Pourquoi y a-t-il tant d'arches dans le Parc national des Arches (Utah, États-Unis d'Amérique) ?

Matthias Schultz

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

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

26/11/2018

Résumé

Diapirisme salifére, fracturation tectonique dans des grès perméables et érosion sous climat aride : une évolution érosive passant par des arches.


Figure 1.  Landscape Arch , dans le Jardin du Diable ( Devil's Garden ), au Nord-Est de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

Il s'agit de la plus grande arche recensée en Amérique du Nord, s'étendant sur plus de 97 m et culminant à 32 m au-dessus du sol. À l'endroit le plus mince, sa largeur est d'à peine plus de 3 m et son épaisseur de moins de 2 m. On distingue une arche en formation à l'arrière-plan.


Il existe des arches de pierre et autres ponts naturels en de nombreux endroits sur Terre, par exemple le célèbre Pont d'Arc enjambant l'Ardèche ; mais un endroit au monde rassemble un nombre impressionnant d'arches naturelles : le Parc national des Arches ( Arches National Park ), s'étendant sur 300 km2 environ en Utah, où plus de 2 000 de ces structures sont recensées. Comment expliquer une telle concentration ?

Pour comprendre l'origine de cette élégante morphologie, il faut d'abord distinguer, comme les géologues américains, les ponts des arches. Si un pont naturel s'explique, comme dans le cas emblématique du Pont d'Arc sur l'Ardèche, par l'érosion due à un cours d'eau, une arche au sens strict n'est pas associée à un écoulement de rivière actuel ou passé. Commençons par observer plusieurs arches très photogéniques situées dans le Parc national des Arches avant de comprendre les mécanismes impliqués dans leur formation.

Figure 2.  Tower Arch dans le secteur des Klondike Bluffs au Sud-Ouest de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

Le visiteur donne l'échelle. On distingue à l'arrière-plan des pinacles de roches pouvant représenter les restes d'anciennes arches effondrées.


Figure 3. Le secteur des Fenêtres ( The Windows ) avec la Parade des Éléphants, au Sud de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

Outre Double Arch , au centre, on distingue différents stades de formation puis de destruction d'arches.


Figure 4.  Double Arch , sur la gauche, accompagnée à droite par différents stades de formation d'arches, Parc national des Arches (Utah)

Les visiteurs donnent l'échelle et permettent de constater le défi représenté par le tourisme de masse dans le Parc national des Arches. Notez également l'aspect ondulé, perturbé des joints stratification de la couche de roche formant la base des arches (ici, membre Dewey Bridge de la formation Carmel).


Figure 5. Détail de Double Arch , Parc national des Arches (Utah)

Les visiteurs donnent l'échelle, et permettent de constater le défi représenté par le tourisme de masse dans le Parc national des Arches. Notez également l'aspect ondulé, perturbé des joints stratification de la couche de roche formant la base des arches (ici, membre Dewey Bridge de la formation Carmel).


Figure 6. Vue d'ensemble des Fenêtres ( The Windows ), au Sud de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

Notez que le sol du désert et la végétation semblent en partie préservés de ce côté des Fenêtres : ce n'est pas le cas sur l'autre face, davantage piétinée par les touristes, ni sous Double Arch , où la roche apparait nue. Remarquez également l'aspect ondulé, perturbé des joints stratification de la couche de roche formant la base des arches (ici, membre Dewey Bridge de la formation Carmel).


Figure 7. Détail de l'une des Fenêtres montrant la finesse de l'arche, Parc national des Arches (Utah)

Notez également l'aspect ondulé, perturbé des joints stratification de la couche de roche formant la base des arches (ici, membre Dewey Bridge de la formation Carmel).


Figure 8. Détail de l'une des Fenêtres, Parc national des Arches (Utah)

Notez l'aspect ondulé, perturbé des joints stratification de la couche de roche formant la base des arches (ici, membre Dewey Bridge de la formation Carmel).


