Mots clés : granite, laccolite, pegmatite

Le Mont Rushmore (Dakota du Sud, USA) : la base d'une intrusion granitique, des filons de pegmatites et quatre présidents

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

20/11/2017

Résumé

Contact magmatique entre un granite et son encaissant, falaise de granite sculptée et parsemée de filons de pegmatites.


Figure 1. Extrémité Ouest de la célèbre falaise du Mont Rushmore dans les Black Hills , près de Rapid City dans le Dakota du Sud (USA), falaise connue pour les visages sculptés de quatre présidents américains

Cette falaise est mondialement célèbre parce que les visages de quatre présidents américains y ont été sculptés dans le granite, dont George Washington visible à gauche. Ce Mount Rushmore National Memorial pourrait aussi être célèbre parce qu'on y voit remarquablement bien l'encaissant sur lequel s'est mis en place une intrusion granitique (un batholite ou plutôt un laccolithe) ainsi que le contact "magmatique" granite/encaissant.

À droite, interprétation à main levée de ce contact granite/encaissant. On voit très bien que la base de la falaise est faite d'une roche présentant une orientation (un micaschiste en l'occurrence) : c'est l'encaissant dans/sur lequel s'est mis en place l'intrusion granitique. Le sommet de la falaise est fait d'une roche isotrope, avec des diaclases et un début de débit en boule : le granite de Black Elk Peak (1,6 Ga). Le contact que l'on peut localiser avec précision est matérialisé par la ligne rouge.



Figure 3. Le Mont Rushmore et ses quatre présidents américains

Les quatre présidents sont, de gauche à droite, George Washington (1732-1799), Thomas Jefferson (1743-1826), Théodore Roosevelt (1858-1919) et Abraham Lincoln (1809-1865).

Au premier plan, l'avenue des drapeaux où sont présents les drapeaux des cinquante états des États-Unis d'Amérique. Cette avenue conduit de l'entrée du Mémorial (avec ses boutiques, son centre d'information…) jusque vers le départ du sentier permettant de se promener au pied de la falaise dans un cadre plus naturel, sentier nommé le Presidential Trail .


Le Mont Rushmore est un haut lieu du tourisme aux USA. En effet, le sculpteur américain d'origine danoise Gutzon Borglum (1867-1941), y a conçu (et dirigé les travaux faits par 400 ouvriers) quatre sculptures géantes (18 m de haut) représentant les visages de quatre présidents des USA : George Washington (1732-1799), Thomas Jefferson (1743-1826), Théodore Roosevelt (1858-1919) et Abraham Lincoln (1809-1865). Les travaux débutèrent en 1927 et se terminèrent en 1941. Mais, outre ces sculptures, ce site mériterait aussi d'être connu pour sa géologie. On y voit en effet, ce qui est relativement rare, le substratum sur/dans lequel s'est mise en place une intrusion granitique, le granite de Black Elk Peak . Ce granite est daté de la fin du Protérozoïque inférieur (1,6 Ga). Il est intrusif dans une série de roches métamorphiques préexistantes (principalement des micaschistes), encore plus vieilles.

Il est maintenant bien connu et largement représenté dans des figures schématiques (comme celles représentant le magmatisme des zones de subduction) que les granitoïdes forment souvent des intrusions en forme de montgolfières quand elles sont de petites tailles et isodiamétriques, et en forme de lentilles (laccolites) quand leur diamètre est largement supérieur à leur épaisseur. Sauf au niveau de sa zone d'alimentation, à sa base, une intrusion granitique repose donc sur son encaissant. C'est très souvent schématisé sur les figures, très peu souvent montré en photograhie, et relativement rarement visible sur le terrain. Planet-Terre vous a déjà montré quelques exemples : en Bretagne ( Le contact Sud du granite de Ploumanac'h sur l'île Milliau, Trébeurden (Côtes d'Armor) ), en Algérie (figure 15 de Le contact Sud du granite de Ploumanac'h sur l'île Milliau, Trébeurden (Côtes d'Armor) ), en Patagonie ( Un pluton granitique vu globalement en 3D, région du lac Général Carrera-Buenos Aires, Chili et L'intrusion granitique de Torres del Paine (Chili) : un exemple de laccolite …). Mais, avec ses 2 500 000 visiteurs annuels, la base du granite de Black Elk Peak est potentiellement la plus visitée de toutes les bases d'intrusion granitique du monde. Mais quel pourcentage de ces visiteurs annuels du Mont Rushmore a remarqué cette limite et l'a apprécié à sa juste valeur ? Si le Mount Rushmore National Memorial en parle dans ses documents et panneaux explicatifs, c'est alors suffisamment bien "caché" pour que je ne l'aie pas vu pendant mes 2 heures de visite rapide. C'est dommage, car c'est la présence de cette base micaschisteuse qui, avec des raisons financières, a empêché la sculpture des bustes sous les visages (et non pas des simples visages) contrairement à ce qui avait été prévu à l'origine.

