Image de la semaine | 17/05/2021

Les gypses automorphes des lacs glaciaires würmiens du Trièves, Cornillon-en-Trièves, Sud de l'Isère

17/05/2021

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

Résumé

Lac de barrage glaciaire du Trièves et conditions oxydo-réductrices permettant l'oxydation du soufre en milieu calcaire et la formation de cristaux de gypses dans les argiles lacustres au contact de marnes noires.


Échantillon stratifié d'argile légèrement calcaire présentant des cristaux automorphes de gypse, ramassé à Cornillon-en-Trièves (Isère)

Figure 1. Échantillon stratifié d'argile légèrement calcaire présentant des cristaux automorphes de gypse, ramassé à Cornillon-en-Trièves (Isère).

Deux cristaux prismatiques automorphes de gypse sont inclus dans cette marne très argileuse. Le plus grand des cristaux mesure 5 cm dans sa plus grande dimension, le plus petit 3 cm. Cet échantillon a été ramassé dans les badlands argileux sur la commune de Cornillon-en-Trièves (Isère). Ces badlands sont creusés dans des argiles lacustres, finement silteuses ou sableuses, légèrement calcaires, parfois micacées, régulièrement litées (varves ?). Ces argiles datent du maximum de la dernière glaciation alpine (le Würm, −45 000 à −20 000 ans).

Localisation par fichier kmz du premier site à gypses automorphes du Trièves (Isère).


Autre vue de cet échantillon stratifié d'argile légèrement calcaire présentant des cristaux automorphes de gypse

Figure 2. Autre vue de cet échantillon stratifié d'argile légèrement calcaire présentant des cristaux automorphes de gypse.

Deux cristaux prismatiques automorphes de gypse sont inclus dans cette marne très argileuse. Le plus grand des cristaux mesure 5 cm dans sa plus grande dimension, le plus petit 3 cm. Cet échantillon a été ramassé dans les badlands argileux sur la commune de Cornillon-en-Trièves (Isère). Ces badlands sont creusés dans des argiles lacustres, finement silteuses ou sableuses, légèrement calcaires, parfois micacées, régulièrement litées (varves ?). Ces argiles datent du maximum de la dernière glaciation alpine (le Würm, −45 000 à −20 000 ans).






L'échantillon des figures 1 à 6 a été ramassé là où une érosion de type mini-badlands entaille une série essentiellement argileuse dominant la rive droite de la vallée de l'Ébron, un affluent du Drac. Cette série argileuse, souvent varvée, a une épaisseur très variable pouvant atteindre un maximum de 200 m. Il s'agit d'argiles lacustres, qui se sont déposées durant le maximum de la glaciation du Würm (−45 000 à −20 000 ans) dans un lac crée par le barrage de la vallée du Drac par le glacier de l'Isère renforcé par le glacier de la Romanche (cf. figure ci-dessous) : le lac du Trièves. Ce lac était dans une situation analogue de celle du lac de Louze (lac mindelien ou pré-mindelien) de la semaine dernière (cf. Les terrasses fluvio-lacustro-glaciaires du plateau de Louze, Chanas (Isère) et du lac actuel de Groenland (cf fig 19 à 21 de la semaine dernière). Dans la vallée de l'Ébron, et même dans la partie aval de la vallée du Drac, l'origine de ce remplissage est à rechercher dans l'érosion des versants du Vercors et du Dévoluy, massifs principalement calcaires et marno-calcaires. En effet, la majorité des alluvions du Drac avaient déjà été “piégée” dans autre un lac en amont, le lac de Beaumont. Ce système de lacs est à cheval sur quatre cartes géologiques au 1/50 000, et leurs notices respectives décrivent en détail les différentes phases de leurs formations et remplissages (La Chapelle en Vercors, La Mure, Mens et Saint-Bonnet). Par exemple, la notice de Mens décrit ainsi un de ces niveaux argileux : « Argiles glacio-lacustres du maximum de Würm. Grande masse d'argiles finement silteuses ou sableuses, micacées, régulièrement litées (varves ?), sombres, garnissant l'ensemble de la cuvette du Trièves jusqu'à 750 m d'altitude. Elles noient toute une topographie complexe et un ensemble de dépôts caillouteux plus ancien (« serres » du Trièves, alluvions du Würm 1) et elles comblent un lac de barrage glaciaire datant de la phase d'extension maximale du glacier de l'Isère, du Würm Il (feuilles Vif et La Chapelle-en-Vercors ». À la fonte du glacier de l'Isère, ce lac s'est vidé. Le Drac et ses affluents se sont enfoncés, ont érodé ces argiles et ont atteint le substratum anté-glaciaire. Ce sont ces argiles qui contiennent les cristaux automorphes (prismes ou autres formes) de gypse (CaSO4, 2H2O). Mouillées ou humides, ces argiles sont grises assez sombres. Sèches, elles sont beaucoup plus claires. Si on visite ces affleurements par beau temps, les versants parfois assez raides sont clairs et couverts de fentes de dessiccation. Par temps de pluie, ces versants deviennent très glissants, et sont beaucoup plus sombres.