Figure 9. Arches à différents niveaux stratigraphiques dans les grès Entrada, Parc national des Arches (Utah)

Ces arches montrent qu'elles peuvent s'établir au sein d'une même formation rocheuse (ici les grès Entrada), mais sans doute à la faveur de discontinuités en termes de perméabilité et de résistance à l'érosion, que la photo permet d'ailleurs de deviner à de la base de chacune des arches (changements de couleurs d'une strate à l'autre…).


Figure 10. Vue sur la Cassidy Arch , sculptée dans les grès Navajo clairs, Parc national de Capitol Reef

On trouve des arches en d'autres lieux du plateau du Colorado, et dans d'autres couches de grès aux propriétés similaires aux grès Entrada. Les grès Navajo sont des grès éoliens correspondant à un ancien erg (désert de dunes), dont les magnifiques stratifications entrecroisées sont bien visibles ici, toujours d'âge jurassique, mais plus anciens que les grès Entrada, donc situés stratigraphiquement en dessous. La concentration en arches dans le Parc national des Arches est cependant inégalée.

Voir aussi Waterpockets , potholes , et taffonis… superbes alvéoles érosives dans les grès du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique) pour une explication de la formation particulière de cette arche (figure 20).


Figure 11. La Cassidy Arch , sculptée dans les grès Navajo clairs, Parc National de Capitol Reef

On trouve des arches en d'autres lieux du plateau du Colorado, et dans d'autres couches de grès aux propriétés similaires aux grès Entrada. Les grès Navajo sont des grès éoliens correspondant à un ancien erg (désert de dunes), dont les magnifiques stratifications entrecroisées sont bien visibles ici, toujours d'âge jurassique, mais plus anciens que les grès Entrada, donc situés stratigraphiquement en dessous. La concentration en arches dans le Parc national des Arches est cependant inégalée.

Le visiteur donne l'échelle (la Cassidy Arch est l'une des rares arches sur lesquelles il est autorisé de marcher). Remarquez également l'érosion en dômes des grès Navajo, qui a donné son nom au Parc National de Capitol Reef , certains de ces dômes évoquant celui du Capitole.

Voir aussi Waterpockets , potholes , et taffonis… superbes alvéoles érosives dans les grès du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique) pour une explication de la formation particulière de cette arche (figure 20).


L'observation de ces diverses arches spectaculaires du Parc national des Arches est riche en informations. On constate d'abord que les roches impliquées sont principalement trois couches sédimentaires appartenant au groupe de San Rafael, d'âge jurassique. Il s'agit, de la plus ancienne à la plus récente (donc de bas en haut dans la pile sédimentaire) :

  1. Du membre Dewey Bridge de la formation Carmel, constitué d'argiles et de silts déposés dans un ancien système littoral de réseaux fluviatiles et de plaines d'inondation. Son épaisseur va de 6 à 30 m. Cette formation imperméable mais aisément érodable constitue fréquemment le niveau de base des arches (cas des figures du secteur des Fenêtres). Son aspect perturbé, froissé, bien visible sur les figures précédentes, correspond à la déformation des sédiments encore meubles et mal consolidés lors du dépôt des couches suivantes.
  2. Du membre Slickrock des grès Entrada, correspondant à un ancien champ de dunes éoliennes côtières. Il s'agit de grès siliceux massifs, à grain fin et à ciment calcaire, d'épaisseur allant de 60 à 160 m, et de couleur rouge sombre. La majorité des arches sont sculptées dans cette roche, bien visible sur toutes les figures précédentes (partie supérieure massive et homogène des arches des figures 4 à 8 notamment).
  3. Du membre Moab de la formation Curtis, dans lequel sont aussi creusées certaines arches. Il s'agit de grès issus du remaniement marin des grès Entrada précédents, dont ils diffèrent notamment par une couleur plus pâle. Son épaisseur varie de 20 à 30 m. La formation Curtis, comme les grès Entrada, résistent bien à l'érosion et forment donc souvent des parois abruptes dans le parc.

On constate ensuite que la base des arches correspond souvent à une discontinuité stratigraphique : dans le secteur des Fenêtres, par exemple (figures 3 à 8), il s'agit du contact stratigraphique entre la formation Carmel imperméable et les grès Entrada plus perméables. Mais la base des arches ne correspond pas forcément à une discontinuité géologique aussi marquée. Elle peut simplement être un plan plus imperméable au sein des grès Entrada ou Curtis (cas des figures 1, 2 et 9), par exemple une lentille, ou une strate continue, plus riche en argile.