Enfin, les micaschistes de l'encaissant et surtout le granite lui-même sont parcourus de très beaux filons de pegmatite qui "balafrent" les visages des présidents, celui de Lincoln en particulier.

Nous vous montrons par la suite une figure montrant très schématiquement la géométrie théorique d'une intrusion granitique et la position du Mont Rushmore dans cette intrusion théorique, puis des photographies dans le paysage et en affleurement vu de près du contact granite/micaschistes, et, pour finir, des images de filons de pegmatites.

Figure 4. Schéma explicatif de la formation du Mont Rushmore

À gauche, schéma théorique extrêmement simplifié montrant la géométrie d'une intrusion magmatique (en rouge) en profondeur sous une chaîne de montagne (protérozoïque dans le cas du Mont Rushmore). La déformation occasionnée par la mise en place de cette masse magmatique n'est pas représentée ici. Le trait en pointillé représente l'actuelle surface d'érosion au niveau du Mont Rushmore.

À droite, ce qu'il reste de cette chaine de montagne protérozoïque après 1,6 milliard d'années d'histoire géologique. Le Mont Rushmore permet de voir la base de l'intrusion granitique surmontant l'encaissant métamorphique préexistant.


Figure 5. La limite granite/encaissant à l'Ouest de la falaise du Mont Rushmore (Dakota du Sud, USA)

Cette limite est bien visible et "indiscutable" là où les aménagements entrepris entre 1927 et 1941 ont laissé la paroi brute (partie gauche de la photo). À droite de l'affleurement, les aménageurs ont rectifié et aplani la surface du granite, en laissant bruts les micaschistes. La limite surface aplanie/surface brute matérialise approximativement la limite granite/micaschistes. Des filons ou amas pegmatitiques sont visibles dans le granite et dans les micaschistes.


Figure 6. La limite granite/encaissant à l'Ouest de la falaise du Mont Rushmore (Dakota du Sud, USA)

Cette limite est bien visible et "indiscutable" là où les aménagements entrepris entre 1927 et 1941 ont laissé la paroi brute (partie gauche de la photo). À droite de l'affleurement, les aménageurs ont rectifié et aplani la surface du granite, en laissant bruts les micaschistes. La limite surface aplanie/surface brute matérialise approximativement la limite granite/micaschistes. Des filons ou amas pegmatitiques sont visibles dans le granite et dans les micaschistes.


Figure 7. Zoom sur la limite granite/encaissant à l'Ouest de la falaise du Mont Rushmore (Dakota du Sud, USA)

Cette limite est bien visible et "indiscutable" là où les aménagements entrepris entre 1927 et 1941 ont laissé la paroi brute (partie gauche de la photo). À droite de l'affleurement, les aménageurs ont rectifié et aplani la surface du granite, en laissant bruts les micaschistes. La limite surface aplanie/surface brute matérialise approximativement la limite granite/micaschistes. Des filons ou amas pegmatitiques sont visibles dans le granite et dans les micaschistes.



