Le Briançonnais, peut-être la meilleure région de France pour découvrir les histoires sédimentaires et volcaniques tardives des chaines de collision (chaine hercynienne)

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

08/05/2017

Résumé

Sédimentation et magmatisme tardi-orogéniques, le cas de la chaine hercynienne dans les Alpes.


Figure 1. Exemple de conglomérat (et plus précisément de poudingue) du Carbonifère moyen briançonnais (Westphalien = Pennsylvanien moyen = 310 Ma)

Le matériel détritique grossier est composé de galets infra-décimétriques en général arrondis composés de quartz polycristallin d'origine filonienne, de roches para-dérivées (gneiss, schistes, quartzites) à métamorphisme anté-alpin polyphasé, issus d'un vieux socle cristallin et de sa couverture anté-Carbonifère moyen. Un ancien galet mou de pélite noire est visible à la base de la photo.


Figure 2. Vue plus large sur le banc de conglomérat du Carbonifère moyen briançonnais de la figure précédente

La partie supérieure de la photo est constituée d'un grès sombre (recouvert localement d'une patine blanche) sans élément figuré visible à cette échelle. Le couteau suisse est posé sur un niveau d'argile charbonneuse interstratifié entre le banc de conglomérat et le banc de grès.


Figure 3. Zoom arrière montrant les alternances conglomérat – grès - argile charbonneuse des deux images précédentes

Cet affleurement se situe sur la D335 entre Puy-Saint-André et Puy-Saint-Pierre, point ou punaise rouge sur les figures 5, 24 et 25. Localisation via Google earth avec le fichier Combarine.kmz.


Figure 4. Vue générale sur cet affleurement montrant les alternances conglomérat - grès - argile charbonneuse

Cet affleurement se situe sur la D335 entre Puy-Saint-André et Puy-Saint-Pierre, point ou punaise rouge sur les figures 5, 24 et 25. Localisation via Google earth avec le fichier Combarine.kmz.


Depuis des décennies, la région du Briançonnais est, à juste titre, le cadre d'innombrables excursions géologiques qui étudient les ophiolites, les témoins de la subduction alpine, les plis et les charriages… Pour les géologues, le nom de Briançonnais est également celui une zone paléogéographique particulière des Alpes, et, là aussi, de nombreuses excursions géologiques vont voir son Trias épais, son Jurassique condensé (la fameuse « ile briançonnaise »…). Mais seul un faible pourcentage des excursions géologiques s'intéresse au substratum des sédiments mésozoïques. Et ceux qui ne s'y intéressent pas ont bien tort ! Dans la région de Briançon, le substratum anté-triasique du Briançonnais (au sens géologique) est majoritairement constitué de Carbonifère moyen et supérieur, et d'un peu de Permien. Ces terrains carbonifères permettent, en étudiant les sédiments et les roches hypo-volcaniques qu'ils contiennent, d'étudier l'histoire tardive d'une chaine de collision, la chaine hercynienne.

Comme partout en France, le Carbonifère moyen et supérieur briançonnais correspond aux phases terminales de la collision hercynienne. En général en France, cela se traduit "tectoniquement" par de grands décrochements (exemple du sillon houiller à l'Ouest du Massif Central) et des grabens subsidents limités par des failles normales ou normales-décrochantes. Cela se traduit "sédimentairement" par le remplissage de ces bassins sédimentaires fluvio-lacustres internes à la chaine hercynienne en cours d'effondrement-étirement gravitaire (exemple des bassins de Saint Étienne, de Blanzy-Montceau les Mines…). Cela se traduit "magmatiquement", entre autres, par du volcanisme dont on retrouve des cendres (et parfois des coulées) inter-stratifiées dans les sédiments, sédiments souvent injectés de sills ou de dykes.

La tectonique carbonifère n'est pas facile à étudier en Briançonnais, à cause de la tectonique alpine qui s'y est superposée. Les histoires sédimentaire et magmatique tardi-hercyniennes, par contre, s'y voient très bien. Dans une première partie, nous verrons 18 photographies illustrant quelques aspects de cette histoire sédimentaire. Puis dans une deuxième partie, nous verrons quelques aspects de ce volcanisme tardi-hercynien, bien qu'il n'entre pas dans la "Sainte Trinité" classique du volcanisme.