Par ailleurs, les milliers d'arches recensées sur tout le plateau du Colorado ne s'inscrivent pas toutes dans les grès Entrada ou Curtis (voir figures 10 et 11 à titre d'exemple montrant que d'autres grès peuvent convenir) ; ces couches sont donc favorables, mais pas exclusives pour la constitution d'arches.

Enfin, les grès Entrada sont largement retrouvés dans l'Est de l'Utah, en dehors du Parc national des Arches, mais ne constituent pas systématiquement des arches. Au sein même du parc, les arches sont concentrées autour de certaines zones fracturées qui bordent des structures effondrées comme la Salt Valley . Il existe donc un phénomène tectonique guidant l'érosion de ces grès pour produire des arches.

Par ailleurs, on observe que les arches sont généralement (mais pas systématiquement, ce qui suppose des mécanismes complémentaires pour certaines arches…) des perforations latérales dans des “murs” rocheux naturels de plus grandes dimensions. Ces travées rocheuses évoluent en différents stades aisément visualisés dans le parc (figures 12 à 20). Elles commencent par de simples rayons esquissés par des fractures subverticales parallèles allongées dans les grès, s'individualisent peu à peu lorsque l'érosion élargit les fractures, peuvent dans certains cas être percées latéralement par des arches naissantes (on considère communément que le terme d'arche est réservé à des ouvertures dépassant le mètre, mais tous les stades antérieures existent naturellement) puis grandissant par poursuite de l'érosion et effondrements gravitaires, voient enfin certaines arches âgées s'effondrer laissant place à des pinacles seuls (les anciens piédestaux des arches) puis finissent par être totalement nivelées. Ainsi les arches ne sont qu'un stade, certes spectaculaire, de l'évolution érosive des grès dans ce climat désertique (figure 22).

L'érosion elle-même est dominée par une altération par les eaux de pluie, qui dissolvent le ciment calcaire des grès et isolent ainsi les grains de sable. Le climat aride (moins de 25 cm de précipitations par an, concentrés sur les mois de “mousson” (juillet à septembre) permet une altération météorique à la fois assez vigoureuse pour élargir les fissures et percer les arches, et assez lente pour ne pas les détruire et aplanir l'ensemble trop rapidement.

Les cycles de gel/dégel, et, d'une façon générale, les très importants écarts thermiques (pouvant dépasser 20°C en 24h dans ce désert d'altitude), participent sans doute à l'élargissement des fissures par les changements de volume induits. Le vent a sans doute un rôle érosif en participant à l'usure des roches dures et au déblaiement des particules fines. Finalement la gravité participe à l'agrandissement puis à la destruction des arches (figure 22).

Figure 12. Observation des travées rocheuses derrière Tower Arch au Sud-Ouest de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

La succession de murs de roches parallèles faiblement espacés est bien visible, ainsi que des pinacles et ouvertures pouvant représenter les restes d'anciennes arches effondrées (voir également la figure 2). Ces “murs” séparés par des “couloirs” ont une direction NO-SE assez homogène dans tout le secteur.


Figure 13. Observation des travées rocheuses autour de Pine Tree Arch dans le Devil's Garden , au Nord-Est de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

La succession de murs de roches parallèles régulièrement espacés est bien visible, ainsi que des pinacles et ouvertures pouvant représenter les restes d'anciennes arches effondrées. Ces “murs” séparés par des “couloirs” ont une direction NO-SE assez homogène dans tout le secteur.


Figure 14. Observation des travées de grès Entrada du Devil's Garden , au Nord-Est de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

La succession de murs de roches parallèles régulièrement espacés est bien visible, ainsi que des pinacles et ouvertures pouvant représenter les restes d'anciennes arches effondrées. Ces “murs” séparés par des “couloirs” ont une direction NO-SE assez homogène dans tout le secteur.