Carte morphologique de la région de Grenoble et du Trièves lors du maximum de la glaciation du Würm (de −45 000 à −20 000 ans)

Figure 7. Carte morphologique de la région de Grenoble et du Trièves lors du maximum de la glaciation du Würm (de −45 000 à −20 000 ans).

Le lac du Trièves est dû au barrage de la basse vallée du Drac par l'étalement du glacier de l'Isère (renforcé par le glacier de la Romanche). C'est dans ce lac que sédimentent les argiles à gypse. L'étoile verte localise les photos 8 à 16, d'où provient l'échantillon des photos 1 à 6. L'étoile jaune localise les photos 20 à 23.




Mini grattage sur un affleurement montrant l'“intérieur” (sombre) de la série argileuse sous les quelques centimètres superficiels secs (donc clairs) et craquelés par la dessiccation

Figure 10. Mini grattage sur un affleurement montrant l'“intérieur” (sombre) de la série argileuse sous les quelques centimètres superficiels secs (donc clairs) et craquelés par la dessiccation.

On voit une sédimentation horizontale, très fine, et très régulière. Ces strates peuvent être interprétées en termes de varves (strates lacustres annuelles). Des photos en gros plan d'un échantillon de ces argiles du Trièves sont visibles sur la lithothèque de l'ENS de Lyon.


Zoom montrant l'“intérieur” (sombre) de la série argileuse sous les quelques centimètres superficiels secs (donc clairs) et craquelés par la dessiccation

Figure 11. Zoom montrant l'“intérieur” (sombre) de la série argileuse sous les quelques centimètres superficiels secs (donc clairs) et craquelés par la dessiccation.

On voit une sédimentation horizontale, très fine, et très régulière. Ces strates peuvent être interprétées en termes de varves (strates lacustres annuelles). Des photos en gros plan d'un échantillon de ces argiles du Trièves sont visibles sur la lithothèque de l'ENS de Lyon.


Et c'est dans ces argiles varvées déposées dans le paléo-lac du Trièves qu'ont cristallisé les gypses automorphes. Bien que leur répartition soit très irrégulière, on n'a aucun mal à trouver de tels gypses dépassant légèrement des argiles. En effet, l'érosion des argiles par la pluie et le ruissellement est plus rapide que la dissolution des gypses, qui se retrouvent en saillie. Il est étonnant que les notices des cartes géologiques concernées ne signalent pas ces gypses, alors qu'ils sont célèbres dans le monde des minéralogistes amateurs. Il suffit de taper « gypse Trièves » sur un moteur de recherche pour s'en convaincre. Le gisement le plus connu est celui de Sinard. Nous vous montrons deux exemples de cristaux prismatiques de gypse photographiés en place sur le gisement de Cornillon-en-Trièves. Quelques millimètres de ces cristaux dépassaient d'un versant argileux très raide, cristaux que j'ai légèrement dégagés (mais sans les déplacer en les laissant au sein des argiles) pour qu'on en voie la forme.

Dans les livres et les cours, on apprend que le gypse (CaSO4, 2H2O) est une évaporite, formée par l'évaporation d'une lagune maritime ou d'un lac endoréique salé. En effet, le sulfate de calcium est peu soluble dans l'eau pure (≈ 2,2 g/L aux pression et température standards) et précipite rapidement quand l'évaporation concentre les ions de la mer ou d'un lac. C'est effectivement la situation la plus courante à l'origine de la très grande majorité des gypses. Mais cette hypothèse d'une forte évaporation ne semble pas applicable au lac würmien du Trièves il y a quelques dizaines de milliers d'années, en pleine glaciation, alors que le climat dans les Alpes était froid et humide, que ce lac du Trièves n'était en aucun cas un lac endoréique mais était constitué d'eau très froide, alimenté par d'abondantes eaux de pluie, des torrents, de l'eau de fonte glaciaire… et qu'il avait certainement un exutoire à travers (sous) le glacier de l'Isère. Quelle peut alors être l'origine des gypses du Trièves ? Avant de proposer une (ou plusieurs) solution(s), voyons quel était l'environnement géologique du paléo-lac du Trièves.

