Mots clés : strates sédimentaires, pli, monoclinal, faille, astroblème

Quelques déformations des roches globalement tabulaires du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique)

Matthias Schultz

Professeur de SVT, Lycée H. de Chardonnet, Chalon sur Saône

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

28/11/2018

Résumé

Un plateau très légèrement chahuté avec plissement à grand rayon de courbure, failles et astroblème.


Le plateau du Colorado est une région géologique homogène qui s'étend sur 340 000 km2 environ, à cheval sur les états du Four Corner  : Utah, Nouveau Mexique, Colorado et Arizona, au Sud-Ouest des États-Unis d'Amérique.

Figure 1. Carte topographique de la région du plateau du Colorado figuré avec une teinte plus claire que les régions environnantes

Les principales régions visitées par la suite sont localisées par des étoiles rouges.


Ce désert d'altitude entrecoupé de rares forêts présente la plus forte concentration de parcs nationaux du pays, et présente des caractéristiques structurales assez frappantes. Malgré une altitude importante (1 600 m en moyenne), les variations de reliefs sont faibles à l'exception des canyons qui entaillent le plateau, et le sous-sol est formé d'un empilement sédimentaire remarquablement tabulaire, quasi-continu du Cambrien à l'Éocène, et très conservé latéralement d'une extrémité à l'autre du plateau. Peu de déformations (failles, plis, chevauchements…) ont affecté les roches déposées depuis près de 600 Ma pour les plus vieilles, ce qui explique les coupes naturelles exceptionnelles créées par l'érosion (notamment au niveau du Grand Canyon, des falaises du Grand Staircase …) et contraste fortement avec les régions voisines plus perturbées, telles que la province du Basin and Range à l'Ouest, ou les montagnes Rocheuses à l'Est.

On consultera au sujet du plateau du Colorado les précédents articles de Planet-Terre : Les discordances du Grand Canyon du Colorado (Arizona, USA) , Monument Valley  : grès et argiles, diaclases, érosion, mésas et buttes témoins, anciens volcans… , Le Parc national de Canyonlands , la vallée de Betatakin… : reculées et mini-canyons du plateau du Colorado (USA) , Bryce Canyon (Utah, USA), un musée des formes d'érosion torrentielle dans des argiles gréseuses plus ou moins indurées , Habitations en bois silicifié dans l'Arizona et le Dakota du Sud (USA) , Coulées de laves anciennes de type aa (en gratons) : Arizona, Canaries, Islande et Chaîne des Puys .

Tout ce qui constitue maintenant le plateau du Colorado a donc subi une surrection “en bloc”, dont l'ampleur atteint 2000 à 3000 m. Elle a débuté il y a environ 30 Ma, a été maximale de −20 à −6 Ma, et durerait encore. La chronologie des différents stades de cette surrection et son origine, en lien avec l'orogenèse du Laramide, sont encore l'objet d'études et de débats. Quoi qu'il en soit, ce changement d'altitude a entrainé une reprise d'érosion créant canyons, cuestas, buttes témoins et autres formes d'érosion spectaculaires…

Comme nous l'avons vu dans une série d'articles précédents portant sur cette province (voir notamment Le Grand Canyon du Colorado vu du ciel (Arizona, USA) pour un bel exemple de déformation cassante et de flexure à grand rayon de courbure au niveau du Grand Canyon), on trouve cependant quelques traces de déformations structurales à plus ou moins grande échelle affectant le plateau. Dans le présent article, nous nous proposons d'en observer quelques autres, pour le plaisir des yeux et la curiosité intellectuelle, sans prétendre à une quelconque forme d'exhaustivité ou même de représentativité dans le choix arbitraire des objets étudiés.

Ces déformations ont plusieurs origines tectoniques connues.

