La chaine varisque en France, un édifice multi-collisionnel et poly-cyclique / Introduction

Dès la fin du XIX^e siècle, les géologues ont reconnu l'existence de déformations d'âge carbonifère, notamment par l'observation des discordances du Permien ou du Trias sur des terrains sédimentaires plissés, des ensembles métamorphiques ou magmatiques. En 1887, l'étude du bassin houiller du Nord de la France et la présence de plusieurs phases tectoniques ont permis à Marcel Bertrand de définir une orogenèse « hercynienne » dont le nom est dérivé du massif du Harz en Allemagne. On doit au géologue autrichien Eduard Suess (1831-1914), dans son ouvrage monumental Daz Antlitz der Erde [La face de la Terre, publication des volumes successifs de 1883 à 1909], la définition d'une chaine d'âge paléozoïque inférieur comprenant un rameau NO-SE dit armoricain et un rameau NE-SO dit varisque. C'est le célèbre « V hercynien ». Actuellement, sous l'influence des auteurs anglo-saxons, le terme « varisque », préféré dans la littérature internationale, sera également utilisé ici.

En Europe, la chaine varisque exposée dans divers massifs “anciens”, se développe depuis l'Ibérie (Portugal et Espagne) jusqu'à la Pologne, en passant par le Sud-Ouest de l'Irlande et de l'Angleterre, la France, la Belgique, l'Allemagne et la Tchéquie. Elle constitue aussi le substratum des bassins sédimentaires parisien et aquitain, le socle de la chaine alpine reconnu dans les massifs cristallins internes et externes des Alpes et les nappes alpines du domaine austro-alpin. D'autres éléments de la chaine varisque se rencontrent dans la chaine tertiaire des Pyrénées, le massif des Maures, la partie occidentale de la Corse, la Sardaigne, le Nord-Est de la Sicile (Monts Péloritains), la Calabre (Sila, Serre, Aspromonte), et les massifs kabyles d'Algérie. Ces massifs méditerranéens ont subi pendant les ères mésozoïque (“secondaire”) et cénozoïque (“tertiaire”) des déplacements en bloc de plusieurs centaines de kilomètres. L'architecture de la chaine varisque est notamment détruite du fait de la dispersion des massifs lors de l'ouverture des bassins océaniques comme la mer tyrrhénienne et le bassin algéro-provençal (Fig. 1).

Source - © 2020 Michel Faure

Figure 1. Schéma tectonique de l'Europe

La chaine paléozoïque varisque (en orange clair) occupe la partie moyenne de l'Europe, entre la chaine paléozoïque calédonienne d'Europe du Nord et la chaine cénozoïque alpine d'Europe du Sud dont la continuité structurale est en partie détruite par les bassins d'arrière arc néogènes. La chaine néoprotérozoïque (cadomienne) est largement cachée par des dépôts plus récents, ou remaniée dans les chaines calédonienne ou varisque (par exemple dans le Massif Armoricain où elle n'est pas représentée ici pour plus de clarté). Les fragments de socle varisque de la chaine alpine ne sont pas montrés sur cette carte.

Située entre l'Europe du Nord, caractérisée par le substratum archéen et paléoprotérozoïque du bouclier balte et la chaine calédonienne d'âge anté-dévonien d'une part, et l'Europe méridionale, dominée par les chaines alpines et la Méditerranée, où la tectonique est encore très active d'autre part, l'Europe moyenne a été façonnée par la chaine varisque qui constitue ainsi l'épine dorsale du continent européen.

À l'échelle de la France, la chaine varisque est bien exposée dans les « massifs anciens » : Ardennes, Massif Armoricain, Massif Central, Vosges, Pyrénées. Pour des raisons de logique d'ensemble et de cohérence, le Sud de l'Angleterre (Cornwall, Devon) doit également être considéré.

