Les discordances du Grand Canyon du Colorado (Arizona, USA)

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

25/06/2018

Résumé

La « Great Unconformity » du Grand Canyon du Colorado, discordance majeure Cambrien sédimentaire / Protérozoïque inférieur métamorphique ou Cambrien sédimentaire / Protérozoïque supérieur sédimentaire. Discordance intra-protérozoïque et nécessaire vision 3D.


Figure 1. Vue d'ensemble de la rive Nord (rive droite) du Grand Canyon du Colorado depuis l'un des très nombreux points de vue aménagés par le Parc National sur la rive Sud (rive gauche), Arizona (USA)

Les trois quarts supérieurs de cette rive Nord sont constitués d'une série sédimentaire paléozoïque bien stratifiée et horizontale. Cette série sédimentaire débute à sa base par une barre gréseuse repère caractéristique : les grès Tapeats ( Tapeats Sandstone ) qui datent du Cambrien (525Y Ma). Ces grès recouvrent par une discordance majeure une série métamorphique datant du Protérozoïque inférieur, les Vishnu Schists , à schistosité sub-verticale. Ces Vishnu Schists sont intrudés par des filons de granite qui se sont insinués dans la schistosité, mais qui sont recoupés par la discordance anté-cambrienne. Cette discordance majeure Cambrien/Protérozoïque est appelée « Great Unconformity » par les Américains.


Le Grand Canyon du Colorado montre une coupe de plus de 1600 m à travers des terrains allant du Permien au Protérozoïque inférieur. On peut donc, si on descend jusqu'au au fond du canyon, voir de multiples faciès, des fossiles… Mais en restant en haut du canyon et en parcourant les sentiers très nombreux et très bien aménagés, on s'aperçoit qu'il y a en fait trois formations majeures. À l'aplomb et au Sud du « village » de Grand Canyon South Rim (où se trouvent presque toutes les installations touristiques de la rive gauche), on voit très bien une série paléozoïque horizontale quasi complète (malgré quelques lacunes) du Permien (270 Ma) au Cambrien (525 Ma). Cette série paléozoïque recouvre en discordance une série métamorphique et granitique du Protérozoïque inférieur. Il s'agit des Vishnu Schists , méta-sédiments tectono-métamorphisés il y a 1700-1800 Ma, puis injectés de filons de granite (les Zoroaster Granites ) datés de 1600 Ma. Cette discordance infra-cambrienne est appelée « Great Unconformity » par les géologues américains. Sur les figures annotées à venir, elle sera légendée “DCb” (Discordance du Cambrien basal). Il y a donc eu une orogenèse majeure, suivie d'une érosion très importante entre 1600 et 525 Ma.

À une vingtaine de kilomètres en amont de Grand Canyon South Rim Village , le Cambrien horizontal ne repose pas sur le Protérozoïque inférieur magmato-métamorphique, mais sur des sédiments datant du Protérozoïque supérieur (1200 à 600-700 Ma) constituant la formation appelée Grand Canyon Super Group . Cette série sédimentaire n'est pas métamorphisée, mais simplement incliné d'une quinzaine de degrés vers l'Est. Elle a donc subi un basculement (plis à grand rayon de courbure, basculement dû à des failles…) postérieurement à 600-700 Ma, mais avant le dépôt des premiers sédiments cambriens (525 Ma). La discordance du Cambrien basal est donc “mixte” : le Cambrien repose parfois (en aval) sur des roches très tectono-métamorphisées du Protérozoïque inférieur, parfois (en amont) sur des sédiments non tectono-métamorphisés mais simplement basculés du Protérozoïque supérieur. Puisque le Cambrien repose en discordance sur ces deux types de terrains d'âge et d'histoire tectonique différents, il serait intéressant de voir la nature du contact Protérozoïque supérieur/Protérozoïque inférieur, et de voir comment la discordance du Cambrien basal recoupe ce contact.

On pourra alors proposer une histoire géologique globale du Plateau du Colorado entre 1800 et 270 Ma.

Et on n'oubliera pas un autre chapitre de l'histoire locale, chapitre “tardif” mais morphologiquement majeur : la surrection du plateau et le creusement concomitant des canyons par les rivières, qui ont débuté il y a 20 à 30 Ma et qui se poursuivraient encore.