  • D'abord, l'orogenèse laramienne (ou du Laramide), entre −90 et −50 Ma environ, avec un paroxysme autour de −60 Ma, qui a entrainé une compression de direction Est-Nord-Est/Ouest-Sud-Ouest. Cette orogenèse est due à la convergence entre les plaques tectoniques Nord-Américaine à l'Est et Farallon à l'Ouest, cette dernière passant en subduction avec un angle très faible sous la plaque Nord-Américaine. Ce faible angle est généralement interprété comme la conséquence d'une subduction rapide (plus de 10 cm/an) d'une jeune plaque océanique encore chaude et/ou à croute particulièrement épaisse, deux raisons diminuant la densité de la plaque subduite et donc entrainant une résistance à l'enfoncement dans le manteau asthénosphérique. Ce régime de convergence tectonique est à l'origine de la formation des montagnes Rocheuses et de la plupart des grandes chaines de reliefs de l'Ouest de l'Amérique du Nord, de l'Alaska au Mexique.
  • Ensuite, au Miocène, autour de −20 Ma, lorsque la vitesse de subduction a été divisée par deux par rapport à l'époque Laramide, en association avec un retrait vers l'Ouest de la subduction et un retour à un angle de plongement plus fort. Ce retour a une subduction plus “classique” a été associé avec un magmatisme qui a percé le plateau du Colorado (laccolithes, dômes et autres structures volcaniques des montagnes Henry et Marysvale notamment) et déformé les secteurs voisins.
  • Enfin, l'extension de la province du Basin and Range à l'Ouest (voir à ce sujet Le lac Mono, un site d'intérêt exceptionnel pour les naturalistes et Les évaporites de la Vallée de la Mort (Californie) ), depuis −15 Ma jusqu'à nos jours, associée à quelques plis et failles normales recoupant le plateau du Colorado.

D'autres phénomènes plus ou moins originaux peuvent se rajouter aux précédents : magmatisme à différentes périodes, tectonique salifère (cf. Pourquoi y a-t-il tant d'arches dans le Parc national des Arches (Utah, États-Unis d'Amérique) ? ), et même impacts météoritiques.

Des plissements à grand rayon de courbure, relativement fréquents sur le plateau du Colorado

On trouve en de nombreux points du plateau du Colorado des anticlinaux (figure 1) et synclinaux à large rayon de courbure, plus ou moins disséqués par l'érosion. Le climat aride limitant le couvert végétal, ces structures sont aisément observables en vue aérienne, par exemple avec Google Earth.

Figure 2. Panorama depuis l'Ouest de l'anticlinal de Raplee , immédiatement à l'Est de la bourgade de Mexican Hat , Utah

On distingue aisément les strates de roches sédimentaires qui se courbent et s'inclinent vers l'Ouest. Au centre de l'image, la rivière San Juan a creusé un canyon perpendiculaire à l'axe du pli (une micro-cluse) qui met en évidence les différentes couches internes. Divers petits ravins sur la gauche de l'image dissèquent la structure sur une moindre profondeur, donnant des motifs géométriques qui évoquent les tapisseries traditionnelles des amérindiens Navajo (d'où le surnom de Navajo Rug pour cet anticlinal). En français, ces motifs géométriques, intersection entre une topographie et des couches présentant un pendage, sont nommés “chevrons”.Ce type d'anticlinaux (et les synclinaux associés) est assez banal sur le plateau du Colorado, et peut être mis en relation avec l'orogenèse laramienne. Les strates au premier plan sont bien plus proches de l'horizontale.


Assez fréquents également, et tout aussi aisément observables en vue aérienne, sont les structures monoclinales comme Comb Ridge Monocline immédiatement à l'Est de l'anticlinal de Raplee , en direction de la ville de Bluff (fichier kmz de localisation de Comb Ridge Monocline ), ou encore le célèbre Waterpocket Fold (figures 2 à 6 et fichier kmz de localisation du  Waterpocket Fold dans le Parc national de Capitol Reef ). Le Waterpocket Fold s'étend du Nord au Sud sur près de 150 km de long et fait partie des points d'intérêt ayant justifié la création du Parc national de Capitol Reef . Il tient son nom des poches d'eau stagnantes temporaires ( waterpockets ) creusées à la surface des grès, abondantes dans la région (cf. Waterpockets , potholes , et taffonis… superbes alvéoles érosives dans les grès du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique) ). Il est probable que son origine soit la réactivation lors de l'orogenèse du Laramide d'une faille du socle précambrien, enfouie sous les roches sédimentaires plus récentes. La faille ne se serait pas propagée dans ces strates mais les aurait déformées en un long pli à unique flanc quasiment vertical. De part et d'autre de ce monoclinal, les strates rocheuses sont faiblement inclinées, et se rapprochent de l'horizontalité lorsqu'on s'éloigne de l'accident tectonique. Celles du côté Ouest du Waterpocket Fold sont cependant surélevées de plus de 2 000 m par rapport à celles situées à l'Est. À la faveur de la surrection du plateau du Colorado depuis 15 Ma, l'érosion a attaqué les roches constituant le monoclinal et en a disséqué la structure interne, formant canyons, ravins, dômes, falaises abruptes, badlands , pinacles, arches …