Au Carbonifère, le Briançonnais correspondait au plus vaste de ces bassins intra-montagneux français. Il est connu sous le nom de « Zone Houillère Briançonnaise ». Dans cette zone, ce sont déposés des centaines de mètres de sédiments, alternances de conglomérats, de grès et d'argiles résultant de l'érosion des jeunes reliefs voisins, et aussi de charbons. Les conglomérats et les grès dominent largement, ce qui est normal dans ces dépressions internes aux montagnes. L'importance de la sédimentation comblait très rapidement les dépressions, qui étaient plus souvent des plaines d'inondation parcourues de cours d'eau divagants que de vrais lacs. La partie supérieure de ces sédiments contient des quartz rhyolitiques (d'après la notice de la carte géologique de Briançon). Plus au Nord (carte géologique de Névache), ont été trouvés, inter-stratifiés dans ces conglomérats, des niveaux de "tuff volcanique". Ces plaines d'inondation pouvaient être recouvertes de forêts ; les torrents issus des montagnes pouvaient charrier beaucoup de bois mort. Arbres en place ou déposés par les torrents en crue pouvaient être recouverts par des argiles pendant une période de calme, par des sédiments torrentiels lors des crues suivantes… Tout cela a permis le dépôt d'importantes couches de charbons. Ces couches ont été exploitées artisanalement ou semi-industriellement, mais n'ont jamais donné lieu à de grandes exploitations, à cause, entre autre, de la tectonique alpine qui a plissé, faillé… ces couches de charbon. Des livres décrivent les côtés historiques et géologiques de ces exploitations, par exemple Les mines paysannes du Briançonnais . Les fossiles de végétaux trouvés dans les pélites et les couches de charbon permettent de dater précisément cette sédimentation et ce volcanisme de la deuxième moitié du Carbonifère.

Comme souvent en montagne, et surtout dans les Alpes du Sud, les affleurements sont de qualité, certains facilement accessibles (bord de route ou courtes marches sur des chemins bien entretenus…). Des sentiers aménagés avec panneaux explicatifs permettent à tout un chacun de découvrir certains de ces sites (par exemple, avec le Géoparc des Alpes cottiennes ou la Société géologique et minière du Briançonnais (SGMB) pour le site de la Combarine qui est l'objet de la première partie de cet article). D'autre sites nécessitent des marches de plusieurs centaines de mètres de dénivelé mais pas plus que pour aller au Chenaillet.

Pour les photographies de terrain, nous nous contenterons aujourd'hui d'affleurements facilement accessibles. Nous compléterons ces images de terrain par des images Google Earth quand c'est nécessaire.

Figure 5. Vue aérienne du site de la Combarine, sur la rive droite de la Durance, 2,5 km au Sud-Ouest de Briançon

Les points de couleur localisent les figures : figures 1 à 4 et 6 à 10 pour le point rouge, 11 à 16 pour le point vert, 17 à 19 pour le point blanc, 20 pour le point orange. Les flèches noires indiquent des terrils (déblais des mines de charbon, les mines de la Combarine) non encore colonisés par la végétation.


Figure 6. Vue "bord de route" correspondant au point rouge sur la figure précédente

Cette image localise les figures 1 à 4 (croix rouge) et 7 à 10 (croix bleue).


Figure 7. Vue générale sur une grosse lentille conglomératique inter-stratifiée dans (et recoupant) des bancs de grès présentant eux-mêmes des stratifications obliques et des chenaux se recoupant les uns les autres

On a là des dépôts de plaines alluviales parcourues par des cours d'eau divagants et sujets à de fortes crues. La limite inférieure du banc conglomératique est très nette et recoupe les strates gréseuses sous-jacentes. Il s'agit d'une surface d'érosion : une crue ou un changement de lit du cours d'eau a érodé les couches de sables pré-existantes et créé un chenal. Ce chenal s'est rempli de graviers, de petits galets, maintenant devenus conglomérats.

Localisation : croix bleue sur la figure précédente.


