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Des volcans du Massif Central aux prix Nobel et à la bière, une roche peu connue aux usages insoupçonnés : la diatomite

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

25/11/2019

Résumé

La carrière de diatomite de Saint-Bauzile (Ardèche), volcanisme et sédimentation siliceuse lacustre.


Figure 1. Bière, frustule de diatomée, diatomite… un lien insoupçonné

Bière, frustule de diatomée, diatomite… un lien insoupçonné

Peu de gens savent que pour faire ce demi-litre de bière, les brasseurs ont utilisé 0,5 g de diatomite pour sa filtration. En bas à gauche, une photo microscopique (en négatif) d'une frustule de diatomée extraite d'un bloc de diatomite, diatomite semblable à celle qui est utilisée pour la fabrication de filtres alimentaires. À droite, vue d'un des deux gisements français de diatomite, la carrière de Saint-Bauzile (Ardèche), carrière où l'on voit le contraste entre la diatomite blanche et le basalte sombre. La frustule en bas à gauche provient d'une préparation microscopique faite à partir de diatomite provenant de cette carrière.

Localisation par fichier kmz de la carrière de diatomite de Saint-Bauzile (Ardèche).


La montagne d'Andance, sur la commune de Saint-Bauzile, Ardèche, se situe au Nord-Est du plateau volcanique miocène du Coiron (ou des Coirons, les deux usages sont possibles), cf. École de terrain - Une journée au plateau du Coiron, à 8 km au Sud-Est de Privas. Cette “montagne” correspond à un ancien maar phréatomagmatique inversé par l'érosion. Ce maar datant du Miocène supérieur était occupé par un lac (lac d'eau douce), qui abritait une très importante flore de diatomées, micro-algues unicellulaires entourées d'un squelette externe siliceux, la frustule. Rappelons que les diatomées sont une famille de micro-algues comprenant certes des espèces marines mais aussi des espèces d'eau douce. L'accumulation de milliards de frustules a progressivement rempli le lac de boue à diatomées, dépôt de boue interrompu provisoirement par au moins un épisode volcanique interne au maar (basalte massif et hyalocastites). La boue à diatomées est devenue diatomite après compaction, avec en particulier un remplissage terminal par une couche de diatomite très pure. Cette couche de diatomite pure, épaisse de 30 à 80 m (le plus souvent 60 m), a été recouverte par les coulées de basalte du Miocène supérieur (6,4 Ma) qui ont envahi toute la région. L'érosion a isolé le remplissage de cet ancien lac et sa couverture de basalte du reste du plateau du Coiron en une espèce de “butte témoin”, la Montagne d'Andance.

La couche de diatomite de la montagne d'Andance est exploitée depuis 1960, d'abord en galeries, puis rapidement à ciel ouvert, d'abord par le groupe CECA, puis, depuis 2016, par Chemviron France. Un autre gisement de diatomite (également d'âge miocène) est exploité en 2019 en France, le gisement de Foufouilloux dans le Cantal. D'autres gisements furent exploités dans ce département jusqu'à la fin du XXe siècle.

En France comme à l'étranger, on peut noter que les lacs (actuels ou anciens) avec une importante sédimentation diatomitique sont très majoritairement dans les régions volcaniques. Pourquoi ? Tout d'abord, une roche volcanique comprend du verre, qui s'altère plus vite que des macro-cristaux (à composition chimique égale), ce qui libère plus vite silice et sels minéraux (c'est d'ailleurs pour cela que les terres volcaniques sont riches d'un point de vue agricole et que de nombreuses populations vivent au pied des volcans, malgré le danger). D'autre part, les silicates des roches comme un granite ou un gneiss (feldspath, mica…) contiennent de l'aluminium ; une partie de la silice libérée par l'hydrolyse de ces silicates se combinera avec l'aluminium pour donner des argiles. Un basalte contient de nombreux minéraux sans aluminium (pyroxène, olivine), et l'hydrolyse de ces minéraux libère la totalité de sa silice, ne pouvant pas former d'argile. Tout cela explique que les eaux en pays basaltique sont souvent plus riches en silice dissoute que les eaux en pays granitique, bien qu'un basalte contienne moins de silice qu'un granite. Et une eau riche en silice favorise la croissance des diatomées.