Dans la suite de cet article, nous nous limiterons à l'examen des massifs anciens français et de quelques régions limitrophes. Bien que restreint, cet ensemble permet de donner une image représentative de la chaine varisque d'Europe moyenne et de discuter les nombreux problèmes encore en suspens. Une présentation des massifs de la branche orientale – ensemble corso-sarde, Maures, massifs cristallins des Alpes – et des propositions de possibles corrélations avec la chaine principale seront suggérés à titre d'hypothèse.

Commencés il y a plus d'un siècle, des travaux détaillés de stratigraphie, de cartographie, de pétrologie magmatique et métamorphique et de tectonique sont disponibles en de très nombreux points des massifs anciens français. Toutes les données géochronologiques acquises plus récemment et surtout l'application de concepts géodynamiques issus de la tectonique des plaques lithosphériques permettent de proposer des interprétations elles-mêmes sujettes à une constante évolution.

Outre les grands progrès réalisés dans les domaines de la géochimie, et notamment de la géochronologie isotopique, la compréhension de la chaine varisque a aussi bénéficié des avancées en géophysique, grâce en particulier à la mise en œuvre de profils sismiques à l'échelle de la croute, comme par exemple le programme français ECORS. Dans les années 1990, le programme GéoFrance 3D a apporté des informations nouvelles sur les structures du Massif Armoricain et du Sud du Massif Central. Toutefois, un grand profil sismique à travers tout le Massif Central qui représente pourtant le plus vaste et le plus étudié des fragments du puzzle varisque reste encore à être réalisé.

Il est ainsi apparu que la majeure partie des roches métamorphiques était d'âge paléozoïque. L'analyse structurale a permis de déchiffrer la succession des déformations superposées et de caractériser la cinématique des déplacements. Enfin, les progrès de la pétrologie métamorphique ont apporté des informations très importantes sur les conditions thermo-barométriques de la déformation.

Il y a une cinquantaine d'années, et malgré les travaux de précurseurs comme F. Kossmat en Allemagne ou A. Demay en France, la vision de la chaine varisque était encore très fixiste. La majeure partie des roches métamorphiques était considérée comme un socle précambrien (noyau arverno-vosgien du Massif Central, socle cadomien du Massif Armoricain) autour duquel les terrains paléozoïques dessinaient des « ceintures plissées périphériques ». Pour plus de détails, voir, par exemple, la série sur la géologie anté-permienne du Massif Central : Structure et évolution pré-permienne du Massif Central français 1/3 – Évolution des idées et architecture en nappes suivi de … 2/3 – Évènements tectono-métamorphiques successifs et de … 3/3 – Magmatisme et scénario géodynamique.

Il est maintenant bien admis que la chaine varisque présente toutes les caractéristiques des chaines de collision. Du point de vue lithologique, on reconnait des roches sédimentaires et magmatiques/mantelliques océaniques (ophiolites) et des séries de marges continentales passives et actives. Du point de vue tectonique, on identifie des déformations ductiles associées à des nappes de charriage, de grands décrochements et des structures extensives post-nappes. Du point de vue pétrologique, on met en évidence un évolution métamorphique polyphasée. Du point de vue magmatique, on reconnait les marques de la fusion liée à un épaississement crustal.

Dans leur grande majorité, les auteurs s'accordent pour considérer que l'orogenèse varisque résulte de la collision entre deux grandes masses continentales : la Laurussia au Nord et le Gondwana au Sud. La Laurussia est-elle même constituée par la collision de l'Amérique du Nord (ou Laurentia), du craton baltique (ou Baltica) et du microcontinent Avalonia au Paléozoïque inférieur à l'issue de l'orogenèse calédonienne. Le Gondwana rassemble l'Amérique du Sud, l'Afrique, l'Inde, l'Australie et l'Antarctique. Son éclatement se produira au Mésozoïque lors de l'ouverture des océans Téthys, Atlantique et Indien. C'est la région septentrionale de la partie africaine du Gondwana qui est entrée en collision avec la Laurussia donnant alors naissance à la Pangée.