Figure 15. Observation des travées de grès Entrada du Devil's Garden , au Nord-Est de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

La succession de murs de roches parallèles régulièrement espacés est bien visible, ainsi que des pinacles et ouvertures pouvant représenter les restes d'anciennes arches effondrées. Ces “murs” séparés par des “couloirs” ont une direction NO-SE assez homogène dans tout le secteur.


Figure 16. Observation des travées de grès Entrada du Devil's Garden , au Nord-Est de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

La succession de murs de roches parallèles régulièrement espacés est bien visible, ainsi que des pinacles et ouvertures pouvant représenter les restes d'anciennes arches effondrées. Ces “murs” séparés par des “couloirs” ont une direction NO-SE assez homogène dans tout le secteur.


Figure 17. Observation des travées de grès Entrada du Devil's Garden , au Nord-Est de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

La succession de murs de roches parallèles régulièrement espacés est bien visible, ainsi que des pinacles et ouvertures pouvant représenter les restes d'anciennes arches effondrées. Ces “murs” séparés par des “couloirs” ont une direction NO-SE assez homogène dans tout le secteur.


Figure 18. Observation des travées de grès Entrada dans le secteur de Klondike Bluffs au Sud-Ouest de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

La succession de murs de roches parallèles régulièrement espacés est bien visible, ainsi que des pinacles et ouvertures pouvant représenter les restes d'anciennes arches effondrées. Ces “murs” séparés par des “couloirs” ont une direction NO-SE assez homogène dans tout le secteur.


Figure 19. Observation des travées de grès Entrada dans le secteur de Klondike Bluffs au Sud-Ouest de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

La succession de murs de roches parallèles régulièrement espacés est bien visible, ainsi que des pinacles et ouvertures pouvant représenter les restes d'anciennes arches effondrées. Ces “murs” séparés par des “couloirs” ont une direction NO-SE assez homogène dans tout le secteur.


Figure 20. Observation des travées de grès Entrada dans le secteur de Klondike Bluffs au Sud-Ouest de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

La succession de murs de roches parallèles régulièrement espacés est bien visible, ainsi que des pinacles et ouvertures pouvant représenter les restes d'anciennes arches effondrées. Ces “murs” séparés par des “couloirs” ont une direction NO-SE assez homogène dans tout le secteur.


Figure 21. Vue aérienne montrant le découpage des grès par des diaclases globalement parallèle et de direction NO-SE

L'interaction entre l'érosion et ce découpage par des diaclases est à l'origine de la formation de ces “murs” séparés par des “couloirs”, murs souvent percés par des arches. On voit bien la limite entre les grès Entrada rouges et les grès Moab plus clairs qui les surmontent. La route, les voitures et les bus garés donnent l'échelle.


Figure 22. Détail de la Landscape Arch , Devil's Garden , Parc national des Arches (Utah)

Les blocs de grès plurimétriques au pied de l'arche (celle de la figure 1) datent d'effondrements survenus depuis 1991 : la gravité contribue ainsi à agrandir, affiner, puis détruire les arches. Ces larges blocs détachés de l'arche illustrent la fragilité et l'impermanence de ces structures... et ont contraint le parc à modifier le tracé du sentier pour ne plus passer sous l'arche. Les touristes représentent d'ailleurs un facteur potentiel d'érosion et de fragilisation des arches, l'interdiction de sortir des sentiers et d'escalader les arches n'étant pas toujours respectée. Landscape Arch représente certainement un stade ultime d'évolution des arches, d'où sa spectaculaire finesse. De façon similaire, dans le même secteur du parc, Wall Arch s'est effondrée le 4 août 2008 (cf. Wall Arch Collapses ).



En résumé, comme le montre la figure ci-dessus, un réseau de fractures verticales préexistant semble avoir guidé l'érosion et donc permis d'individualiser les travées de grès. La présence de niveaux plus imperméables aurait ensuite limité la pénétration des eaux de pluie, qui, en stagnant à la base des travées, auraient alors pu perforer les murs, ébauchant des arches ensuite peu à peu agrandies, affinées… et finalement effondrées, laissant des ouvertures, des pinacles et des blocs au sol. Quant à la position précise des perforations, elle peut intervenir au niveau de zones plus sensibles à l'érosion, soit qu'elles soient moins bien indurées ou cimentées, soit parce que les fractures tectoniques s'y concentrent et préparent là encore le terrain à l'altération des grès (figures 23 à 25).