La France est le deuxième producteur mondial de diatomite grâce à ses lacs volcaniques miocènes de l'Ardèche et du Cantal. Elle produit entre 200 000 et 250 000 tonnes par an (entre 15 et 20 % de la production mondiale, qui est d'environ 1 800 000 tonnes par an). Avant d'être utilisée, la diatomite brute est lavée, triée, séchée, et éventuellement calcinée. La diatomite ainsi traitée a de multiples usages, usages principalement dus à sa structure faite de milliards de coques creuses multi-perforées et souvent très ornementées. Il y a environ 3 000 000 frustules par cm3 de diatomite, ce qui donne à la diatomite une surface spécifique très élevée. La surface totale des “faces” internes et externes des frustules, de leurs pores et de leurs ornementations est voisine de 100 m2 par cm3 de diatomite. Sa très grande porosité et sa surface spécifique exceptionnelle confèrent à la diatomite des propriétés absorbantes et adsorbantes très élevées. Ces propriétés adsorbantes permettent la stabilisation de la nitroglycérine (qui, sinon, explose au moindre choc) et sa transformation en dynamite beaucoup plus stable. Cette stabilisation a fait la fortune de l'auteur de cette découverte, Alfred Nobel, fortune à l'origine des fameux prix. Ces propriétés servent à la filtration, aussi bien à la filtration des piscines qu'à la filtration alimentaire. Par exemple, la fabrication d'1 litre de bière consomme 1 gramme de diatomite, et la France consomme environ 4000 à 5000 t/a pour faire sa bière, et 6000 à 7000 t/a pour faire son vin. Les frustules ornementées et très dures (faites de silice) provoquent de multiples lésions internes dans le tractus digestif de nombreux insectes (en particulier des punaises de lit) et des lésions superficielles de leur cuticule qui cesse d'être imperméable, ce qui entraînent la déshydratation des insectes et leur mort. La diatomite est donc utilisée comme insecticide “bio”. La nature siliceuse de la diatomite lui donne aussi des propriétés abrasives, et on la retrouve dans la poudre à récurer, les dentifrices… Comme on le voit, la géologie se trouve dans les endroits les plus inattendus, nos réfrigérateurs et nos cafés, nos piscines, nos salles de bains, voire nos chambres à coucher dans certains cas irritants.

La carrière de Saint-Bauzile, en activité, est interdite d'accès. Mais une association, l'association Paléodécouverte, en partenariat avec la société Chemviron exploitant la carrière, organise des visites en dehors de ses périodes d'activité, en particulier pour des groupes et des classes.

En attendant cette visite, nous allons vous montrer cette semaine : (1) des vues globales de la carrière de Saint-Bauzile dans son état de mai 2019 (figures 1 à 4) ; (2) des vues “de près” d'affleurements ou d'échantillons (à l'œil nu ou au microscope) de diatomites ainsi que de déformations synsédimentaires dues aux glissements et tassements de la boue diatomitique (figures 5 à 19) ; (3) des vues montrant les relations diatomite-basalte telles qu'on les voyait en mai 2019 (figures 21 à 24) ; (4) des vues globales, des coupes et des cartes géologiques de la montagne d'Andance (figure 25 à 32).

Figure 2. Vue globale de la carrière de diatomite de Saint-Bauzile (Ardèche)

Vue globale de la carrière de diatomite de Saint-Bauzile (Ardèche)

La photo est prise depuis la bordure Ouest. On voit très bien le contraste entre la diatomite blanche et le basalte sombre. Les contacts basalte/diatomite sont de deux natures, pas toujours facile à distinguer sur phot : contact géologique naturel, ou contact anthropique, des déblais d'une nature recouvrant des roches de l'autre nature. Globalement, le basalte recouvre la diatomite. La carrière est une grande carrière : il y a environ 750 m entre son entrée à droite et le petit bois sur la crête à gauche. Cela en fait, des litres de bière !