Cependant, contrairement à des collisions relativement “simples” comme celle de l'Inde avec l'Eurasie à l'Éocène en Himalaya, ou celle de l'Europe avec l'Apulie dans les Alpes occidentales, il existe dans la chaine varisque des lanières continentales issues du Gondwana. On reconnait ainsi trois microcontinents : Avalonia, Saxo-Thuringia ou Mid-German Crystalline Rise (MGCR), et Armorica. Ces lanières continentales sont séparées par des domaines à lithosphère océanique, les océans Iapetus, Rhéique principal, Rhéique méridional et Médio-européen. Ce dernier océan est aussi appelé Galice-Massif Central, mais on remarquera que cette dénomination n'est pas très appropriée puisque la présence d'ophiolites dans le Massif Central reste très controversée (cf. la discussion dans Structure et évolution pré-permienne du Massif Central français 1/3 – Évolution des idées et architecture en nappes). Le microcontinent Avalonia participe à la formation de la Laurussia, il ne joue pas de rôle important dans le cycle varisque. Ainsi, la chaine varisque apparait comme un édifice polyorogénique, ou multi-collisionnel, résultant de la fermeture de trois domaines océaniques, puis de collisions continentales d'âges et de positions variables.

C'est grâce aux progrès de la géochronologie que l'existence de déformations ductiles et syn-métamorphes d'âge paléozoïque dans les “massifs anciens”, déjà pressenties par quelques pionniers comme André Demay en France, a été établie. La découverte d'évènements tectono-métamorphiques d'âge paléozoïque inférieur (Silurien-Dévonien) a conduit des auteurs à parler de « chaine calédonienne » ou « acadienne ». Mais l'orogenèse varisque d'Europe moyenne ne relève pas du tout de la même histoire géodynamique de collisions continentales que l'orogenèse calédonienne d'Europe du Nord. Ainsi pour éviter cette confusion, les termes d'« orogenèse calédonienne », de « phase calédonienne », ou de « phase acadienne » doivent être proscrits pour décrire les évènements relatifs à la chaine varisque. Actuellement, le terme « éo-varisque » est fréquemment utilisé pour décrire des évènements précoces, même si son âge reste imprécis.

Dans la suite de cet article, on adoptera la subdivision classique proposée par Kossmat (1927) pour le massif de Bohème, étendue vers l'Ouest pour prendre en compte les massifs varisques français. Du Nord au Sud, de la Belgique à la Méditerranée, on considèrera les ensembles suivants (Fig. 2).

Source - © 2020 Michel Faure

Figure 2. La zonation de la chaîne varisque en France, en Belgique et en Angleterre

F.N.P : Faille Nord-pyrénéenne ; BS CSA : branche Sud du Cisaillement Sud-armoricain ; BN CSA : branche Nord du Cisaillement Sud-armoricain ; CNA : Cisaillement Nord-armoricain ; FLL : Faille de Lalaye-Lubine ; MGCR : Mid-German Crystalline Rise. Les petits massifs varisques de la zone Nord-pyrénéenne (au Nord de la faille Nord-pryrénéenne) et les massifs cristallins des Alpes ne sont pas distingués.

Ces ensembles continentaux sont séparés par trois sutures océaniques (Fig. 2). Du Nord au Sud, il s'agit de :

La continuité de ces sutures ophiolitiques est souvent interrompue par un rejeu ultérieur des failles et leur recouvrement par des dépôts ultérieurs. En France, les sutures ophiolitiques ne sont directement observables que dans le Massif Armoricain. Les autres grandes failles de la France varisque –  Cisaillement Nord-Armoricain, Cisaillement Sud-Armoricain, Sillon Houiller, Faille Nord-pyrénéenne, Faille des Cévennes – sont des décrochements intracontinentaux, mais pas des limites de plaques lithosphériques.