Figure 24. Détail de la Pine Tree Arch  dans Devil's Garden , au Nord-Est de la Salt Valley , Parc national des Arches (Utah)

On remarque une accumulation très locale de fractures au niveau de la base de l'arche (pilier de gauche sur la photo) qui auraient favorisé la perforation de la travée de grès à ce niveau précis. On devine par ailleurs de possibles plans de détachement futurs de blocs (par effondrement gravitaire) au sommet de l'arche.




On peut ainsi replacer la concentration d'arches de l' Arches National Park dans un cadre explicatif : sa mise en place a nécessité, outre les bonnes strates rocheuses, des conditions climatiques favorables à une érosion particulière, et surtout un dense réseau de fractures grossièrement parallèles (ainsi que leur accumulation locale, expliquant à plus petite échelle la position précise des arches). Quelle est l'origine de ces fractures ?

L'observation en vue aérienne du Parc national des Arches, par exemple à l'aide de Google Earth, permet de visualiser de façon remarquable les réseaux de fractures subverticales impliqués dans la formation des travées rocheuses et des arches.

Figure 27. Vue aérienne de la Salt Valley , au centre du Parc national des Arches (Utah)

Le climat désertique, qui limite la couverture végétale, permet une grande qualité d'observation des structures géologiques. La vallée forme un ovale allongé dans le sens Nord-Ouest – Sud-Est. On distingue sur toutes les limites de la vallée des réseaux réguliers de fractures, souvent une direction largement dominante, mais parfois jusqu'à 3 familles de fractures d'orientations différentes qui découpent des travées parallèles dans les grès, et parfois des losanges. Au Nord-Est (centre haut de l'image), on visualise le secteur de Devil's Garden  ; au Sud-Est (coin inférieur droit) le secteur de Fiery furnace  ; à l'Ouest, le secteur des Klondike Bluffs … Les arches naturelles se concentrent dans ces secteurs.

La figure 21 détaille un secteur situé dans le tiers supérieur de la bande sombre de cette mosaïque.

Localisation par fichier kmz du Devil's Garden dans le Parc national des Arches.


Figure 28. La Salt Valley , au centre du Parc national des Arches, photographiée depuis sa bordure Ouest (secteur des Klondike Bluffs )

Il s'agit d'un secteur déprimé, au cœur très plat car recouvert de dépôts quaternaires. On distingue au fond, sur la bordure Est, les grès d'Entrada du secteur de Devil's Garden  ; et on les retrouve au pied du photographe, présentant une pente marquée (15° environ) vers la vallée, alors que ces dépôts regagnent leur horizontalité dès qu'on s'éloigne de la vallée.


Les fractures à l'origine des travées et des arches sont donc associées à la Salt Valley et à d'autres structures tectoniques plurikilométriques associées, comme la Cache Valley ou la faille de Moab (à l'entrée du parc, c'est-à-dire au Sud-Ouest de la Salt Valley  ; dont nous reparlerons bientôt (cf. Quelques déformations des roches globalement tabulaires du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique) ), localisation par kmz de la faille de Moab). Si ces fractures ne sont pas superficielles (traversant souvent plusieurs formations rocheuses et s'étendant latéralement sur des dizaines voire des centaines de mètres), leur étude détaillée montre qu'il s'agit de fractures d'extension, avec des mouvements cisaillants souvent limités à quelques centimètres. Elles ont été formées par déformation cassante des grès lors d'une phase de bombement, puis d'effondrement, d'anticlinaux centrés sur la Salt Valley et la vallée de Moab plus à l'Ouest. Ces anticlinaux ont un cœur formé de sels, sels peu visibles en surface car rapidement dissouts par les eaux de pluie, même en climat aride, lorsqu'ils sont exposés.

