Image de la semaine | 14/12/2020

Les calcites de Bellecroix, fruits des variations climatiques pléistocènes

14/12/2020

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS de Lyon

Olivier Dequincey

ENS de Lyon / DGESCO

Résumé

Circulations fluides, précipitation et datation de mégacristaux de calcite englobant des grains de sable (calcite sableuse).

Calcite de Bellecroix (ou de Belle Croix), trouvé vers 1975 au Puiselet (commune de Saint-Pierre-les-Nemours, Seine-et-Marne, à la limite Sud de la forêt de Fontainebleau)

Figure 1. Calcite de Bellecroix (ou de Belle Croix), trouvé vers 1975 au Puiselet (commune de Saint-Pierre-les-Nemours, Seine-et-Marne, à la limite Sud de la forêt de Fontainebleau)

Ces calcites sont appelées “Bellecroix” du nom d'un lieu-dit près de Fontainebleau, ou encore “calcite sableuse”. Les cristaux sont regroupés en deux amas (on parle de cristallaria) accolés. On reconnait la forme des cristaux de calcite, mais la roche est faite de grès, raye le verre mais fait effervescence à l'acide. Il s'agit en fait de groupement de cristaux de calcite qui ont crû au sein d'une couche de sable de Fontainebleau en englobant les grains de sable (structure poécilitique).

Localisation par fichier kmz du lieu-dit Puiselet près de Fontainebleau.

Figure 2. Vue rapprochée sur les amas cristallins de calcite de Bellecroix de la figure ci-dessus

On reconnait (1) la forme des cristaux de calcite (avec des arêtes légèrement émoussées) et (2) la nature gréseuse de ces cristaux, avec les grains de quartz visibles. Comme pour les gogottes de Fontainebleau (cf. Les gogottes des Sables de Fontainebleau et d'ailleurs, de rares beautés naturelles qui ont séduit le Roi Soleil), on voit la pureté du grès, la finesse et l'homogénéité de ses grains…

Figure 3. Vue de détail sur les amas cristallins de calcite de Bellecroix de la figure ci-dessus

Figure 4. Un autre échantillon montrant la géométrie des cristaux et leur nature gréseuse, justifiant leur nom de calcite gréseuse

Figure 5. Détail de cet autre échantillon montrant la géométrie des cristaux et leur nature gréseuse

Figure 6. Schéma simplifié d'une lame mince théorique qui aurait été faite dans un groupe de quatre cristaux de calcite sableuse

Les grains de quartz sont représentés par des cercles blancs, gris ou noir (teintes de polarisation classiques du quartz dont les axes cristallographiques sont orientés dans tous les sens). Les cristaux de calcite sont représentés avec des teintes de polarisation plus vives (vert, orange, rouge et violet). La teinte homogène de chacun des quatre cristaux de calcite montre que chaque plage colorée correspond à un monocristal englobant chacun des dizaines de grains de sable. La calcite représente environ 30 % du volume des calcites sableuses, ce qui correspond à la porosité moyenne du Sable de Fontainebleau in situ. Une telle structure, un gros cristal englobant de nombreux petits cristaux préexistants, est dite poécilitique. Cette structure montre que les cristaux de calcite ont crû dans une couche de sable, en englobant-entourant les grains de sable.

Ces calcites sableuses se trouvent dans les Sables de Fontainebleau. Ces sables quartzeux souvent très purs ont été déposés à l'Oligocène inférieur (Rupélien, −33,9 à −28,1 Ma, anciennement appelé Stampien) en milieu dunaire, côtier et deltaïque. Épisodiquement, certains bancs riches en coquilles calcaires sont interstratifiés dans ces sables. Ces sables sont localement transformés en grès, qui forme des grandes dalles chapeautant les reliefs réputés pour ses rochers, lieux d'escalade favoris des Franciliens. La majorité de ces grès ont un ciment siliceux ; certains ont un ciment calcaire. Ces grès ont été très largement utilisés jusqu'au début du XX^e siècle, entre autres pour paver les rues de Paris. Ces sables, qui existent sous divers faciès légèrement différents sont compris entre les calcaires de Brie à leur base et les calcaires de Beauce à leur sommet. Leur épaisseur, variable, est d'environ 50 m.