Figure 3. Coupe théorique du Waterpocket Fold , formant à l'Est superbe structure monoclinale de grande ampleur disséqué par l'érosion, Parc national de Capitol Reef

Une ancienne faille du substratum précambrien, réactivée lors de l'orogenèse du Laramide, serait à l'origine du plissement des strates sédimentaires ultérieures. Les falaises abruptes formées dans les grès Wingate et Navajo fortement redressés dans la partie Est du pli forment un obstacle difficilement franchissable, notamment pour les pionniers mormons, et sont à l'origine du terme reef (récif, barrière) pour désigner le Parc national de Capitol Reef .


Figure 4. Panorama en direction du Sud-Ouest du Waterpocket Fold depuis les falaises de l'entrée Ouest du Parc national de Capitol Reef , Utah

On distingue au centre de l'image la vaste courbure des strates de roches sédimentaires (correspondant au Teasdale Uplift de la coupe de la figure 2), entaillé par le canyon de Sulphur Creek . À gauche de l'image, c'est-à-dire ici à l'Est, et sous les pieds du photographe, les falaises formant une barrière infranchissable et délimitant le parc national correspondent au flanc redressé du monoclinal (partie droite de la figure 2, pendage d'environ 10° vers l'Est). On distingue dans le lointain à droite du panorama, c'est-à-dire à l'Ouest du parc national, la Boulder Mountain coiffée de basaltes et andésites d'âge tertiaire.


Figure 5. Vue des falaises abruptes correspondant au flanc redressé du Waterpocket Fold

Notez le pendage d'environ 10° vers l'Est (partie droite de la coupe de la figure 2). On observe de bas en haut diverses roches d'âge triasique à jurassique.

1) La formation Moenkopi, rouge sombre en raison des oxydes de fer qu'elle contient, formée de grès silteux et argileux formés dans de vastes plaines d'inondation côtières.

2) La formation Chinle, grise, formée d'argiles érodées en badlands , initialement déposées dans des vasières continentales en présence de cendres volcaniques, d'où une accumulation d'uranium et de fer réduits. Cette formation est également visible au premier plan, sous les pieds du photographe. Sa base comprend un niveau clair discontinu, le membre Shinarump, un grès conglomératique correspondant à d'anciens chenaux fluviatiles.

3) Les grès Wingate, rouges, massifs, d'origine éolienne (ancien erg), formant les falaises principales.

4) La formation Kayenta, constituée de grès fluviatiles de couleurs plus variables et aux strates discontinues.

Enfin, 5) les grès Navajo, blancs, massifs, d'origine éolienne (ancien erg), s'érodant en dômes dans le lointain. Ces structures ont donné leur nom au parc car ils évoquaient dans l'esprit des colons le dôme du Capitole.

Cet affleurement exceptionnel permet donc à la fois d'étudier la succession sédimentaire régionale (que l'on pourrait compléter par l'étude d'autres régions du parc et du fond des canyons) et la manière dont les diverses roches se comportent face à l'érosion. On distingue en fond la route SR-24 qui traverse le parc d'Ouest en Est au niveau du Visitor Center .


Figure 6. Détails des falaises abruptes correspondant au flanc redressé du Waterpocket Fold

Notez le pendage d'environ 10° vers l'Est (partie droite de la coupe de la figure 2). On observe de bas en haut diverses roches d'âge triasique à jurassique.

1) La formation Moenkopi, rouge sombre en raison des oxydes de fer qu'elle contient, formée de grès silteux et argileux formés dans de vastes plaines d'inondation côtières.

2) La formation Chinle, grise, formée d'argiles érodées en badlands , initialement déposées dans des vasières continentales en présence de cendres volcaniques, d'où une accumulation d'uranium et de fer réduits. Cette formation est également visible au premier plan, sous les pieds du photographe. Sa base comprend un niveau clair discontinu, le membre Shinarump, un grès conglomératique correspondant à d'anciens chenaux fluviatiles.

