Enseignements - Sébastien Zaragosi

Afin de résumer le premier cours sur les Pyrénées voici une synthèse sur les roches des Pyrénées. L’Ère secondaire commence à la fin de l'orogenèse hercynienne. Le Permien et le Trias correspondent à des périodes de distension. Ce qui entraîne la dislocation de la Pangée. Le Permo-Trias est donc caractérisé par des dépôts continentaux au sein d'un rift continental. Ce rifting ne se poursuit pas, c'est pour cela que l'on parle de rift avorté. Au sein de ce rift se déposent des sédiments terrigènes issus de l'érosion de la chaîne hercynienne, les Nouveaux Grès Rouges. Le Jurassique et le Crétacé sont caractérisés par une transgression marine, avec dépôts marins de types calcaires, dolomies et marnes. Il s'agit d'un bassin marin de faible profondeur (plateforme) avec des variations eustatiques importantes. Au Crétacé supérieur un bassin marin profond s'ouvre : le sillon Nord Pyrénéen. Une sédimentation gravitaire de type Flysch se met en place dans ce bassin profond. Au cours de cette histoire deux périodes de mise en place de roches magmatiques : les Ophites au Trias et les Lherzolites au Crétacé supérieur témoignent de deux périodes de distensions.

Pour l'histoire tertiaire la principale roche à retenir est le Poudingue de Palassou, poudingue syn-orogénique marquant la phase maximale de surrection des Pyrénées. Ce poudingue a été daté de l'Éocène supérieur.

L'objectif de ce cours est d'établir les relations entre les différents évènements déduits de l'étude des roches, l'histoire géologique du Sud Ouest de la France et la tectonique globale.

Afin de confirmer et améliorer les résultats issus de l'étude de roches nous allons reprendre la même histoire mais vu au travers d'outils différents : la sismique réflexion et le géomagnétisme. Dans une première partie nous allons détailler la structure profonde du golfe de Gascogne et des Pyrénées par l'étude des données géophysiques et plus particulièrement de sismique réflexion. Dans une deuxième partie nous allons reconstruire le mouvement de la plaque ibérique grâce à l'étude du géomagnétisme.

Le principe de la sismique réflexion est basé sur un émetteur d'ondes acoustiques et un récepteur. La sismique réflexion utilise le principe de la propagation de ces ondes dans les sédiments et les roches. Ces ondes sont réfléchies au niveau des interfaces entre les différentes couches géologiques. La sismique permet d'avoir des informations sur la structure et la nature du sous-sol. En utilisant différentes longueurs d'onde et différentes puissances de la source la sismique réflexion permet de couvrir la totalité du globe terrestre. L'intérêt majeur de cette technique est d'avoir des informations là où nous n'avons aucune donnée directe, que se soit par carottages ou par forages.

Pour la sismique en domaine marin, le navire tracte deux engins :

• le système d'émission des ondes, situé juste derrière du navire, il s'agit généralement d'un canon à air,
• le système de réception des ondes, composé d'hydrophones réunis au sein de longs tubes nommés flûtes sismiques. Les flûtes sont remorquées à l'arrière du navire, elle peuvent faire plusieurs kilomètres de long.

Les ondes, après un trajet dans l'eau de mer, pénètrent les couches sédimentaires ou les roches dures de la croûte océanique. Les ondes vont êtres réfléchies ou réfractées par les discontinuités géologiques. Lorsqu'elles remontent à la surface elles sont enregistrées par les hydrophones.

En domaine terrestre la source sismique peut être de l'explosif ou des camions vibreurs. Le système de réception des ondes consiste en plusieurs géophones.

Nous allons maintenant étudier plusieurs profils sismiques. Il s'agit de profils réalisés dans le golfe de Gascogne. Ils sont situés sur le glacis (à des profondeurs supérieures à 4500 m), sur la pente et sur la plateforme continentale. Nous regarderons également un profil réalisé à terre, le profils ECORS qui traverse la chaîne des Pyrénées du Sud au Nord.

Ce premier profil que nous allons étudier est localisé dans le domaine profond du golfe de Gascogne. Sur ce profil, déjà interprété, plusieurs unités sismiques apparaissent :

• A la base, un signal acoustique chaotique (unité CO), sans structures différentiables. Il s'agit ici de croûte océanique basaltique d'âge crétacé.
• Au-dessus plusieurs unités sont différentiables avec la présence plus ou moins continue de réflecteurs sismiques (unités 3, 2B et 2A). Nous observons donc le passage entre du matériel basaltique (CO), sans aucune stratification pour la croûte océanique et du matériel sédimentaire stratifié. La caractéristique majeure des unités 3, 2B et 2A est la présence de nombreuses failles plus ou moins verticales, les couches sédimentaires ne sont par horizontales, elles ont été plissées. Ces couches sédimentaires faillées et plissées (unités 3, 2B et 2A) ont été datées du Crétacé supérieur à l’Éocène.
• Au-dessus de ces unités arrivent en discordance des réflecteurs sismiques continus et horizontaux. Ils ne présentent plus aucune faille ni plissement. Le passage entre les unités déformées (3, 2B et 2A) et l'unité non déformée (1) correspond à la discordance D1, datée pour l'ensemble du golfe de Gascogne de l’Éocène. Les couches sédimentaires non déformées (unité 1) se sont déposées de l’Éocène à l'actuel.