Figure 8. Vue rapprochée sur une grosse lentille conglomératique inter-stratifiée dans (et recoupant) des bancs de grès présentant eux même des stratifications obliques et des chenaux se recoupant les uns les autres

On a là des dépôts de plaines alluviales parcourues par des cours d'eau divagants et sujets à de fortes crues. La limite inférieure du banc conglomératique est très nette et recoupe les strates gréseuses sous-jacentes. Il s'agit d'une surface d'érosion : une crue ou un changement de lit du cours d'eau a érodé les couches de sables pré-existantes et créé un chenal. Ce chenal s'est rempli de graviers, de petits galets, maintenant devenus conglomérats.


Figure 9. Zoom sur la base d'une grosse lentille conglomératique inter-stratifiée dans (et recoupant) des bancs de grès présentant eux même des stratifications obliques et des chenaux se recoupant les uns les autres

On a là des dépôts de plaines alluviales parcourues par des cours d'eau divagants et sujets à de fortes crues. La limite inférieure du banc conglomératique est très nette et recoupe les strates gréseuses sous-jacentes. Il s'agit d'une surface d'érosion : une crue ou un changement de lit du cours d'eau a érodé les couches de sables pré-existantes et créé un chenal. Ce chenal s'est rempli de graviers, de petits galets, maintenant devenus conglomérats.


Figure 10. Zoom sur le contact entre une grosse lentille conglomératique inter-stratifiée et les bancs de grès sous-jacents

On a là des dépôts de plaines alluviales parcourues par des cours d'eau divagants et sujets à de fortes crues. La limite inférieure du banc conglomératique est très nette et recoupe les strates gréseuses sous-jacentes. Il s'agit d'une surface d'érosion : une crue ou un changement de lit du cours d'eau a érodé les couches de sables pré-existantes et créé un chenal. Ce chenal s'est rempli de graviers, de petits galets, maintenant devenus conglomérats.


Figure 11. Un autre affleurement à banc de conglomérat, situé 250 m à l'Est de l'arrêt précédent, sur la même D335

On voit un banc conglomératique recoupant par une surface d'érosion très nette des grès sombres sous-jacents. Cette surface est localement concave, matérialisant ainsi la forme de la base d'un chenal. La granulométrie du banc conglomératique diminue progressivement de bas en haut, indiquant une diminution progressive de l'énergie du torrent à l'origine de ce niveau conglomératique.

Localisation  : point vert ou punaise verte sur les figures 5 et 22-23.


Figure 12. Zoom sur ce banc conglomératique carbonifère du Briançonnais

On voit un banc conglomératique recoupant par une surface d'érosion très nette des grès sombres sous-jacents. Cette surface est localement concave, matérialisant ainsi la forme de la base d'un chenal. La granulométrie du banc conglomératique diminue progressivement de bas en haut, indiquant une diminution progressive de l'énergie du torrent à l'origine de ce niveau conglomératique.


Figure 13. Zoom sur ce banc conglomératique carbonifère du Briançonnais

On voit un banc conglomératique recoupant par une surface d'érosion très nette des grès sombres sous-jacents. Cette surface est localement concave, matérialisant ainsi la forme de la base d'un chenal. La granulométrie du banc conglomératique diminue progressivement de bas en haut, indiquant une diminution progressive de l'énergie du torrent à l'origine de ce niveau conglomératique.


Figure 14. Gros plan sur ce conglomérat hercynien du Briançonnais

Le matériel détritique grossier est composé de galets centimétriques composés de quartz poly-cristallin d'origine filonienne, de roches para-dérivées (gneiss, schistes, quartzites) à métamorphisme anté-alpin polyphasé, issus d'un vieux socle cristallin et de sa couverture anté-Carbonifère moyen. Les galets sont en général assez arrondis : il y a donc déjà eu un transport notable de ces galets avant leur dépôt. Certains galets sont assez anguleux (fracturation secondaire d'un galet plus gros pendant le transport, ou arrivée juste en amont d'un affluent très court charriant des galets moins matures…).


Figure 15. Autre affleurement à alternances gréso-conglomératiques hercyniennes à quelques mètres du précédent

Un niveau de sable se trouve inter-stratifié au sein des conglomérats. Les variations relativement progressives de la granulométrie indiquent des variations progressives de l'énergie du cours d'eau.


Figure 16. Autre affleurement à alternances gréso-conglomératiques hercyniennes à quelques mètres du précédent

Un niveau de sable se trouve inter-stratifié au sein des conglomérats. Les variations relativement progressives de la granulométrie indiquent des variations progressives de l'énergie du cours d'eau.


