Les grands traits de l'histoire géologique de Lyon

Source - © 2020 D'après BRGM, modifié

Figure 1. Cadre géologique de l'agglomération lyonnaise

Extrait de la carte géologique à 1/250 000, feuille Lyon (BRGM éditeur).

L'agglomération lyonnaise se situe à cheval sur deux grands domaines géologiques distincts.

Au Sud, à l'Ouest, et au Nord de Lyon, à travers les deux ensembles précédents, un troisième domaine, plus linéaire et localisé, doit être distingué. Ce domaine est représenté par un réseau de sillons ou canyons creusés au Messinien (Miocène terminal) au cours d'une phase d'assèchement drastique de la Méditerranée (cf. La crise de salinité messinienne en Méditerranée), et ultérieurement comblés par des sédiments d'âge pliocène. La présence de ces incisions fini-miocènes était connue dans la vallée du Rhône (ria pliocène) jusqu'aux environs de Givors. Grâce aux sondages et travaux récents effectués pour les aménagements souterrains de l'agglomération de Lyon, il a été possible de reconstruire un tracé précis de cette paléo-vallée profonde (plusieurs centaines de mètres), depuis Pierre-Bénite jusqu'à Caluire, passant par la vallée de l'Yzeron, l'Étoile d'Alaï, Tassin, et Vaise (gare). Cette vallée est présentement cachée sous les dépôts quaternaires, même si ses flancs affleurent encore localement (vallée dite « de la Belle Allemande » à Caluire, en rive gauche de la Saône).

Source - © 2019 Gilles Dromart (inédit)

Figure 2. Coupe géologique simplifiée au travers de l'agglomération lyonnaise

Le socle centralien hercynien. Le socle cristallophyllien est composé de trois types principaux de lithologies : des anatexites, des migmatites et des gneiss migmatitiques qui ont été métamorphisés au cours de la formation de l'ancienne chaine de montagnes dite « hercynienne » vers 400-300 millions d'années. Les anatexites sont des roches métamorphiques de haut degré entrainant une fusion et (re)cristallisation importante mais non complète de la roche : il en résulte une texture hétérogène mais pas ou peu rubanée / orientée. Les migmatites ont également subi des processus de fusion mais de manière plus partielle entrainant un rubanement à peu près centimétrique fait d'une alternance de rubans sombres (mélanosomes) « restitiques » (non fondus) et de rubans clairs (leucosomes) issus de la fusion et recristallisation des minéraux siliceux blancs. Les gneiss migmatitiques présentent un rubanement migmatitique plus ou moins visible sur lequel se surimpose une foliation (texture gneissique) soulignée de manière répétitive par l'orientation des minéraux. Le socle granitique est représenté par des dômes lenticulaires qui recoupent le socle métamorphique (e.g., granite de Montmein). Tardifs ou légèrement postérieurs à l'évènement tectonique et métamorphique qui a affecté le reste du socle, ces granites présentent une teinte claire et une texture grenue non orientée (« isotrope ») et un aspect homogène en dehors des variations du degré de fracturation.

Les arènes de Lyon. Le socle est affecté de manière irrégulière dans sa partie supérieure par une altération qui va depuis une forte fragmentation de la roche en base du profil d'altération, correspondant à la partie supérieure de l'« horizon fissuré » du profil d'altération, jusqu'à, plus haut dans le profil, une arénisation de la roche qui devient sableuse à sablo-argileuse (altérite). Le terme ultime du processus d'altération est représenté par une accumulation d'argile résiduelle au sein de laquelle on ne reconnait plus la texture et la structure initiales de la roche. Sous la zone franchement altérée, l'altération se manifeste sur plusieurs mètres par une argilisation / altération des plans de fractures du massif rocheux. Ces altérites sont localement couvertes par les dépôts d'âges miocènes et pliocènes. Leur différenciation est par conséquent antérieure, probablement lors de l'optimum climatique du début de l'Éocène, et/ou lors de celui de la fin de l'Oligocène - début du Miocène.