Localisation par fichier kmz de la carrière de diatomite de Saint-Bauzile (Ardèche).


Figure 3. Zoom sur le centre gauche de la photo précédente, carrière de diatomite de Saint-Bauzile (Ardèche)

Zoom sur le centre gauche de la photo précédente, carrière de diatomite de Saint-Bauzile (Ardèche)

Les engins de chantier donnent l'échelle. Une masse de basalte injecté au sein des diatomites gène l'exploitation de la carrière.


Figure 4. Vue interne de la carrière de diatomite de Saint-Bauzile (Ardèche)

Vue interne de la carrière de diatomite de Saint-Bauzile (Ardèche)

Figure 5. Front de taille d'un des paliers d'exploitation recoupant une dizaine de mètres de diatomite

Front de taille d'un des paliers d'exploitation recoupant une dizaine de mètres de diatomite

La diatomite montre une stratification faite de lamines assez régulières, qui ressemblent beaucoup à des varves (alternances saisonnières de couches sombres et claires constituant des “doublets”). En général, ces doublets de lamines ont entre 2 et 5 mm d'épaisseur (retenons une épaisseur moyenne de 3 mm). Le niveau de diatomite exploitée ayant une épaisseur de 30 à 80 m (retenons une moyenne de 60 m), il y a donc statistiquement 60 000 / 3 = 20 000 paires de lamines dans la couche de diatomite. Si ces paires de lamines sont bien des varves annuelles, ces 60 m se seraient déposés en 20 000 ans, ce qui est comparable avec la vitesse de sédimentation diatomitique dans les lacs du Quaternaire récent.


Figure 6. Vue rapprochée sur un front de taille d'un des paliers d'exploitation recoupant une dizaine de mètres de diatomite

Vue rapprochée sur un front de taille d'un des paliers d'exploitation recoupant une dizaine de mètres de diatomite

La diatomite montre une stratification faite de lamines assez régulières, qui ressemblent beaucoup à des varves (alternances saisonnières de couches sombres et claires constituant des “doublets”). En général, ces doublets de lamines ont entre 2 et 5 mm d'épaisseur (retenons une épaisseur moyenne de 3 mm). Le niveau de diatomite exploitée ayant une épaisseur de 30 à 80 m (retenons une moyenne de 60 m), il y a donc statistiquement 60 000 / 3 = 20 000 paires de lamines dans la couche de diatomite. Si ces paires de lamines sont bien des varves annuelles, ces 60 m se seraient déposés en 20 000 ans, ce qui est comparable avec la vitesse de sédimentation diatomitique dans les lacs du Quaternaire récent.


Figure 7. Diatomite structurées en lamines sur un front de taille d'un des paliers d'exploitation recoupant une dizaine de mètres de diatomite

Diatomite structurées en lamines sur un front de taille d'un des paliers d'exploitation recoupant une dizaine de mètres de diatomite

La diatomite montre une stratification faite de lamines assez régulières, qui ressemblent beaucoup à des varves (alternances saisonnières de couches sombres et claires constituant des “doublets”). En général, ces doublets de lamines ont entre 2 et 5 mm d'épaisseur (retenons une épaisseur moyenne de 3 mm). Le niveau de diatomite exploitée ayant une épaisseur de 30 à 80 m (retenons une moyenne de 60 m), il y a donc statistiquement 60 000 / 3 = 20 000 paires de lamines dans la couche de diatomite. Si ces paires de lamines sont bien des varves annuelles, ces 60 m se seraient déposés en 20 000 ans, ce qui est comparable avec la vitesse de sédimentation diatomitique dans les lacs du Quaternaire récent.


Figure 8. Deux échantillons de diatomites où l'on voit très bien les lamines (varves probables)

Deux échantillons de diatomites où l'on voit très bien les lamines (varves probables)

L'échantillon de gauche est sec, et est très blanc. L'échantillon de droite a été mouillé, ce qui l'a rendu provisoirement plus sombre. Les ondulations des lamines ne sont que des apparences, intersections entre des strates planes et une surface d'échantillon ondulée.