Lors de crues, ces cours d'eau charriant sable et graviers inondaient parfois des arbres bien vivants et ensevelissait leur base dans plusieurs décimètres de sable et graviers, tout en laissant cette base de tronc en position de vie. La partie de l'arbre non ensevelie mourrait et disparaissait ; des argiles fines ou des bancs de sable pouvaient recouvrir ces bancs de graviers contenant des restes de troncs d'arbre en place. Le cours d'eau pouvait aussi charrier des arbres morts qui se déposaient "à plat" sur les bancs de graviers ou de sable lors de la fin de la crue. Là aussi, des argiles fines ou du sable pouvaient recouvrir ces bancs de graviers contenant des restes de troncs d'arbre couchés. Ces arbres ont ainsi pu se faire fossiliser, et on peut en trouver de fort beaux en se promenant dans le Carbonifère briançonnais, comme on peut aussi en voir ailleurs en position de vie, par exemple dans le Carbonifère des bassins d'Alès ( Une souche de Sigillaire en position de vie dans des grès , Tronc en charbon en position de vie dans des grès ), ou couchés, par exemple dans le bassin de Graissessac ( Fossiles de troncs d'arbres dans une couche de charbon ).

Figure 17. Affleurement avec un arbre fossile en position de vie

Cet arbre est facile à atteindre en suivant les sentiers aménagés signalés plus haut.

Localisation : point blanc ou punaise blanche sur les photos 5 et 24-25, étoile verte sur la figure 20.


Figure 18. Zoom sur un arbre fossile en position de vie

Cet arbre est facile à atteindre en suivant les sentiers aménagés signalés plus haut.


Figure 19. Zoom sur une portion d'arbre fossile en position de vie

Cet arbre est facile à atteindre en suivant les sentiers aménagés signalés plus haut.


Comme tout le monde devrait le savoir, le volcanisme est relativement abondant dans les chaines de collision, en particulier pendant leurs phases tardives, même s'il est moins abondant que dans les chaines de subduction ou le long des dorsales et de ce fait absent de la doxa habituelle (cf. Le plus méconnu des volcanismes, le volcanisme des zones de collision, et son volcan actif le plus emblématique : le Mont Ararat (Turquie orientale) ).

Les sédiments carbonifères du Briançonnais permettent de mettre en évidence ce volcanisme. Comme indiqué plus haut, d'après la notice de la carte géologique de Briançon, la partie supérieure de ces sédiments carbonifères contient des quartz rhyolitiques. Des rhyolites étaient en cours d'érosion dans la périphérie du bassin au Carbonifère supérieur. Plus au Nord (carte géologique de Névache), ont été trouvés, interstratifiés dans ces conglomérats, des niveaux de "tuff volcanique" prouvant là aussi l'existence d'un volcanisme actif au Carbonifère supérieur. Ces deux témoins du volcanisme carbonifère briançonnais sont discrets. Ce qui est par contre extrêmement visible, c'est que ce Carbonifère est injecté de dykes et surtout de très nombreux sills. Quand ces roches hypo-volcaniques sont proches de niveaux de charbons, elles les métamorphisent et les transforment en graphite, qui a été exploité. La notice de la carte de Névache décrit ainsi le gisement du Chardonnet (figures 24 et 25, plus bas) : « La mise en place des laves stéphaniennes (microdiorites), puis le métamorphisme alpin ont pu transformer localement le charbon en graphite (plombagine ) ; le processus a été suffisamment développé près du Col du Chardonnet pour donner un gisement exploitable (fin XIXe – début XXe siècle) ; l'entrée du travers-banc principal se situait à 2655 m sous l'arête du col et un câble acheminait la roche extraite jusqu'au pont de l'Alpe (RN91). Le produit a servi à la fabrication de crayons, balais de dynamo, creusets, graisses, huiles... »