Les transgressions marines du Néogène (Miocène et Pliocène). Trois cycles stratigraphiques Transgression – Régression se différencient sur le secteur de Lyon. Dans un ordre stratigraphique ascendant, on trouve le cycle du Miocène moyen (Serravalien ; Sable de Saint-Fons / Molasse jaune) ; le cycle du Miocène supérieur (Tortonien ; Cailloutis du Jardin des Plantes / Molasse verte / Cailloutis pontiens) ; le cycle du Pliocène (Argiles et Sables bleus / Alluvions jaunes). Les transgressions marines viennent du Sud et Sud-Est tandis que les remplissages fluviatiles régressifs proviennent du Nord (détritisme « centralien ») et de l'Est (détritisme alpin). La coupe de Lyon montre deux géométries stratigraphiques remarquables : 1) les prismes d'aggradation côtière des transgressions miocènes  (“onlaps” de faciès littoraux des sables de Saint-Fons et des Cailloutis du Jardin des Plantes sur le socle de Fourvière – Croix Rousse) ; 2) une superposition physique des cycles stratigraphiques “anormale” avec des assises transgressives du cycle du Pliocène situées à des altitudes inférieures à celles des assises des cycles miocènes précédents, ce qui laisse apparaitre un emboitement du cycle pliocène dans les cycles miocènes et implique l'existence d'une phase de surcreusement entre Miocène et Pliocène.

Le surcreusement fluvial fini-miocène et la ria pliocène. En réponse à la crise de salinité messinienne de la Méditerranée il y a environ 5,5 Ma, une profonde vallée a incisé les cailloutis du Miocène supérieur (Tortonien) et le socle hercynien sur une hauteur d'environ 320 m. La cartographie des isolithes à des cotes NGF successives a permis de préciser le tracé et la configuration de la vallée. Elle révèle l'existence de plateaux bordiers incisés par un canyon d'une largeur de 500 m pour une profondeur de 150 m. Sont mis également en évidence le développement d'un important réseau de tributaires et la persistance d'ilots résiduels de socle au sein des vallées. La zone de confluence de la paléo-Saône avec le paléo-Rhône n'a pu être identifiée (Trévoux, Caluire, port fluvial de Lyon). Ce canyon a été ensuite ennoyé par la mer pliocène lors de la remise en eau de la Méditerranée, donnant naissance à ce que les auteurs appellent la « ria pliocène ». Les analyses sédimentologiques et paléontologiques des carottes de forages suggèrent une extension des faciès littoraux de la ria jusqu'au Nord de Lyon (tunnel de Caluire). Les argiles et sables bleus du Pliocène constituent le témoin de la dernière présence de la mer à Lyon, il y a 3,6 millions d'années.

L'érosion quaternaire et des dépôts résiduels périglaciaires. Le Quaternaire voit l'avancée et le recul des glaciers alpins dans l'Est lyonnais. Cette période singulière est marquée à Lyon par une ablation majeure des dépôts antérieurs (la terrasse villafranchienne – Pliocène terminal – est érodée sur une hauteur d'au moins 120 m). Une assez grande variété de formations périglaciaires sont localement préservées : 1) une nappe alluviale perchée (les « Alluvions grises » sur le secteur de Caluire) ; 2) des plaquages fluvio-éoliens de loess (sables jaunes) ; 3) les terrasses fluviales dans les vallées de l'Yzeron (conglomérats à blocs, variablement cimentés), et du Rhône (en amont de Lyon le long de la côtière de la Dombes et en aval dans le secteur de Chasse-sur-Rhône) ; 3) les moraines frontales probablement d'âge Riss (avant-dernière glaciation) sur le plateau de la Croix Rousse (« gros caillou »), la colline de Fourvière, et plus largement sur le secteur de Saint-Genis-Laval ; 4) des collines alluvionnaires allongées Est-Ouest et bien visibles dans la morphologie (e.g, Bron), probablement d'âge Würm (dernière glaciation à 20 ka), et qui sont des dépôts grossiers et mal triés en avant des langues glaciaires.