Figure 9. La diatomite est une roche très poreuse et qui flotte

La diatomite est une roche très poreuse et qui flotte

Sèche, la diatomite a une masse volumique de 300 à 400 kg/m3 et elle flotte sur de l'eau douce (masse volumique de 1000 kg/m3). Mais comme les pores communiquent entre eux, l'eau peut envahir la roche, dont la densité devient de plus en plus forte. L'échantillon photographié ici dépassait beaucoup plus de l'eau quand on a déposé l'échantillon à la surface de l'aquarium. Cette photo a été prise 1 minute après le début de l'expérience et l'échantillon s'était déjà enfoncé d'environ 1 cm. L'échantillon a “coulé” 3 minutes après le début de l'expérience. Cette porosité et cette perméabilité sont deux des paramètres expliquant les excellentes propriétés filtrantes de la diatomite.


Figure 10. Vue au microscope d'un frottis de diatomite (provenant de la carrière de Saint-Bauzile) et montrant un certain nombre de frustules de diatomées et de spicules d'éponge

Vue au microscope d'un frottis de diatomite (provenant de la carrière de Saint-Bauzile) et montrant un certain nombre de frustules de diatomées et de spicules d'éponge

Cette photo et les deux autres photos microscopiques ont été prises en LPNA. En effet, les frustules de diatomée sont constituée d'opale (silice amorphe) et sont éteintes en LPA.



Figure 12. Un spicule d'éponge de Saint-Bauzile vue au microscope en LPNA

Un spicule d'éponge de Saint-Bauzile vue au microscope en LPNA

Rappelons qu'il existe des éponges d'eau douce comme des éponges d'eau de mer. Rappelons aussi qu'il y a 3 grands groupes d'organismes siliceux générateurs de roches. Les diatomées (algues unicellulaires) et certaines éponges sont deux groupes d'organismes ayant des représentants vivant aussi bien en eau douce qu'en eau de mer. Le troisième groupe est celui des radiolaires qui font partie du zooplancton, et sont exclusivement marins.


Cette diatomite de Saint-Bauzile est riche en fossiles exceptionnellement bien conservés. On peut lire à ce sujet un article de Bernard Riou de 1995, Les fossiles des diatomites du Miocène supérieur de la montagne d'Andance (Ardèche, France), et aller au Muséum de l'Ardèche pour admirer de tels fossiles, y aller physiquement ou par le web (cf. Le Muséum de l'Ardèche à Balazuc, une occasion de découvrir des fossiles exceptionnels, figures 24 à 52).

La diatomite de Saint-Bauzile montre assez souvent des déformations, souvent (mais pas toujours) de faible ampleur, que ce soient des déformations cassantes (failles) ou ductiles (plis). Ces plis et failles ne sont pas en général dues à des déformations régionales, mais sont d'origine locale : tassements, glissements synsédimentaires de la boue à diatomées, déformations contemporaines de (et associées à) la mise en place des basaltes intra- ou supra-diatomitique… Ces déformations “non tectoniques” montrent aussi bien des signes d'élongation que de raccourcissement.

Un tel mélange de structures indiquant ici raccourcissement et juste à côté un étirement ne sont pas exceptionnelles dans les sédiments lacustres, en particulier sur leurs bords et dans les lacs de petites tailles (cf., par exemple, Tectonique et/ou glissement syn-sédimentaire : association de structures compressives et de structures extensives, lignites de Minerve – La Caunette, Hérault).

Figure 21. Vue large sur le contact entre une coulée de basalte et la couche de diatomite exploitée

Vue large sur le contact entre une coulée de basalte et la couche de diatomite exploitée

Un niveau de quelques décimètres de scories (projections volcaniques probables, ou peut-être sable et gravier alluviaux de nature basaltiques) s'est déposé par-dessus la diatomite, sans doute au fond du lac. L'ensemble a été recouvert d'une coulée basaltique. Un léger thermométamorphisme est visible au sommet du niveau de scorie. On devine le contact avec une autre coulée basaltique sous le bois au centre.