3) Les grès Wingate, rouges, massifs, d'origine éolienne (ancien erg), formant les falaises principales.

4) La formation Kayenta, constituée de grès fluviatiles de couleurs plus variables et aux strates discontinues.

Enfin, 5) les grès Navajo, blancs, massifs, d'origine éolienne (ancien erg), s'érodant en dômes dans le lointain. Ces structures ont donné leur nom au parc car ils évoquaient dans l'esprit des colons le dôme du Capitole.

Cet affleurement exceptionnel permet donc à la fois d'étudier la succession sédimentaire régionale (que l'on pourrait compléter par l'étude d'autres régions du parc et du fond des canyons) et la manière dont les diverses roches se comportent face à l'érosion. On distingue en fond la route SR-24 qui traverse le parc d'Ouest en Est au niveau du Visitor Center .


Figure 7. Panorama en direction du Nord du flanc Est du Waterpocket Fold au niveau du lieu-dit Frying Pan (la poêle à frire) dans le Parc national de Capitol Reef , Utah

On identifie les grès Navajo clairs, massifs, érodés en dômes, surmontant la formation Kayenta plus rouge et torturée (plus riche en oxydes de fer). On visualise surtout clairement le passage d'une relative horizontalité, ou du moins d'un faible pendage vers l'Est, au fond et à droite de l'image (donc en direction de l'Est), à un pendage plus marqué vers l'Est (d'environ 10° ici) sur la gauche de l'image (donc en direction de l'Ouest, au niveau du flanc monoclinal).


Figure 8. Poches d'eau temporaires ( waterpockets ) creusées à la surface des grès par les eaux météoriques

Ces poches ont donné leur nom au Waterpocket Fold et présentent une fragilité et un intérêt écologique majeur : lieux de reproduction de plusieurs espèces (insectes, amphibiens, nostocs…), sources transitoires d'eau potable pour d'autres…

Voir Waterpockets , potholes , et taffonis… superbes alvéoles érosives dans les grès du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique) pour en savoir plus sur ces “flaques”.


Figure 9. Panorama de l'escarpement Ouest du Parc national de Capitol Reef vu depuis l'extérieur du parc

On comprend le nom de barrière ( reef ) donné au secteur par les colons anglo-américains. On retrouve les strates précédentes : grès Wingate au sommet surmontant les formations Chinle et Moenkopi… On constate aussi que l'angle de vue est important : les couches paraissent horizontales ici, alors qu'elles sont inclinées à 10° vers l'Est, c'est-à-dire vers le fond de la photo.


Des failles à différentes échelles, moins communes mais néanmoins présentes sur le plateau du Colorado

Diverses failles sont observables sur le plateau du Colorado, associées aux phases tectoniques d'abord compressives puis extensives mentionnées plus haut. À la tectonique régionale s'ajoute parfois une tectonique salifère, comme c'est le cas pour la faille de Moab (cf. Pourquoi y a-t-il tant d'arches dans le Parc national des Arches (Utah, États-Unis d'Amérique) ? ). Les failles de grande ampleur sont souvent difficiles à visualiser car elles s'accompagnent de zones broyées, de brèches, sont en réalité souvent composées de plusieurs failles conjuguées, et les décalages de grande ampleur qu'elles produisent sont souvent recouverts d'éboulis. Elles peuvent parfois faciliter le tracé de cours d'eaux ou de routes ultérieures, comme dans le cas de la route US-191 dans la vallée de Moab (fichier kmz de localisation de la faille de Moab, à proximité du Visitor Center du Parc national des Arches). Les failles d'ampleur plus restreinte sont en général plus pédagogiques, plus aisées à visualiser. Elles accompagnent parfois des failles majeures (figures 9 à 11). Toutes ces failles présentent des intérêts pour la migration de fluides, notamment d'hydrocarbures.