Les figures 2 à 5 montreront des détails ou des vues d'ensemble de la discordance Cambrien/Protérozoïque inférieur légèrement en aval de Grand Canyon South Rim Village . Les figures 6 à 11 montreront et expliciteront la discordance Cambrien/Protérozoïque supérieur en amont. Les figures 12 à 15 montreront la nature du contact Protérozoïque supérieur/Protérozoïque inférieur et comment la discordance du Cambrien basal recoupe/repose sur ce contact. Les figures 16 à 22 replaceront les trois sites de prises de vue dans le Grand Canyon, et retraceront l'histoire géologique du secteur du Plateau du Colorado.

Figure 2. La discordance Cambrien / Vishnu Schists et granites du Protérozoïque inférieur, Grand Canyon du Colorado, Arizona (USA)

On voit bien la schistosité sub-verticale des Vishnu Schists et les filons de granite injectés dans cette schistosité.


Figure 3. Zoom sur la discordance Cambrien / Vishnu Schists et granites du Protérozoïque inférieur

On voit bien la schistosité sub-verticale des Vishnu Schists et les filons de granite injectés dans cette schistosité.


Figure 4. Détail de la discordance Cambrien / Vishnu Schists et granites du Protérozoïque inférieur

L'éclairage met bien en valeur la schistosité sub-verticale des Vishnu Schists et les filons de granites injectés dans cette schistosité.


Figure 5. Vue d'ensemble du canyon du Colorado depuis Grand Canyon South Rim Village , Arizona (USA)

Le Colorado coule de la droite de la photo (derrière les arbres) vers la gauche. Le canyon est si étroit dans les Vishnu Schists que le fleuve est invisible. La vallée rectiligne qui part du fond du canyon vers le fond de l'image (au tiers droit de l'image) correspond à un affluent du Colorado. La discordance Cambrien / Protérozoïque se voit très bien, sauf peut-être au centre de la photo. Les images précédentes sont localisées au tiers gauche de l'image.


Figure 6. Vue d'ensemble de l'amont du Grand Canyon, 20 km en amont du Grand Canyon South Rim Village , Arizona (USA)

Le canyon est moins profond qu'en aval, et le Cambrien ne repose pas sur les Vishnu Schists , mais sur des sédiments du Protérozoïque supérieur, inclinés mais non métamorphiques.


Figure 7. Zoom sur le centre de l'image précédente, permettant de bien voir la discordance Cambrien/Protérozoïque supérieur stratifié, Grand Canyon du Colorado, Arizona (USA)

Une partie bien stratifiée et bien orientée du Protérozoïque supérieur permet de bien voir la discordance Cambrien/Protérozoïque supérieur.


Figure 8. Détail de la discordance Cambrien/Protérozoïque supérieur stratifié, Grand Canyon du Colorado, Arizona (USA)

Zoom sur le centre de la figure précédente.

Voir l'interprétation sur la figure suivante.


Figure 9. Interprétation de la discordance Cambrien/Protérozoïque supérieur, Grand Canyon du Colorado, Arizona (USA)

On voit très bien le Cambrien horizontal reposer en discordance (DCb = Discordance du Cambrien basal) sur le Protérozoïque supérieur incliné. Cette discordance se voit bien à gauche de l'image (secteur Ouest) mais ne se voit pas à droite (secteur Est). Il s'agit là d'un effet purement géométrique, effet trompeur et piège dans lequel tombent régulièrement les étudiants débutants. En effet, à l'Est, la direction de l'affleurement est parallèle à la direction des couches protérozoïques, et le pendage de ces dernières ne se voit alors pas.


Figure 10. Vue sous un autre angle du même secteur que les images précédentes, Grand Canyon du Colorado, Arizona (USA)

Le secteur Ouest (où se voit bien la discordance) ne se distingue que très peu, et le secteur Est (où la discordance ne se voit pas) se voit bien, de face. Combien de touristes s'arrêtant à ce belvédère n'ont pas vu la discordance ?


Figure 11. Bloc diagramme théorique expliquant la raison géométrique pour laquelle la discordance se voit bien sur les faces 1 et 3 du canyon, mais pas sur la face 2

La face 2, verticale, a une direction approximative N120° (ESE) ; les couches inclinées ont la même direction, avec un pendage de 30° vers le Nord (couches N120°, 30°N). Le parallélisme des directions entre la face 2 et les couches inclinées empêche de voir cette discordance sur cette face, alors qu'elle est parfaitement visible sur les deux autres.