Les premières calcites sableuses furent découvertes en 1774 par des carriers exploitant une carrière de grès (pour la fabrication de pavés) dans le lieu-dit de Belle Croix, à quelques centaines de mètres de l'actuel hippodrome de Fontainebleau. Louis XVI, amateur des choses de la nature, alla visiter ces gisements de cristaux. Ces calcites sableuses “poussent” dans du sable siliceux à partir d'une lentille de grès à ciment calcaire, sur la surface de contact grès-sable. En 1850, on (re)découvrit dans le même secteur une accumulation “en place” de tels cristaux. Ce site fut baptisé « la Grotte aux cristaux » et fut l'objet d'une “course” entre grands musées, collectionneurs éclairés ou non, marchands de curiosités, pilleurs de gites à des fins mercantiles… et protecteurs de la nature et des sites minéralogiques naturels. On peut encore voir ce qu'il en reste derrière des grilles maintes fois forcées et réparées.

Figure 7. La Grotte aux cristaux de Fontainebleau

(1) Vue d'ensemble de la Grotte aux cristaux dans son état actuel. En haut, une dalle de grès à ciment calcaire. Le “vide” du milieu correspondait à du sable non grésifié (enlevé par les carriers en 1850) dans lequel ont poussé les cristaux. En bas, du grès à ciment siliceux.

(2) Détail du plafond de la grotte.

Localisation par fichier kmz de la grotte aux cristaux de Fontainebleau.

Les calcites des figures 1 à 5 et 14 à 21 ne proviennent pas de gisement du type de la Grotte aux cristaux, mais d'un autre type de gisement. Ce sont des nodules isolés (cristallarias) ayant “poussé” dans du sable non consolidé. On peut en trouver dans les carrières qui exploitent les sables (pour la verrerie spécialisée, l'industrie du silicium…), surtout au Sud de la forêt de Fontainebleau, à la limite entre les sables de Fontainebleau et les calcaires de Beauce (calcaires d'Étampes, de Pithiviers…). Les carrières en activité sont en général interdites d'accès, mais il existe quelques carrières abandonnées.

Jeune étudiant débarquant à Paris dans les années 1975 (c'était il y a 45 ans), j'étais allé dans certaines de ces carrières déjà abandonnées dans le secteur de Puiselet (près de Nemours, Seine-et-Marne) où on pouvait trouver des échantillons de calcite de type Bellecroix à même le sol ou dans les anciennes parois de ces carrières en cours de re-végétalisation spontanée. Les calcites sableuses présentées ici, dont certaines sont maintenant dans la collection de l'ENS de Lyon, ont été ramassées dans ces carrières abandonnées (et non pas dans un gisement à préserver comme la Grotte aux cristaux). Jeune à l'époque, plus “collectionneur” que vrai géologue, j'avais ramassé des échantillons mais sans prendre de photographies des sites d'échantillonnage. Erreur de jeunesse ! D'après Google Earth, ces carrières de Puiselet sont maintenant complètement végétalisées, ou transformées en pistes de motocross. Trouver des calcites Bellecroix sans y faire des trous ou des travaux de terrassement doit être difficile.

Deux études de Médard Thiry sur ces calcites sont disponibles sur le web : Les calcites de Fontainebleau : une clé pour dater la silicification des grès ? (2012), et Les Calcites de Fontainebleau : occurrence et genèse (2016).

Figure 8. Une carrière de Sable de Fontainebleau en activité telle qu'elle était en janvier 2009 à Larchant (3,5 km à l'Ouest de Puiselet)

Les 10 m supérieurs (falaise raide et jaunâtre) sont constitués de calcaire de Beauce. Le Sable de Fontainebleau (très blanc) et ses blocs gréseux se trouve sous ces calcaires. Les carrières de Puiselet devaient ressembler à cela dans les années 1950, vingt ans avant mon passage dans ces carrières. Les calcites sableuses étaient dispersées dans certains niveaux du sable, et se ramassaient au fond et sur les talus de ces carrières.

Figure 9. Nodule multilobé isolé (cristallaria) de calcite sableuse in situ dans du sable non consolidé

Figure 10. Le cadre géologique des anciennes carrières de Puiselet (punaises jaunes) d'où proviennent les échantillons montrés ici

Une carrière fermée plus tardivement, non complètement re-végétalisée, et dans la même situation géologique est visible au premier plan. Ces anciennes carrières où on trouvaient (trouvent ?) des calcites Bellecroix ont été excavées dans les Sables de Fontainebleau (rose foncé sur la carte géologique), juste sous les calcaires de Beauce (rose clair, avec une limite renforcée par un trait rose pâle). Les calcaires sont eux-mêmes recouverts de limons (jaune).