Ces sels sont des évaporites déposées au Carbonifère Supérieur (Pennsylvannien, entre −320 et −300 Ma) dans le bassin de Paradox , une mer intérieure régulièrement asséchée. Leur épaisseur initiale dépasse les 1 500m. L'augmentation de pression et de température causée par l'accumulation des sédiments ultérieurs (dont les grès, silts et argiles du groupe de San Rafael d'âge jurassique) a provoqué la migration de ces sels ductiles et peu denses qui ont formé des dômes hauts de 3 000 m, longs de 110 km et larges de 5 km le long de failles parallèles, à l'emplacement actuel de la Salt Valley et de la vallée de Moab. Les diapirs ont donc progressivement poussé vers le haut les roches sédimentaires ultérieures (cette tectonique salifère avait déjà démarré depuis longtemps et se poursuivait lors du dépôt du groupe de San Rafael), d'où une déformation relativement locale (pendage des roches limité aux flancs des anticlinaux) et une fracturation limitée aux bordures de ces structures, et grossièrement parallèle à l'axe des anticlinaux. L'orogenèse Laramide, autour de −60 Ma, a sans doute joué un rôle complémentaire dans le plissement des anticlinaux initiés par diapirisme. Enfin, la surrection régionale du plateau du Colorado depuis 15 Ma et l'érosion subséquente des roches recouvrant ses sels les a exposés aux précipitations et aux infiltrations. Leur dissolution en subsurface a provoqué l'effondrement des bordures de grès des anciens anclinaux, agrandissant ou créant de nouvelles familles de fractures. Cette tectonique polyphasée se poursuit encore aujourd'hui, comme le montrent les déformations des sédiments quaternaires de la Salt Valley.

Les très nombreuses arches du Parc National sont donc apparues grâce à la combinaison d'une tectonique particulière, essentiellement salifère, et d'une érosion spécifique (figure 28).

Figure 29. Les anticlinaux effondrés à cœur d'évaporites (formation Paradox) ) de la vallée de Moab et de la Salt Valley (coupe Ouest-Est)

Le zoom insiste sur les fractures ouvertes par la tectonique salifère dans les grès du groupe de San Rafael en bordures des anticlinaux effondrés.


Notons, pour conclure, que ces sels de la formation Paradox sont exploités en une mine de potasse (mélange de chlorures, essentiellement halite - NaCl - et sylvite - KCl) le long du fleuve Colorado, au Sud-Ouest du Parc national des Arches et de la ville de Moab : l' Intrepid Potash Mine . Cette mine conventionnelle de sylvite (KCl) ouverte en 1961 par la Texas Gulf Sulphur Company , subit le 27 août 1963 une explosion de méthane à 1 000 m de profondeur, qui piégea 25 mineurs dont seuls 7 survécurent. Cette mine fut par la suite transformée pour exploiter les sels par dissolution – évaporation : l'eau du Colorado est injectée dans les couches souterraines d'évaporites, se charge en sels, puis les saumures ainsi obtenues sont repompées et laissées dans de vastes bassins d'évaporation. Ces bassins sont colorés pour capter plus efficacement la lumière solaire. Le climat local aride permet ainsi l'exploitation des sels de potassium (notamment comme engrais). Ces bassins colorés sont bien visibles sur les images satellites à proximité de Moab, une image assez surprenante pour qui ignore leur nature et leur rôle.



Cet article s'appuie en partie sur l'excellent ouvrage de vulgarisation de Morris et al. (2010) ainsi que sur les informations fournies par le Service des Parcs nationaux.

T.H. Morris, S.M. Ritter, D.P. Laycock, 2010. Geology Unfolded, an illustrated guide to the Geology of Utah's National Parks , BYU Press, 72 p.

National Park Service, Why are there so many arches at Arches? , consulté le 07/11/2018

Pour aller plus loin.

K.M. Cruikshank, A. Aydin, 1995. Unweaving the joints in Entrada Sandstone, Arches National Park, Utah, U.S.A , Journal of Structural Geology, 17, 3, 409-442 [ pdf ]

K.M. Cruikshank, A. Aydin, 1994. Role of fracture localization in arch formation, Arches National Park, Utah , GSA Bulletin, 106, 7, 879-891

Un autre exemple de tectonique salifère sur Planet-Terre : Le diapir de gypse triasique de Lazer, Hautes Alpes .