On peut comparer ce contact basalte/diatomite avec d'autres contacts entre basalte et substratum (cf. Thermo-métamorphisme d'un paléosol par une coulée de lave, Bournac (Haute Loire), Prismation dans des argiles cuites à la base d'une coulée de basalte, Marjallat (commune de Mazeyrat d'Allier, Haute Loire), ou encore Stries de progression, thermométamorphisme, minéraux hydrothermaux…, les merveilles maintenant presque disparues des coulées du Puy de Gravenoire).


Figure 22. Contact entre une coulée de basalte et la couche de diatomite exploitée

Contact entre une coulée de basalte et la couche de diatomite exploitée

Un niveau de quelques décimètres de scories (projections volcaniques probables, ou peut-être sable et gravier alluviaux de nature basaltiques) s'est déposé par-dessus la diatomite, sans doute au fond du lac. L'ensemble a été recouvert d'une coulée basaltique. Un léger thermométamorphisme est visible au sommet du niveau de scorie. On devine le contact avec une autre coulée basaltique sous le bois au centre.

On peut comparer ce contact basalte/diatomite avec d'autres contacts entre basalte et substratum (cf. Thermo-métamorphisme d'un paléosol par une coulée de lave, Bournac (Haute Loire), Prismation dans des argiles cuites à la base d'une coulée de basalte, Marjallat (commune de Mazeyrat d'Allier, Haute Loire), ou encore Stries de progression, thermométamorphisme, minéraux hydrothermaux…, les merveilles maintenant presque disparues des coulées du Puy de Gravenoire).


Figure 23. Vue d'ensemble d'une intrusion basaltique au sein de la masse principale de diatomite

Vue d'ensemble d'une intrusion basaltique au sein de la masse principale de diatomite

L'état de l'exploitation en mai 2019 permettait de voir le contact supérieur diatomite/basalte. Le sommet du basalte montre une bordure figée, et la base de la diatomite une zone cuite (thermométamorphisme). Il s'agit donc bien d'une intrusion de basalte au sein d'une masse de diatomite, et non pas d'une superposition “normale” de diatomite se sédimentant sur une coulée de basalte ayant elle-même coulé sur des niveaux de diatomites. Cette intrusion est donc un sill (cf. Sills basaltiques dans les vallées du massif du Piton des Neiges, île de La Réunion).


Figure 24. Vue de détail d'une intrusion basaltique au sein de la masse principale de diatomite

Vue de détail d'une intrusion basaltique au sein de la masse principale de diatomite

L'état de l'exploitation en mai 2019 permettait de voir le contact supérieur diatomite/basalte. Le sommet du basalte montre une bordure figée, et la base de la diatomite une zone cuite (thermométamorphisme). Il s'agit donc bien d'une intrusion de basalte au sein d'une masse de diatomite, et non pas d'une superposition “normale” de diatomite se sédimentant sur une coulée de basalte ayant elle-même coulé sur des niveaux de diatomites. Cette intrusion est donc un sill (cf. Sills basaltiques dans les vallées du massif du Piton des Neiges, île de La Réunion).


Toutes ces observations faites rapidement dans la carrière en mai 2019, plus toutes celles faites à l'extérieur et à l'intérieur de la carrière depuis les 60 ans de sa mise en service permettent de connaitre la structure de la montagne d'Andance et de retracer son histoire géologique.