Le substratum et les environs immédiats du paléo-lac du Trièves sont majoritairement constitués de terrains du Jurassique moyen et de la base du Jurassique supérieur (de l'Aalénien, 175 Ma, à l'Oxfordien, 155 Ma). Il s'agit d'une épaisse série (environ 1000 m) de marnes et de marno-calcaires sombres, connues sous le nom de « Terres noires » sensu lato, les « Terres noires » sensu stricto étant limitées à l'Oxfordien. Il s'agit de sédiments marins sombres, et déposés dans un bassin assez profond et faiblement oxygéné. Ces marnes sont sombres voire noires car elles sont relativement riches en matière organique et surtout en sulfures. À l'Est, les terrains lacustres peuvent être localement au contact du Jurassique inférieur, principalement marno-calcaire avec également des niveaux de marnes noires ; à l'Ouest, ces dépôts lacustres reposent sur des terrains du Jurassique supérieur, également constitués d'alternances de calcaires et de marnes, parfois noires.

Rappelons que les sulfures correspondent aux formes réduites du soufre, sous forme d'ion S2− (ou éventuellement SH, ions appelé hydrogénosulfure). Il ne faut pas confondre sulfure et sulfate, l'ion sulfate (SO42) correspondant, lui, à la forme oxydée du soufre. Dans l'eau de mer, le soufre est très majoritairement sous forme d'ions SO42−, le deuxième anion par ordre d'abondance (après Cl) : 2,7 g/L. Comment peut-il se déposer des sédiments riches en S2− alors que la mer est globalement oxydante (les poissons respirent très bien !) ? Cela se produit dans les fonds marins quand des circonstances locales ou globales font que ceux-ci sont très mal oxygénés. Si, au fond d'un bassin, les apports de matière organique (pluie de plancton venant de la surface, apports venus des continents…) sont supérieurs à l'apport de dioxygène par les courants profonds, alors le milieu devient anoxique et de la matière organique sédimente, mélangée aux argiles, carbonates… Comme la respiration oxygénique n'est plus possible et que la fermentation est très peu efficace énergétiquement parlant, de nombreuses bactéries, dites sulfato-réductrices, utilisent les ions sulfates comme oxydant pour respirer, oxyder la matière organique et se fournir en énergie : 2 C (matière organique) + SO42− → (sous l'action de bactéries sulfato-réductrices) → S2− + 2 CO2.

C'est ce qui a dû arriver au Jurassique moyen dans les fonds relativement profonds de la zone dauphinoise, future marge de l'océan alpin. Cette sulfato-réduction biologique fractionne les isotopes du soufre : le soufre des sulfures est enrichi en isotope léger (32S) par rapport au soufre des sulfates, et ce d'une quarantaine d'unités δ.

Notons que la réaction inverse existe aussi. Quand des sulfures sont en présence de dioxygène (gazeux ou dissout dans de l'eau), ils s'oxydent, et si l'oxydation est totale, on aboutit aux sulfates : S2− + 2 O2 → SO42−. Cette réaction peut se faire de façon abiotique, mais aussi souvent sous l'action de bactéries chimiolithotrophes, dites sulfoxydantes.

Contexte morphologique et géologique du site des argiles würmiennes de Cornillon-en-Trièves (punaise jaune) (Isère)

Figure 17. Contexte morphologique et géologique du site des argiles würmiennes de Cornillon-en-Trièves (punaise jaune) (Isère).

Les sédiments glaciaires (en gris) reposent majoritairement sur des terrains du Jurassique moyen et de la base du Jurassique supérieur, en marron, orange et bleu foncé sur la carte géologique (les « Terres noires » sensu lato). La punaise rouge localise la figure 18, qui correspond à une photographie du contact entre ces terrains lacustro-glacaires (en gris) et son substratum Jurassique moyen (Bathonien, en orange). Le lac visible en haut à droite de la photo n'est pas un reste du lac würmien, mais le lac du barrage EDF de Monteynard.



Figure 19. Vue sur les falaises des gorges de l'Ébron (partiellement ennoyées par le lac de barrage EDF de Monteynard) depuis la passerelle du Pas du Berlioz, 5 km au Nord du site de Cornillon-en-Trièves (Isère).

Cette vue montre l'épaisseur des couches de marnes noires du Bathonien. La trace horizontale à mi-hauteur de la falaise de droite au fond de la photo correspondrait à ce qui reste d'un sentier minier conduisant à d'anciennes mines de cuivre et d'argent abandonnées depuis des siècles. La présence de cuivre et d'argent, éléments « thiophiles » (qui “aiment” le soufre), est compatible avec la richesse de ces marnes en sulfures.

Localisation par fichier kmz des falaises de marnes noires du Bathonien.