Figure 11. Au bord de la RN20 au Sud d'Étampes

La tranchée creusée pour la route permet de voir le contact entre les calcaires de Beauce (falaise raide au sommet de la tranchée) et les Sables de Fontainebleau (pente douce en bas avec des arrachements laissant voir le sable blanc). C'est dans un tel contexte (sable sous calcaire) qu'on peut trouver des cristallarias de calcite sableuse.

L'origine des grès de Fontainebleau, des concrétions siliceuses (cf. Les gogottes des Sables de Fontainebleau et d'ailleurs, de rares beautés naturelles qui ont séduit le Roi Soleil) et des concrétions calcaires a longtemps été une question non résolue. Une discussion sur toutes les origines proposées et sur celle actuellement retenue se trouve dans M. Thiry et al., 2013, Sables et Grès de Fontainebleau : que reste-t-il des faciès sédimentaires initiaux ?. C'est la datation des calcites (par les méthodes du ¹⁴C et de l'uranium-thorium) qui a permis d'arriver à l'hypothèse actuelle. Les âges de ces calcites de Fontainebleau sont regroupés en deux groupes principaux : de −30 000 à −50 000 ans, et autour de −300 000 ans. Les calcites de Puiselet ont été daté de −323 000 ± 20 000 ans par la méthode uranium-thorium. Ces calcites contenues dans des sables oligocènes sont donc très récentes (pléistocènes). Ces deux groupes d'âges correspondent respectivement aux glaciations du Würm et au début de celle du Riss. Ces calcites ont donc cristallisé dans les Sables de Fontainebleau, sous les calcaires de Beauce, en site et climat périglaciaire (à 400 km au Sud de front des glaciers qui atteignaient Londres et Cologne). Au Würm et au Riss, le sol et le sous-sol du Bassin Parisien étaient gelés en permanence sur plusieurs mètres d'épaisseur. En atteste les sols polygonaux fossiles qu'on peut y voir (cf. Sols polygonaux (polygonal ground) de l'Himalaya, des Alpes, du Nord du Canada et d'Islande ainsi que En survolant les méga-sols polygonaux des bouches de la Kolyma, extrême Nord-Est de la Sibérie.

Sols polygonaux fossiles dans le Bassin Parisien (région d'Orléans), démontrant sa situation périglaciaire au Würm et au Riss, avec un sol gelé en permanence (pergélisol)

Figure 12. Sols polygonaux fossiles dans le Bassin Parisien (région d'Orléans), démontrant sa situation périglaciaire au Würm et au Riss, avec un sol gelé en permanence (pergélisol)

Ces sols polygonaux se voient en vue aérienne ou satellite de façon variable suivant la saison, l'état des cultures… Les coordonnées de ce site sont visibles en bas à droite de la photo, la date de prise de vue en haut à gauche.

La calcite, contrairement à la majorité des substances solides, est beaucoup plus soluble dans les eaux froides que dans les eaux chaudes. Il suffit de voir des dépôts de tartre dans les bouilloires ou sur les résistances des machines à laver pour s'en rendre compte. Cette propriété est due à la solubilité du CO₂, plus faible dans les eaux chaudes que dans les eaux froides. Une eau froide chargée d'HCO₃⁻ et de Ca²⁺ qui se réchauffe voit donc son CO₂ se dégazer par baisse de sa solubilité, ce qui entraine la précipitation de calcite suivant la célébrissime équation : Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ ⇌ CO₂ + CaCO₃ + H₂O.

Au Würm et au Riss, la température extérieure moyenne locale (été/hiver) devait être comprise entre −5 et 0°C et il y avait un pergélisol plus ou moins continu sur quelques mètres ou dizaines de mètres d'épaisseur, avec une température ≤ 0°C. Par contre, en profondeur, surtout en début de période glaciaire quand le froid n'avait pas trop pénétré en profondeur, la nappe phréatique qui imprègne le sous-sol (la nappe de Beauce) avait une température largement supérieure à 0°C. Si de l'eau liquide arrive à s'infiltrer à travers le calcaire de Beauce malgré le pergélisol, elle arrive dans les sables de Fontainebleau avec une forte concentration en Ca²⁺ et en HCO₃⁻. En arrivant au niveau de la nappe phréatique “plus chaude”, cette eau d'infiltration perd du CO₂, et de la calcite précipite au sein du sable. Ainsi seraient nés les cristallarias de calcite sableuse.