Voici un deuxième profil localisé à proximité et perpendiculaire au précédent. Les mêmes unités sismiques sont observables :

• A la base, la croûte océanique mise en place au Crétacé inférieur : l'unité C.
• Puis des formations sédimentaires déformées du Crétacé supérieur à l’Éocène : les unités 3, 2B et 2A.
• Et au sommet des formations sédimentaires non déformées de l’Éocène à l'actuel : l'unité 1.

Sur les deux profils que nous venons de voir les formations sédimentaires plissées et faillées (unités 3, 2B et 2A) ont été déformées par orogenèse pyrénéenne. En effet la collision pyrénéenne a entraîné des déformations visibles sur l'ensemble de l'Aquitaine et du golfe de Gascogne. La discontinuité D1 marque le passage à des formations sédimentaires non déformées, c'est à dire pas affectées par l’orogenèse pyrénéenne. Cette discontinuité date donc la fin de l’orogenèse pyrénéenne, c'est à dire Éocène supérieur.

Nous allons passer maintenant à un profil sismique localisé au niveau de la marge Nord-Gascogne.

Sur ce profil, nous pouvons observer :

• Tout d'abord à la base un signal acoustique perturbé. Contrairement aux deux profils précédents, il ne s'agit pas ici de croûte océanique mais de la croûte continentale appartenant à la marge. C'est le substratum d'âge jurassique et crétacé inférieur.
• Au-dessus, les réflecteurs présentent un dispositif caractéristique en éventail. Il s'agit ici d'un demi-graben lié à la phase d'extension (rifting) crétacé inférieur – moyen, donc un témoin de l'ouverture du golfe de Gascogne. Les réflecteurs montrent une morphologie particulière en éventail, se sont des formations sédimentaires syn-rift. Leur forme en éventail est la preuve de leur sédimentation synchrone de la phase d'extension.
• Ensuite, les unités sismiques 3, 2 et 1 correspondent à des réflecteurs qui recouvrent les demi-graben sans être déformés, il s'agit donc de formations post-rift.

Les unités syn-rift (en rouge foncé) sont d'âge crétacé intérieur à moyen. Ces dépôts sédimentaires se sont déposés pendant l'ouverture du golfe de Gascogne, ils permettent ainsi de dater cette ouverture. Les unités post-rift (en bleu, vert et orange) sont d'âge crétacé moyen à l'actuel. La marge Nord du golfe de Gascogne s'est donc ouverte pendant le Crétacé inférieur à moyen.

Ce profil localisé au Nord du golfe de Gascogne, témoigne donc de l'ouverture du golfe de Gascogne dès le Crétacé inférieur - moyen. Au même moment dans la région des Pyrénées, nous passons d'une sédimentation de plateforme continentale (calcaires, marnes du Crétacé inférieur) à une sédimentation marine gravitaire profonde de type flysch (du Crétacé supérieur) témoignant de l'ouverture du sillon Nord-Pyrénéen.

Le dernier profil sismique que nous allons observer en domaine marin est un profil réalisé au sein du plateau continental nord Ibérique.

Plusieurs unités sont différentiables sur ce profil :

• A la base des réflecteurs avec de forts pendages. Ces réflecteurs très stratifiés sont des couches sédimentaires. Ces couches forment un pli anticlinal. Une faille inverse est également visible sur le profil. Les couches sédimentaires qui forment ce pli ont été datées du Crétacé.
• La partie supérieure du profil est constitué d'une unité stratifiée horizontale à sub-horizontale. Il s'agit de couches sédimentaires déposées après le plissement. Ces couches sédimentaires non déformées ont été datées de l’Éocène terminal à l'actuel.

La limite entre ces deux unités forme une discordance angulaire. 4 phases se sont produites :

1. Dépôts des couches du Crétacé sur une plateforme.
2. Déformation des sédiments crétacés (plis et failles), ces déformations sont liées à l’orogenèse pyrénéenne.
3. Érosion du sommet de l'anticlinal
4. Dépôts des sédiments horizontaux de l’Éocène supérieur à l'actuel.