Figure 10. Le Visitor Center du Parc National des Arches, Utah, immédiatement à l'Est de la faille de Moab, photographie prise en direction du Nord depuis l'entrée du parc

Le tracé de la route US-191 en bas à gauche de l'image correspond approximativement à celui d'une faille majeure, qui sépare selon un axe Nord-Sud deux blocs bien visibles ici. À gauche de l'image, donc à l'Ouest ici, on retrouve l'empilement de roches sédimentaires observé au niveau du Waterpocket Fold à l'entrée Ouest de Capitol Reef  : grès Wingate rouges, massifs, formant la falaise sommitale surmontant les formations Chinle et Moenkopi plus tendres, argileuses, et couvertes d'éboulis… Tandis qu'à droite de l'image, donc à l'Est ici, la couche de grès rouges d'aspect assez similaire aux grès Wingate correspond aux grès Entrada plus récents (plus jeunes de 40 Ma), surmontant les grès blancs Navajo bien identifiables en bas à droite de l'image, et les grès Wingate sont situés sous le niveau du sol de la vallée à droite... Le compartiment Est est donc largement effondré par rapport au compartiment Ouest (le jeu vertical de la faille est estimé à 800 m ici ; et la faille peut être suivie sur près de 45 km). Dans l'axe du Visitor Center au centre, on devine une zone broyée qui correspond au tracé de la faille.


Figure 11. Panneau explicatif présentant la faille de Moab aux visiteurs du Parc national des Arches

On mesure à la fréquence et à la qualité de ces panneaux pédagogiques en Amérique du Nord la marge de progrès possible pour la mise en valeur des sites naturels en France… On remarque par ailleurs que la faille est représentée quasiment verticale, ce qui ne présume pas de sa nature (faille normale ou inverse ? Voire avec une composante décrochante ?).


Figure 12. Détail du talus de la route US-191 en face du Visitor Center du Parc national des Arches

La faille de Moab est associée, on le voit, à de nombreuses failles de plus faible envergure (leur jeu va ici de quelques centimètres à quelques mètres), mais dont la visualisation et l'interprétation sont bien plus immédiates, d'autant que des strates repères sont présentes. On identifie ici des failles normales conjuguées en mini-horsts et mini-grabens. Si leur formation s'est bien faite dans les mêmes conditions de contraintes tectoniques extensives que la faille majeure, il faut donc supposer que celle-ci est également une faille normale, peut-être listrique (s'inclinant vers l'horizontale en profondeur). Il est de plus possible que cette même faille ait pu jouer dans deux contextes différents : d'abord compressif lors de l'orogenèse laramienne, puis extensif de façon plus récente. La présence en profondeur de diapirs d'évaporites complique encore cette histoire.


Figure 13.  Chimney Rock , à droite sur cette image, est un pinacle sculpté dans la formation Moenkopi à l'entrée Ouest de Capitol Reef

Il s'agit d'une « demoiselle coiffée » ou « cheminée de fée », protégée pour un temps de l'érosion par une coiffe de grès clair et dur (membre Shinarump de la formation Chinle, dont on distingue les argilites grises au sommet de la pile sédimentaire au fond de l'image).

Voir d'autres “cheminées”,par exemple, Bryce Canyon (Utah, USA), un musée des formes d'érosion torrentielle dans des argiles gréseuses plus ou moins indurées ou La « Salle de bal des demoiselles coiffées », Théus, Hautes Alpes .


Figure 14. Argilites grises de la formation Chinle (à gauche) situées au même niveau que les grès silteux et argileux rouges de la formation Moenkopi (à droite)

À proximité immédiate de Chimney Rock (cheminée située un peu à droite de cette figure), on observe que les argilites grises de la formation Chinle (à gauche sur cette image), sont situées au même niveau que les grès silteux et argileux rouges de la formation Moenkopi et plus bas que le membre Shinarump (grès durs, clairs) constituant la base de la formation Chinle (à droite sur cette image). Cette disposition stratigraphiquement anormale s'explique par le passage d'une faille normale dont on devine l'emplacement ici, et dont le jeu vertical est estimé à 45 m. Cette faille permet d'ailleurs au sentier de franchir l'escarpement de la formation Moenkopi en empruntant les pentes douces des badlands dans la formation Chinle.