Figure 9. Maquette (de 5 m de haut) montrant le projet initial de Gutzon Borglum de sculpture des 4 présidents, Mont Rushmore (USA)

Cette maquette se trouve dans le Sculptor's Studio , situé sur le Presidential Trail , depuis où Gutzon Borglum dirigeait les travaux. Selon le projet initial, la sculpture devait comprendre les bustes, les bras…, au moins pour les deux présidents situés à l'extérieur, soit des sculptures deux à quatre fois plus hautes qu'elles ne furent finalement réalisées. Pour des raisons budgétaires mais aussi géologiques, seul le quart ou tiers supérieur fut réalisé. En effet, les micaschistes s'avérèrent plus difficiles à lisser-polir et/ou montaient plus haut qu'initialement envisagé.


Figure 10. Mise en vis-à-vis à la même échelle et (presque) avec la même orientation des parties gauches de la sculpture finale et de la maquette (Washington et Jefferson), Mont Rushmore (USA)

La limite granite/micaschiste qui s'est avérée être plus haute que la rangée de boutons inférieure, que le bas de la redingote et que la pliure du bras… a empêché de réaliser ou de finir les 2/3 inférieurs de ce qui était prévu.


Il est interdit (et ce serait de toute façon très difficile) d'atteindre la limite granite/micaschistes au milieu de la falaise. Mais cette limite n'est pas horizontale et pend vers le Sud. Elle affleure juste entre Centre d'Information près de l'entrée et l'Avenue des drapeaux dans un "bloc" épargné par les aménageurs. Et le Presidential Trail recoupe plusieurs fois cette limite.

Figure 13. Affleurement, situé juste entre le Centre d'information et l'Allée des drapeaux du Mount Rushmore National Memorial , exposant dans d'excellentes conditions la limite granite (en haut) / micaschistes (en bas)

Environ 2 500 000 visiteurs passent chaque année à moins de 5 m de cet affleurement qui n'est absolument pas signalé. Si la géologie (comme l'écologie et la nature en général) est en général très bien mise en valeur dans les parcs nationaux américains (bien mieux que dans leurs équivalents français), ce n'est manifestement pas le cas dans les National Memorials (aires ou sites protégés en l'honneur d'un personnage ou d'un évènement historique), du moins dans celui du Mont Rushmore.


Figure 14. Affleurement, situé juste entre le Centre d'information et l'Allée des drapeaux du Mount Rushmore National Memorial , exposant dans d'excellentes conditions la limite granite (en haut) / micaschistes (en bas)

Environ 2 500 000 visiteurs passent chaque année à moins de 5 m de cet affleurement qui n'est absolument pas signalé. Si la géologie (comme l'écologie et la nature en général) est en général très bien mise en valeur dans les parcs nationaux américains (bien mieux que dans leurs équivalents français), ce n'est manifestement pas le cas dans les National Memorials (aires ou sites protégés en l'honneur d'un personnage ou d'un évènement historique), du moins dans celui du Mont Rushmore.


Figure 15. Détail sur le contact granite/micaschistes, près du Centre d'information du Mount Rushmore National Memorial (Dakota du Sud, USA)

Le granite est localement parcouru de passées pegmatitiques. On note l'absence de brèche tectonique, de mylonite ou de toute autre indication de mouvements tectoniques entre granite et micaschistes. Ce contact est bien un contact magmatique et non pas un contact tectonique.


Figure 16. Détail sur le contact granite/micaschistes, près du Centre d'information du Mount Rushmore National Memorial (Dakota du Sud, USA)

Le granite est localement parcouru de passées pegmatitiques. On note l'absence de brèche tectonique, de mylonite ou de toute autre indication de mouvements tectoniques entre granite et micaschistes. Ce contact est bien un contact magmatique et non pas un contact tectonique.


Figure 17. Détail sur le contact granite/micaschistes, près du Centre d'information du Mount Rushmore National Memorial (Dakota du Sud, USA)

Le granite est localement parcouru de passées pegmatitiques. On note l'absence de brèche tectonique, de mylonite ou de toute autre indication de mouvements tectoniques entre granite et micaschistes. Ce contact est bien un contact magmatique et non pas un contact tectonique.


Figure 18. Détail sur le contact granite/micaschistes, quelque part le long du Presidential Trail , Mont Rushmore (USA)

On note l'absence de brèche tectonique, de mylonite ou de toute autre indication de mouvements tectoniques entre granite et micaschistes. Ce contact est bien un contact magmatique et non pas un contact tectonique.


