n'étaient pas observées sur tous les terrains. Autant à Clumanc qu'à
Senez et Taulanne, la sédimentation a été continue entre le début de l'Éocène et le milieu
de l'Oligocène. Je vais à présent reconstituer une chronologie des événements sédimentaires
en mettant en évidence la variation des milieux de dépôts entre le Nord (Clumanc, Senez)
et le Sud (Taulanne) de la zone étudiée.
Eectuons une comparaison des logs stratigraphiques :
9
Figure 8:
On voit que les conglomérats de Taulanne peuvent être associés aux calcaires nummulitiques de Senez et Clumanc. La variation latérale de faciès est à relier à la distance à la
côte et à l'embouchure du euve qui charriait les galets du conglomérat au Sud.
De même, le grès ayant un faciès de plage ou d'avant plage à Taulanne est l'équivalent
stratigraphique des Grès de Ville, qui sont des turbidites. Là encore, le milieu proximal se
trouve au Sud au niveau de Taulanne.
Enn, les conglomérats de Clumanc sont des sédiments détritiques uviatiles équivalant au grès de Senez, qui a un faciès d'avant plage et de plage, mais on ne retrouve pas
d'équivalent de cette unité géologiquu à Taulanne.
On a donc un rétrécissement du bassin d'avant pays avec l'apparition de sédiments continentaux et d'un milieu marin proximal au Nord de la zone étudiée. Le calcaire de milieu
marin conné, puis le calcaire lacustre qui sont à Taulanne illustrent la fermeture du bassin.
On ne trouve pas d'équivalents de ces roches.
Reconstituons à présent une chronologie des événements sédimentologiques tout en mettant en évidence les variations latérales de faciès :
Les terrains du Secondaire sont immergés à faible profondeur, sans doute du fait d'une
subsidence. Les conglomérats marins à matrice gréseuse se déposent en milieu proximal, à Taulanne. Le calcaire nummulitique se met en place plus au Nord, en milieu
plus distal (Fig9(a)).
La transgression se poursuit, des marnes se déposent partout (Fig9(b)).
10
(a)
Figure 9:
(b)
T=Taulanne, S=Senez, C=Clumanc
Le sable qui constituera le grès de Taulanne se dépose sur la rive. Plus au Nord, la
sédimentation des marnes se poursuit. Elles sont recoupées par des turbidites qui formeront les Grès de Ville (Fig10(a)).
Le Grès de Ville et de Taulanne sont recouverts par des marnes grises : la transgression
continue (Fig10(b)).
(a)
(b)
Figure 10:
Le Nord du bassin (soit la zone de Clumanc) est émergé, peut être du fait d'une surrection. Un système uviatile s'écoule du Nord vers le Sud ; il dépose des conglomérats
deltaïques à Clumanc et des grès ayant un faciès de plage à Senez. Il semble que le
bassin se soit "translaté", devenant plus profond à Taulanne et moins profond à Senez
(Fig11(a)).
Une trangression permet la sédimentation de marnes sur toute la région, puis le bassin
se referme. Des carbonates lacustres se déposent à Taulanne : on passe à des sédiments
continentaux (Fig11(b)).
(a)
(b)
Figure 11:
11
Après la fermeture du bassin d'avant pays, les creux topographiques sont comblés par
des molasses rouges. Issus de l'érosion des reliefs, ces sédiments sont transportés dans
un cône alluvial partant de Senez et orienté vers le Nord.
3.2
Conclusion : la sédimentation du Tertiaire dans le
contexte orogénique alpin
L'océan alpin se referme au cours du Crétacé Supérieur. Les sédiments datant du Crétacé
et du Jurassique sont alors émergés et plissés. C'est ce que nous avons constaté en observant
les marnes bleues à Senez et la série marno-calcaire à Taulanne. Le début du Tertière coïncide
avec le début de l'orogenèse alpine. La constitution des reliefs entraîne la exuration de la
lithosphère en avant de la subduction, au Nord et à l'Ouest de la chaîne. Les dépressions
engendrées par cette déformations sont occupées par la mer, et les bassins d'avant pays
ainsi formés vont donner lieu à la sédimentation Éocène et Oligocène que nous avons étudié
dans la région de Barrème. Ces bassins sédimentaires sont contrôlés par la tectonique,
ce qui implique des subsidences et des surrections régulières, et reçoivent des apports de
matériaux détritiques venant du démantèlement des reliefs proches. L'épaississement de la
chaîne décale la exuration et translate les bassins d'avant pays vers l'extérieur des Alpes, ce
qui peut parfois expliquer l'évolution de la répartition géographique des sédiments distaux
et proximaux au cours du temps. La compression entraîne une surrection des terrains autour
de la chaîne, si bien que la mer se retire. A la n de l'Oligocène, les bassins exuraux sont
comblés par des sédiments continentaux tels que les molasses et les dépôts lacustres.
12