Figure 15. Escarpement de grès silteux et argileux rouges de la formation Moenkopi et du membre Shinarump (grès durs, clairs) constituant la base de la formation Chinle, vu depuis les badlands formés dans les argilites grises de la formation Chinle

Le sentier emprunte le compartiment effondré pour contourner la falaise. On devine l'emplacement de la faille normale entre les deux types de roches, en bordure du chemin, avant les premiers buissons. La formation Moenkopi s'étend en fond à droite vers la Boulder Mountain .


Figure 16. Vue de la faille normale de Chimney Rock , Parc national de Capitol Reef , Utah

On visualise à droite de l'image les grès silteux et argileux rouges de la formation Moenkopi et le membre Shinarump (grès durs, clairs) constituant la base de la formation Chinle, que l'on retrouve 45 m plus bas à gauche au premier plan de l'image, surmontés en fond par les badlands formés dans les argilites grises de la formation Chinle. Le sentier emprunte le compartiment effondré pour contourner la falaise. On devine l'emplacement de la faille normale entre les deux types de roches, au centre de l'image, masqué par des éboulis et des buissons. Au fond à gauche, les falaises rouges sont formées par les grès Wingate qui coiffent l'ensemble.


D'autres types de déformations plus originales

On trouve également sur le plateau du Colorado d'autres types de déformations plus originales : liées à des intrusions magmatiques, à des diapirs de sels… examinons pour finir le cas d' Upheaval Dome , dans le Parc national de Canyonlands . Il s'agit d'une étrange et spectaculaire structure circulaire, aux strates rocheuses très perturbées au milieu des immenses plateaux tabulaires du parc, qui a suscité longtemps des hypothèses contradictoires à propos de son origine géologique. Bien que des points de vue aménagés permettent son observation depuis le sol, la structure d'ensemble est plus aisément perceptible en vue aérienne (fichier kmz de localisation d' Upheaval Dome ).

Figure 17. Panorama d' Upheaval Dome dans le district Island in the Sky du Parc national de Canyonlands , Utah

Cette structure circulaire d'environ 3 km de diamètre montre à l'affleurement en son cœur un mélange de roches anciennes, ailleurs enfouies profondément (formation Moenkopi d'âge triasique et grès permiens de la White Rim sous-jacents mélangés). Les bords, constitués des formations d'âge triasique et jurassique, Chinle, Wingate, Kayenta et Navajo, sont fortement pentés vers l'extérieur, situation unique dans la vaste mesa d' Island in the Sky .



Figure 19. Carte géologique d' Upheaval Dome , Parc national de Canyonlands , Utah

Source : P.W. Huntoon, G.H. Billingsley Jr., W.J. Breed, 1982. Geologic Map of Canyonlands National Park and Vicinity, Utah, Utah Geological Survey map, échelle 1:62.500


Figure 20. Vue aérienne d' Upheaval Dome , Parc national de Canyonlands , Utah


Certains auteurs avaient suggéré que cette structure correspondait à un diapir de sel profondément érodé, dont tout le sel aurait été dissous, ce qui est cohérent avec l'existence d'importants niveaux évaporitiques du Carbonifère (formation Paradox ) en profondeur sous le parc mais moins avec l'absence d'observation de ces sels au niveau d' Upheaval Dome lui-même... D'autres avaient évoqué une origine magmatique. D'autres enfin penchaient pour un impact météoritique ancien, là encore largement érodé. Le débat est resté ouvert longtemps (depuis les années 1930 jusqu'aux années 2000), mais l'origine extraterrestre est maintenant bien démontrée. Les principaux arguments reposent sur l'étude détaillée des déformations, des simulations numériques, et surtout la découverte en 2008 de quartz choqués dans les grès de la formation Kayenta, ce qui traduit les très fortes pressions dues aux ondes de choc de l'impact.

Le choc aurait généré des pressions d'environ 10 GPa, se serait produit avec un angle d'impact oblique et alors que les roches déformées aujourd'hui à l'affleurement étaient encore enfouies sous près de 2 000 m de sédiments, par la suite emportés par l'érosion (ce qui permet de penser que l'impact date d'avant la surrection du plateau du Colorado).

Pour aller plus loin sur ce dernier sujet :

E. Buchner, T. Kenkmann, 2008. Upheaval Dome, Utah, USA: Impact origin confirmed , Geology, 36, 3, 227-230

Mots clés : strates sédimentaires, pli, monoclinal, faille, astroblème