Genèse des calcites de Bellecroix par arrivée d'eau froide saturée en Ca2+ et en HCO3− et se réchauffant en arrivant dans la nappe de Beauce

Figure 13. Genèse des calcites de Bellecroix par arrivée d'eau froide saturée en Ca²⁺ et en HCO₃⁻ et se réchauffant en arrivant dans la nappe de Beauce

Figure 14. Schéma théorique simplifié résumant la genèse des calcites de Bellecroix

(1) Sable de Fontainebleau imbibé par l'eau (tiède) de la nappe de Beauce.

(2) Arrivée d'eau froide saturée en Ca²⁺ et en HCO₃⁻. Des cristaux de calcite commencent à précipiter.

(3) et (4) Croissance des cristaux qui grandissent en englobant les grains de sable.

(5) Baisse du niveau de la nappe phréatique. Les cristaux cessent de croitre.

(6) Érosion et mise à l'affleurement des calcites gréseuses.

Les données fondamentales qui ont permis d'aboutir à ce scénario, outre les études fines de terrain, les courbes de solutions des carbonates…, ce sont les datations qui ont montré la contemporanéité entre croissance des calcites de Bellecroix et périodes froides du Pléistocène. Ces datations ont été obtenues par la classique méthode au ¹⁴C pour les cristallisations d'âge < 50 000 ans et par la méthode uranium-thorium pour les âges plus anciens. Comme la datation par la méthode uranium-thorium est beaucoup moins connue que la méthode au ¹⁴C, nous en rappelons ici succinctement le principe.

Datation par les déséquilibres de l'uranium

La méthode de datation uranium-thorium ou méthode des déséquilibres des familles de l'uranium et du thorium est une méthode qui permet notamment de mesurer l'âge de certaines formations carbonatées (coquilles, coraux, concrétions karstiques, cristallisation de calcite…) âgées de quelques centaines de milliers d'années (soit bien plus qu'avec la datation au ¹⁴C, limitée au mieux à 50 000 ans).

L'uranium est soluble dans l'eau (sauf si celle-ci est très réductrice), contrairement au thorium, totalement insoluble. L'²³⁸U se désintègre (avec une période de 4,47 Ga) pour se transformer en ²⁰⁶Pb, avec de nombreuses étapes intermédiaires. Il se transforme (par quelques étapes rapides) en ²³⁴U (radioactif, de période de 245 500 a), lequel se désintègre à son tour en ²³⁰Th, lui aussi radioactif, qui va se transformer (avec une période de 75 000 a) en ²²⁶Ra (radium), et ainsi de suite jusqu'au ²⁰⁶Pb. Les eaux (comme l'eau de mer, celles d'une nappe phréatique…) contiennent des traces d'uranium (2 µg d'uranium par mètre cube d'eau de mer par exemple), mais pas de thorium, insoluble (ce dernier précipite dès sa production). Un cristal de carbonate qui précipite à partir de l'eau piège dans son réseau cristallin une partie de l'uranium dissout dans cette eau. Il contient donc initialement plus ou moins d'uranium, mais pas du tout de thorium.

Sur quelques centaines de milliers d'années, durée négligeable au regard des 4,47 Ga de demi-vie de l'²³⁸U, et dans un système clos donné (un cristal, par exemple), la désintégration de l'²³⁸U, en nombre d'atomes désintégrés par unité de temps, peut être considérée comme constante. Cette désintégration constitue un flux “constant” qui alimente toute la série de désintégration de ²³⁸U, les quantités des différents isotopes évoluent jusqu'à ce que la production de chaque isotope par désintégration de son élément père et sa propre désintégration se compensent exactement : on parle d'équilibre séculaire. L'état d'équilibre entre un isotope et l'un de ses descendant est atteint plus ou moins rapidement en fonction des constantes de désintégrations de ces éléments. Pour un système fermé, un équilibre général de la chaine de désintégration de l'²³⁸U est atteint au bout de 1,2 Ma environ (durée liée à la plus longue période de la série, celle de l'²³⁴U). Selon les éléments considérés on dispose ainsi de différents chronomètres. Si un déséquilibre est observé (écart par rapport à l'équilibre séculaire), cela signifie que le système n'est pas fermé depuis suffisamment longtemps pour avoir atteint l'équilibre. Lorsque l'état initial est connu ou peut être estimé, on peut alors dater la fermeture du système.

Dans le cas de la précipitation de calcite à partir d'eau, l'absence de Th initial permet de dater la cristallisation de la calcite en étudiant par exempe le couple ²³⁴U-²³⁰Th, dont l'état d'équilibre est atteint en environ 350 ka.