Du point de vue de la chronologie relative, ces laves sont syn- ou post-Carbonifère supérieur. Quelques filons ont été datés dans la Zone Houillère Briançonnaise entre 270 et 280 Ma (Permien inférieur,cf. Late orogenic evolution of the Variscan lithosphere: Nd isotopic constraints from the western Alps , S. Cannic, H. Lapierre, P. Monié, 2002). Ces roches font partie de la série calco-alcaline (prouvant une fois de plus que le volcanisme calco-alcalin peut être produit en dehors d'un contexte de subduction), et leur nature s'échelonne entre des dolérites (= microgabbro, SiO2 = 50%), des micro-diorites (SiO2 = 57%), des micro-granodiorites (SiO2 = 62%) et des micro-granites (SiO2 = 70%). La notice de la carte géologique de Briançon d'où sont extraites les analyses ci-dessous précise : « Ces roches intrusives possèdent un caractère calco-alcalin bien marqué. Elles résulteraient de processus de cristallisation fractionnée [d'un magma basique] contrôlés par une forte teneur en eau du magma (non-participation du pyroxène et de l'olivine) et une forte fugacité d'oxygène (cristallisation précoce de la titanomagnétite). De telles conditions, cohérentes avec une contamination crustale, doivent être mises en relation avec l'existence d'une croûte continentale épaisse ». L'érosion a fait disparaitre tous les édifices volcaniques qui devaient exister au Carbonifère supérieur – Permien inférieur. Le volume des filons sous-jacents à ces volcans laisse supposer que ceux-ci devaient être très importants. On retrouve en Briançonnais ce qu'on avait vu en Anatolie Orientale, en pays Roannais, dans la chaine panafricaine, en Armorique… : les zones de collision, et en particulier lors des phases tardives, sont le lieu d'un magmatisme important (plutonisme, bien connu, mais aussi volcanisme plus méconnu), magmatisme faisant intervenir de la croûte (phénomène désormais classique) mais aussi du manteau, et ce pour de multiples et complexes raisons (extension lithosphérique entrainant une remontée de l'asthénosphère, détachement ou délamination lithosphériques…).

On peut remarquer que le département des Hautes-Alpes (avec en plus le canton de Bourg d'Oisans qui se trouve dans l'Isère) permet de retracer tous les stades de l'histoire d'une chaine de montagne, de sa naissance à sa mort, car une chaine jeune dont les dernières phases n'ont pas encore eu lieu (les Alpes) s'est installée sur une chaine ancienne (la chaine hercynienne) dont les phases tardives sont visibles. Les Alpes permettent de voir le rifting pré-ouverture océanique, une marge passive, un fond océanique, les manifestations tectono-métamorphiques de la subduction, les manifestations tectoniques et magmatiques superficielles de la collision. Mais les manifestations profondes tectono-métamorpho-magmatiques liées à la collision ne sont que très peu à l'affleurement, et l'histoire tardi-tectonique, en particulier l'extension tardive, qui a à peine débuté. Heureusement, ces stades profonds et/ou tardifs très peu visibles dans les Alpes sensu stricto affleurent dans la partie hercynienne des Alpes, dans les Massif Cristallins Externes (Les Écrins) pour les effets profonds de la collision, et dans le Briançonnais pour l'expression superficielle des évènements tardifs.

Figure 20. Photographie (brute et interprétée) prise depuis la D135 montrant un sill dans des sédiments carbonifères

Cette route recoupe un très épais sill de microdiorite (roche microgrenue équivalente à une dacite/andésite) intrusif dans les sédiments carbonifères. Le contact supérieur de ce sill avec les sédiments se voit très bien au centre de l'image. Macroscopiquement, cette roche hypovolcanique ne montre quasiment pas de minéraux visibles. On ne voit pas de structures magmatiques évidentes dans ce sill, en particulier du fait de son intense altération. Le tronc fossile des 3 images précédentes se trouve au niveau de l'étoile verte. Les 16 premières images ont été prises le long de la route indiquée par la flèche verte en haut à gauche.

Localisation : point ou punaise orange sur les figures 5 et 24-25


Figure 21. Détail du contact entre grès et pélites carbonifères (en haut à gauche) et microdiorite (en bas à droite)

On distingue grès et pélites carbonifères (en haut à gauche) avec stratification plus ou moins visible, et la microdiorite (en bas à droite), sans stratification mais présentant des cassures verticales. Au sommet à droite, on devine la terrasse d'observation d'où l'on peut voir le tronc d'arbre des figures précédentes.