Quelle peut être l'origine des cristaux de gypse inclus dans ces argiles lacustres würmiennes ? On peut éliminer d'emblée que ce soient des gypses détritiques. Les cristaux sont parfaits ; ils ne montrent aucun indice de roulement, d'usure, de dissolution… qu'auraient présenté de fragiles et tendres cristaux de gypse transportés, même sur de faibles distances.

Dans la région, il y a un niveau de gypse dans la série stratigraphique : dans le Trias supérieur, donc stratigraphiquement (et géographiquement) pas très loin du substratum jurassique des argiles würmiennes à gypse. On pourrait supposer que des eaux gypseuses (on parle d'eaux séléniteuses) s'échapperaient du Trias, traverseraient tout le Jurassique inférieur et moyen et iraient déposer leur gypse dans ces argiles du Quaternaire récent. Mais pourquoi ce gypse ne se serait-il déposé que dans les argiles würmiennes, et ni avant chronologiquement parlant (il s'est écoulé du temps entre le Trias et le Quaternaire, et aucune cristallisation similaire plus ancienne n'est connue), ni sur le trajet entre les couches du Trias et celles du lac du Trièves. Il semble bien que ces argiles würmiennes aient l'exclusivité chronologique et géographico-géologique de ces cristallisations de gypse automorphe, ce qui rend peu probable cette hypothèse.

Ce gypse inclus dans les argiles würmiennes peut aussi avoir pour origine l'oxydation des sulfures des Terres noires sous-jacentes. C'est là l'origine la plus probable bien que de nombreux détails resteraient à préciser, comme en particulier la part biologique de cette oxydation, les mécanismes de nucléation ayant engendré de rares gros cristaux de gypse plutôt qu'une imprégnation diffuse ou de nombreux petits cristaux… La mise en eaux du lac du Trièves a ennoyé une grande épaisseur de marnes noires dans lesquelles étaient encaissées les vallées du Drac et de l'Ébron. La (faible) porosité et les fractures de ces Terres noires se sont trouvées remplies d'eau, eaux qui se sont rapidement enrichies en ions S2 (nappe phréatique à eau réduite). Les boues sablo-argilo-marneuses en train de combler le lac étaient, elles, au contact des eaux froides et bien oxygénées de ce lac de montagne, et l'eau interstitielle de ces sédiments devait être une eau bien oxydée. C'est au sein de cette boue argileuse que le contact et le mélange entre une eau riche en S2− et une eau riche en O2 dissout que ce serait faite la transformation sulfure → sulfate, et la précipitation des gypses, à cause de la présence de calcium dans ces boues et de la faible solubilité du sulfate de calcium. Une analyse isotopique de ces gypses devrait permettre de trancher entre une origine “triasique” et une origine “oxydation des sulfures”, car le soufre issu des sulfures devrait être enrichi en isotope léger par rapport au soufre de la mer (donc au soufre des gypses du Trias).

Il n'est pas besoin de pelles, de pioches et de “terrassements” importants (on voit de tels terrassements faits par des “amis de la nature” sur le web) pour trouver de beaux gypses. On peut en trouver simplement en se promenant par exemple dans la région du lac de Monteynard, qui, même sans gypse, est l'occasion de belles randonnées. Par un jour de grand soleil, on voit alors, parfois rares, parfois abondants, des éclats brillants sur le sol ; on se baisse, et on découvre des cristaux de gypse. Parfois ils sont si abondants qu'il n'y a qu'à “picorer” pour en ramasser une bonne douzaine. Mais on peut adapter à ces cristaux ce que recommandent botanistes et responsables des espaces de montagne à propos de beaucoup d'espèces de fleurs des Alpes : « Ramassez uniquement “ce que la main peut contenir”, ne vous laissez pas emporter par votre élan et modérez-vous ! Laissez-en aux autres ! Évitez tout simplement le pillage ! » J'ai dépassé cette parcimonie de bon sens en 2010, mais ce n'était pas pour thésauriser, vendre ou échanger, mais pour ramasser des cristaux de gypse en assez grand nombre pour organiser des TP de minéralogie.

Affleurement d'argiles würmiennes à gypse au-dessus du lac de Monteynard (Isère)

Figure 20. Affleurement d'argiles würmiennes à gypse au-dessus du lac de Monteynard (Isère).

Il n'y a qu'à se baisser pour voir, photographier et ramasser (pas plus qu'il n'en faut) des cristaux de gypse.

Localisation par fichier kmz du deuxième site à gypses automorphes du Trièves (Isère).


Au sol, dans les argiles würmiennes à gypse au-dessus du lac de Monteynard (Isère)

Au sol, dans les argiles würmiennes à gypse au-dessus du lac de Monteynard (Isère)

Au sol, dans les argiles würmiennes à gypse au-dessus du lac de Monteynard (Isère)