Figure 15. Une gogotte englobant de la calcite sableuse

Les concrétions siliceuses sont beaucoup plus difficiles (voire impossibles) à dater par radiochronologie. C'est avec des relations géométriques de ce type, qui montrent que les concrétions calcaires sont antérieures ou contemporaines des concrétions siliceuses, qu'on a pu dater ces dernières et monter qu'elles aussi avaient crû pendant les périodes froides du Pléistocène (cf. M. Thiry, 2012, Les calcites de Fontainebleau : une clé pour dater la silicification des grès ?).

Ces calcites Bellecroix de Fontainebleau sont, et de loin, les plus belles calcites sableuses du monde. Elles sont présentes dans tous les “grands” musées de minéralogie du monde. Un timbre la représentant a même été édité par La Poste en 1986. Un rare honneur pour un minéral en France, car la géologie est la parente pauvre des sciences de la nature dans notre pays. Après le timbre, pour se faire plaisir, et après les deux échantillons des figures 1 à 5, voici quelques photographies des quatre autres échantillons ramassés dans les carrières abandonnées de Puiselet il y a 45 ans.

Figure 16. Timbre-poste édité par les PTT en 1986 et représentant de la calcite de Bellecroix

Source - © 2020 Pierre Thomas Figure 17. Vue d'ensemble d'un échantillon de calcite de Bellecroix	Source - © 2020 Pierre Thomas Figure 18. Vue de détail de ce même échantillon de calcite de Bellecroix
Source - © 2020 Pierre Thomas -Collection ENS de Lyon Figure 19. L'un des deux côtés d'un échantillon de calcite de Bellecroix La périphérie des cristaux est plus claire que leur cœur, sans doute parce qu'une partie de la calcite a été partiellement dissoute en surface et que l'échantillon est devenu “poreux”.	Source - © 2020 Pierre Thomas - Collection ENS de Lyon Figure 20. L'autre coté de ce même échantillon de calcite de Bellecroix La périphérie des cristaux est plus claire que leur cœur, sans doute parce qu'une partie de la calcite a été partiellement dissoute en surface et que l'échantillon est devenu “poreux”.

Les nodules de calcites sableuses peuvent avoir des tailles variées. Les deux échantillons suivants mesurent respectivement 4 et 36 cm dans leur grande dimension.

Source - © 2020 Pierre Thomas Figure 21. Petit échantillon de calcite de Bellecroix (L = 4 cm)	Source - © 2020 Pierre Thomas Figure 22. Vue d'ensemble d'une face d'un “gros” échantillon de calcite de Bellecroix (L = 36 cm)
Source - © 2020 Pierre Thomas Figure 23. Détail de cette face du “gros” échantillon de calcite de Bellecroix (L = 36 cm)	Source - © 2020 Pierre Thomas Figure 24. L'autre face du “gros” échantillon de calcite de Bellecroix (L = 36 cm) Les cristallisations y sont nettement moins belles. Cet échantillon trainant sur le sol d'une ancienne carrière de Puiselet, sa polarité initiale (haut/bas) n'a pas pu être déterminée sur le terrain.

Les calcites de Bellecroix de Fontainebleau sont les plus belles du monde. Mais ce ne sont pas les seules. Il en existe un deuxième gisement en France, à Cabrerets dans le Lot. Il s'agit de calcite ayant cristallisé dans du sable remplissant une cavité karstique fossile creusée dans du calcaire du Jurassique supérieur. Ces calcites ne se trouvent pas dans des carrières mais dans un affleurement naturel situé au cœur de la Réserve naturelle nationale d'intérêt géologique du Lot. La collecte d'échantillon y est strictement interdite.

Figure 25. Une calcite “Bellecroix” de Cabrerets, Lot

La couleur est plus foncée et le sable plus grossier qu'à Fontainebleau. Je ne sais pas si ces calcites ont été datées.

Localisation de Puiselet (près de Fontainebleau) et de Cabrerets (près de Cahors), les deux sites où l'on trouve les plus belles calcites sableuses de France

Figure 26. Localisation de Puiselet (près de Fontainebleau) et de Cabrerets (près de Cahors), les deux sites où l'on trouve les plus belles calcites sableuses de France

Outils personnels

Navigation

Les calcites de Bellecroix, fruits des variations climatiques pléistocènes

Pierre Thomas

Olivier Dequincey

Localiser sur la carte interactive