Figure 22. Vue "bord de route" (brute et interprétée) d'un sill de microgranodiorite intrusif dans une alternance gréso-charbonno-pelitique

L'ensemble de la série (sédiments et sill) a été redressé presque à la verticale par la tectonique alpine. Une prismation frustre (perpendiculaire aux épontes) se devine dans ce sill. Ce sill se trouve sur la D234T (route du col du Granon), juste au-dessus de Villard-Laté.

Localisation : punaise jaune sur les figures 24 à 26 et via Google earth avec le fichier sill-du-Granon.kmz.


Figure 23. Détail de la base du sill visible sur route du col du Granon, juste au-dessus de Villard-Laté

La prismation grossière perpendiculaire aux bords du sill est bien visible.


Figure 24. Vue aérienne des environs Nord-Ouest et Sud-Ouest de Briançon

L'important sill de microdiorite de la Combarine (punaise orange) correspond à la masse vert-brun au NE de Puy-Saint-André sur la carte géologique. Les punaises rouge, verte et blanche correspondent aux sédiments carbonifères. La punaise jaune correspond au sill sur la route de Villard-Laté au col du Granon, la croix jaune au col du Chardonnet.


Figure 25. Vue aérienne géologique des environs Nord-Ouest et Sud-Ouest de Briançon

L'important sill de microdiorite de la Combarine (punaise orange) correspond à la masse vert-brun au NE de Puy-Saint-André sur la carte géologique. Les punaises rouge, verte et blanche correspondent aux sédiments carbonifères. La punaise jaune correspond au sill sur la route de Villard-Laté au col du Granon, la croix jaune au col du Chardonnet.


Figure 26. Carte géologique de la rive droite de la Guisane, torrent qui prend sa source au col du Lautaret et qui se jette dans la Durance à Briançon

Quand il n'y a pas de sédiments glaciaires (Gy), la majorité du versant dominant la vallée est fait de sédiments carbonifères [couleur grise sur les 2/3 droits de l'image, vert clair sur le 1/3 gauche (on change de carte géologique)]. Les couches bien visibles figurées en vert, gris très foncé et rouge-orangé représentent les sills de roches hypo-volcaniques intrusifs dans le Carbonifère. L'importance volumétrique de ce magmatisme méconnu est particulièrement visible dans le secteur du Chardonnet et de sa mine de graphite, à gauche de l'image, avec presque autant de sédiments carbonifères (vert-bleu clair) que de roches hypo-volcaniques (vert foncé). Un détail de ce secteur du Chardonnet (croix jaune à gauche) est visible sur les deux figures suivantes. Le sill de Villard-Laté est localisé par la punaise jaune à droite de la figure.


Figure 27. Carte géologique du secteur du Col du Chardonnet

Les sédiments carbonifères sont représentés en gris bleu. Les "couches" vert foncé intra-Carbonifère sont des sills de micro-granodiorite, équivalent microgrenu des dacites. Les "couches" orangées intra-Carbonifère sont des sills de micro-granite, équivalent microgrenu des rhyolites. L'ensemble de la série paléozoïque est recouverte de terrains plus jeunes (Trias et Jurassique rose et orangé). La grande quantité de roches magmatiques calco-alcalines contemporaines des phases tardives de la collision est ici particulièrement spectaculaire. Pourquoi en parle-t-on si peu ? Les punaises rouges indiquent les anciennes mines du Chardonnet. À droite, la vallée de la Guisane et la route nationale reliant Briançon au col du Lautaret.

Localisation via Google earth avec le fichier mines-du-Chardonnet.kmz.


Figure 28. Vue aérienne du secteur du col du Chardonnet, avec les mêmes échelles et projection que la figure précédente

La géométrie "stratifiée" au centre de la photo ne correspond pas simplement à la stratification des sédiments du Carbonifère, mais aux alternances sills de micro-granodiorite / sédiments carbonifères. Les punaises rouges indiquent les anciennes mines du Chardonnet. À droite, la vallée de la Guisane et la route nationale reliant Briançon au col du Lautaret.

Localisation via Google earth avec le fichier mines-du-Chardonnet.kmz.


Figure 29. Localisation de Briançon (punaise jaune) et du Briançonnais au sens géologique du terme (entouré de noir) sur la carte géologique de la France au 1/1 000 000

Le Carbonifère est représenté par les teintes gris-brun.