Au Miocène supérieur, le volcanisme dit des Coirons débute dans ce secteur de l'Ardèche. À Saint-Bauzile, des rencontres entre un basalte remontant par une fissure et une nappe phréatique créent des explosions à répétitions et la formation d'un maar, avec son cratère sommital surmontant une “cheminée” remplie de brèches (un diatrème). Ce maar recoupe (et est établi sur) un substratum de marnes du Crétacé inférieur (Valanginien). Un lac s'installe dans ce maar, lac qui pouvait ressembler au Lagoa de Santiago aux Açores (figure 11 de La caldeira des Sept Cités ( Sete Cidades ), île de Sao Miguel, Açores (Portugal)). Une sédimentation diatomitique commence à remplir le lac. La géométrie du contact diatomite inférieure / brèche de maar est très mal connue. Cette sédimentation est interrompue par une éruption (sans doute interne au maar) qui fait interagir du basalte avec l'eau du lac et les sédiments diatomitiques meubles et gorgés d'eau. Le Sud du lac est partiellement comblé par des hyaloclastites (brèches volcaniques issues d'explosions locales quand du basalte arrive dans une faible tranche d'eau) à ciment siliceux. Ces hyaloclastites à ciment siliceux sont visibles sur la route montant à l'entrée de la carrière. Le Nord du lac est lui partiellement comblé par du basalte formant un lac de lave provisoire. La géométrie du contact lac de lave / hyaloclastites est mal connue. La sédimentation diatomitique reprend dans le lac non complètement comblé, et il se dépose une soixantaine de mètres de diatomite très pure (la couche supérieure, actuellement exploitée). L'arrivée d'au moins trois coulées de basalte recouvre toute la région et remplit ce qui reste du lac de maar. Ces coulées sommitales sont datées de 6,4 Ma. Aux incertitudes de mesures près, c'est aussi il y a 6,4 Ma que se sont mis en place des sills de basalte au sein des diatomites. D'après la notice de la carte géologique de Privas, tout le volcanisme des Coirons s'échelonne de 8,9 Ma (Tortonien, Miocène supérieur) à 4,5 Ma (Zancléen, Pliocène basal). La majorité des émissions date de 6,5 Ma (Messinien). Depuis, l'érosion a fait son œuvre et a inversé les reliefs. Les coulées de basalte (qui occupaient les zones basses) se retrouvent perchées au somment de plateaux, dont le principal, le plateau du Coiron. Les basaltes chapeautant le maar de Saint-Bauzile se retrouvent détachés du plateau principal et forment maintenant une butte témoin, la montagne d'Andance, qui domine le village de Saint-Bauzile (Ardèche).

Figure 27. Vue globale sur la montagne d'Andance (à droite) et du rebord NE du plateau du Coiron (à gauche), Ardèche

Vue globale sur la montagne d'Andance (à droite) et du rebord NE du plateau du Coiron (à gauche), Ardèche

En 2019, le sommet de la montagne d'Andance est presque entièrement constitué de déblais. Au centre, on devine le panache de vapeur s'échappant de l'usine (anciennement CECA, maintenant Chemviron France).


Figure 28. Panorama sur le plateau du Coiron vu depuis l'entrée de la carrière de diatomite de Saint-Bauzille (Ardèche)

Panorama sur le plateau du Coiron vu depuis l'entrée de la carrière de diatomite de Saint-Bauzille (Ardèche)

À droite, l'usine de traitement de la diatomite, (anciennement CECA, Chemviron France depuis 2016). Les coulées basaltiques chapeautant le plateau recouvrent les marno-calcaires du Crétacé inférieur (Valanginien).



Figure 30. Vue aérienne “géologique” montrant la carrière de Saint-Bauzile au sommet de la montagne d'Andance (au centre droit) et, à gauche, le rebord du plateau du Coiron

Vue aérienne “géologique” montrant la carrière de Saint-Bauzile au sommet de la montagne d'Andance (au centre droit) et, à gauche, le rebord du plateau du Coiron

Les cartes géologiques au 1/50 000 de Privas (à gauche) et du Crest (à droite) sont présentées avec la même projection et la même échelle que la figure précédente.

La diatomite de Saint-Bauzile, figurée en orange, est encadrée par du basalte (en violet).


Figure 31. Carte géologique au 1/250 000 du secteur des Coirons

Carte géologique au 1/250 000 du secteur des Coirons

Le basalte des Coirons est figuré en violet clair. Les maars et les diatrèmes sont figurés par des cercles ou des points rouges. La montagne d'Andance et la carrière de Saint-Bauzile sont localisées par la flèche rouge.



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