Figure 12. Vue sur la discordance du Cambrien basal (DCb) reposant en aval (à gauche) sur le Protérozoïque inférieur et en amont (à droite) sur le Protérozoïque supérieur

Sur la moitié droite de la photo, là où le Protérozoïque supérieur est présent, ce Protérozoïque supérieur sédimentaire repose sur le Protérozoïque inférieur métamorphique par l'intermédiaire d'une discordance (Discordance du Protérozoïque supérieur basal = DPsb). Cette discordance DPsb est recoupée par la discordance DCb.


Figure 13. Vue sur la discordance du Cambrien basal (DCb) reposant en aval (à gauche) sur le Protérozoïque inférieur et en amont (à droite) sur le Protérozoïque supérieur

Sur la moitié droite de la photo, là où le Protérozoïque supérieur est présent, ce Protérozoïque supérieur sédimentaire repose sur le Protérozoïque inférieur métamorphique par l'intermédiaire d'une discordance (Discordance du Protérozoïque supérieur basal = DPsb). Cette discordance DPsb est recoupée par la discordance DCb.



Figure 15. Interprétation du zoom sur la discordance du Cambrien basal (DCb) recoupant la discordance du Protérozoïque supérieur basal (DPsb)

On distingue très bien les terrains horizontaux du Cambrien (et ceux situés au-dessus), le Protérozoïque supérieur incliné, et le socle métamorphique Protérozoïque inférieur. On voit très bien la Discordance du Cambrien basal (DCb, en rouge) recouper la Discordance du Protérozoïque supérieur basal (DPsb, en bleu ciel).


Figure 16. Localisation des trois secteurs où ont été prises les photos précédentes, Grand Canyon du Colorado, Arizona (USA)

La punaise “Discordance 1” correspond aux figures 1 à 5, la “Discordance 2” aux figures 6 à 11, et la “Discordance 3” aux figures 12 à 15.

Accès par fichier kmz à la “Discordance 1”, à la “Discordance 2”, e à la “Discordance 3”, à retrouver aussi sur la figure suivante.


Figure 17. Interprétation schématique de l'empilement des roches visibles dans la paroi du Grand Canyon du Colorado, Arizona (USA)

Le rectangle 1 correspond aux figures 1 à 5, le rectangle 2 aux figures 6 à 11, et le rectangle 3 aux figures 12 à 15.


Figure 18. Histoire simplifiée du secteur du Grand Canyon du Colorado, Arizona (USA)

Ni les étapes antérieures au stade 1 (formation d'une chaine de montagne…) ni les étapes postérieures au stade 4 (surrection du plateau et érosion par les cours d'eau) ne sont représentées ici.


Figure 19. Panneau explicatif implanté sur un sentier longeant le Grand Canyon du Colorado

Les Parcs Nationaux américains sont aménagés afin que le touriste curieux des choses de la nature, en particulier curieux en géologie, puisse interpréter ce qu'il voit. Cette photo est un exemple de panneau qu'on peut trouver en parcourant les sentiers longeant le Grand Canyon. De tels panneaux sont, hélas, beaucoup plus rares et bien moins complets dans les parcs français.


Figure 20. L'interprétation d'un paysage n'est pas toujours immédiate, et souvent aller sur le terrain est nécessaire

Si à droite et à gauche de l'image la situation est claire ( Tapeats Sandstone du Cambrien reposant sur les Vishnu Schists du Protérozoïque inférieur) la situation au centre de l'image est moins claire. Il semble que du Protérozoïque supérieur soit présent, et il n'est pas absolument évident que la barre rocheuse la plus basse corresponde au Tapeats Sandstone .


Figure 21. Log stratigraphique précis de la série du Grand Canyon du Colorado, avec le nom des étages stratigraphiques, leur âge en million d'années, le nom des formations, leur épaisseur

Cette figure montre que le Tapeats Sandstone (formation 11) n'est pas continu, ce qui explique peut-être les difficultés d'interprétation de certains secteurs, comme celui de la figure précédente.


Figure 22. Localisation du Grand Canyon du Colorado, Amérique du Nord