Les micaschistes et surtout le granite sont recoupés de filons de pegmatites. Rappelons que les pegmatites sont des roches magmatiques filoniennes abondantes dans et en périphérie des granites, caractérisées par des cristaux de taille anormalement grande. Elles correspondent la plupart du temps à des liquides résiduels subsistant en fin cristallisation du granite, liquides saturés en eau. L'abondance de l'eau dissoute dans le magma favorise la diffusion des ions dans le magma et provoque cette "anomalie" de cristallisation. On peut voir ces pegmatites sous forme de "trainées" blanches sur les parois granitiques des sculptures, et aussi le long du Presidential Trail .

Figure 19. Les quatre sculptures des quatre présidents du Mont Rushmore (USA) sont parcourues de trainées blanches, des filons de pegmatites

On voit particulièrement bien les filons de pegmatite sur le col de Washington et le front de Lincoln.




Figure 22. Un filon de pegmatite recoupant le granite sur le bord du Presidential trail , Mont Rushmore (USA)

La taille des cristaux de quartz et de feldspath est supérieure à la longueur du couteau suisse.


Figure 23. Détail sur un filon de pegmatite recoupant le granite sur le bord du Presidential trail , Mont Rushmore (USA)

La taille des cristaux de quartz et de feldspath est supérieure à la longueur du couteau suisse.


Une question a été posée suite à publication de cet article : « Pourquoi voit-on une nette auréole de métamorphisme dans l'encaissant d'une intrusion granitique dans certains cas (Flamanville) et pas dans d'autres (Mont Rushmore ou Torres Del Paine) » ? Cette question mérite une double réponse.

1/ C'est d'abord une question d'échelle d'observation. Le métamorphisme de contact, souvent, ne modifie pas trop l'allure de la roche. Si, par exemple, elle est stratifiée, les strates demeurent. Certes elles changent de minéralogie, mais pas forcément l'allure de la roche "vue de loin". Par exemple, au contact du granite de Ploumanac'h, vu de loin, on voit un encaissant stratifié, identique près du granite ou 1000 m plus loin, sans que le métamorphisme se voit cf. Le contact Sud du granite de Ploumanac'h sur l'île Milliau, Trébeurden (Côtes d'Armor) ). Mais, vu de près, et a fortiori en lame mince, le métamorphisme saute aux yeux avec des andalousites visibles à l'œil nu (cf. Métamorphisme et tectonique dans l'encaissant du granite de Ploumanac'h, île Milliau, Trébeurden, Côtes d'Armor ). Il peut aussi y avoir recristallisation sans changement majeur de minéralogie (passage d'un grès à une quartzite, par exemple). On pourrait alors noter un changement de résistance à l'érosion. C'est sans doute le cas à Torres del Paine ou l'encaissant sédimentaire doit avoir une minéralogie modifiée au contact du granite, mais cela ne se voit pas de loin (cf. L'intrusion granitique de Torres del Paine (Chili) : un exemple de laccolite ). Et aller toucher ce contact pour le voir de près n'est pas facile (je ne l'ai pas fait).

2/ Il y a aussi le rôle de le nature de l'encaissant. Si l'encaissant est sédimentaire, donc constitué de minéraux stables à basse température comme des argiles, son métamorphisme de contact a engendré de nouveaux minéraux comme de l'andalousite, et ça se voit. Mais si l'encaissant est constitué de roches métamorphiques (ou plutoniques) constituées de minéraux stables à haute température, il n'y aura pas (ou peu) de synthèse de nouveaux minéraux, et un examen rapide à l'œil nu ne révèlera rien. C'est sans doute le cas au Mont Rushmore. Il faudrait faire une lame mince dans les micaschistes juste au contact du granite et la comparer avec une lame faite dans les mêmes micaschistes prélevés loin de ce contact. Un spécialiste du métamorphisme verrait sans doute de subtiles différences entre ces lames, mais celles-ci ne sautent pas aux yeux quand on ne fait que se promener dans ce site.

Figure 24. Localisation du Mont Rushmore, au Sud-Est du Dakota du Sud (USA)


Mots clés : granite, laccolite, pegmatite