La marge Nord Ibérique a subi un raccourcissement Nord-Sud entre le Crétacé et l’Éocène terminal, en fait synchrone de la formation des Pyrénées. Ce raccourcissement est d'environ 100 km. Le pli anticlinal et la faille inverse visibles sur le profil sont des déformations liées à ce raccourcissement. L’Éocène supérieur apparaît donc également ici comme une date clé dans l'histoire de la chaîne. Ce raccourcissement explique pourquoi la marge Nord-Ouest du golfe de Gascogne possède un large plateau continental et présente une morphologie typique d'une marge passive et la marge sud du golfe de Gascogne (marge nord-ibérique) présente un plateau continental peu développé.

Nous allons maintenant étudier un profil réalisé en domaine continental : le profil ECORS.

ECORS (Etude de la Croûte continentale et Océanique par Réflexion Sismique) est un programme d'étude des années 80 dont l'objectif est de traverser entièrement des chaînes de montagne afin de mieux comprendre leurs structures profondes. Il s'agissait à l'époque du 1er programme de ce type.

Le profil a été réalisé sur 250 km de part et d'autre des Pyrénées, du bassin Aquitain au bassin de l'Ebre.

Dans les parties Sud et Nord, au niveau des bassins sédimentaires de l'Ebre (au Sud) et d'Aquitaine (au Nord), la croûte continentale peu déformée par l'orogenèse pyrénéenne, est restée horizontale. On y reconnaît les trois grandes unités caractéristiques de la croûte continentale européenne :

• En jaune, la couverture sédimentaire mésozoïque et cénozoïque.
• En beige, marron, la croûte supérieure constituée de terrains protérozoïques et paléozoïques. La structure de ces terrains a été façonnée durant l'orogenèse hercynienne, à la fin du primaire. Il s'agit du socle hercynien.
• En orange, la croûte inférieure qui présente un litage caractéristique. Il s'agit en fait d'une zone soumise à un métamorphisme de HT et HP avec des roches de type granite d'anatexie, granulite ainsi que des intrusions basiques en provenance du manteau.
• Entre le Orange et le vert vous avez la discontinuité de Mohorovicic (pointillées rouges) et donc en dessous en vert le manteau supérieur, composé cette fois de roches ultrabasiques, de type Péridotites.

On retrouve donc cette organisation symétriquement de part et d'autre des Pyrénées.

Les Pyrénées présentent donc une forme générale en éventail, particulièrement bien mise en évidence si l'on fait ressortir les principales failles, ici redessinées en rouge. L'axe de cet éventail, se situe au niveau d'une zone beaucoup plus perturbée. Au niveau de cette zone on peut noter un épaississement important de la croûte continentale, c'est à ce niveau que se trouve l'accident majeur des Pyrénées : la faille Nord Pyrénéenne. Cette zone correspond à la haute chaîne primaire. Le socle hercynien (en beige) s'y retrouve en surface, c'est pour cette raison que l'on y retrouve principalement à l'affleurement des roches magmatiques et métamorphiques d'âge primaire.

Le raccourcissement de la lithosphère, lié à l'orogenèse pyrénéenne est de 100 km.

Le modèle synthétique tiré du profil ECORS, présente la faille Nord Pyrénéenne comme un accident profond mais non vertical, il semble en fait que cet accident ait été poinçonné par la plaque européenne, ce qui explique son aspect incurvé vers le Sud.

Dans cette deuxième partie nous allons nous intéresser à la reconstitution cinématique de la position de la plaque ibérique. Cette reconstruction a pu être possible par l'étude du géomagnétisme.

La terre agit comme un dipôle magnétique, ou encore comme un aimant. Les lignes de forces magnétiques établissent tout autour de la planète un champ magnétique terrestre. C'est la raison pour laquelle l'aiguille d'une boussole s'aligne automatiquement selon les lignes de force, dans une direction nord-sud.

Chaque roche volcanique possède sa propre aimantation. Cette aimantation a été acquise lors du refroidissement de la lave qui enregistre le champ magnétique terrestre de l'époque. Les laves possèdent donc une “mémoire magnétique”. La mesure de cette mémoire magnétique des roches permet de déterminer la position des paléo-pôles magnétiques.

En mesurant cette mémoire magnétique sur de nombreuses roches nous nous sommes rendu compte au début du siècle dernier que le champ magnétique n'était pas stable et présentait des périodes inverses.

Par la suite ces inversions ont été datées par l'étude de coulées de laves. En effet la mesure de la mémoire magnétique de séries volcaniques régulières et bien datées a permis de connaître les périodes à polarité normale et à polarité inverse.

Ces datations ont permis de construire une échelle chronologique des inversions de la polarité magnétique : l'échelle magnétostratigraphique.

Voici cette échelle, le nom des époques a été donné en mémoire des géologues et géophysiciens ayant contribué à la création de l'échelle, le nom des évènements est lié à des localités où les mesures ont été faites.

Les mesures systématiques du champ magnétique terrestre par les navires océanographiques ont révélé des anomalies négatives ou positives au niveau des roches de la croûte océanique. Les inversions périodiques du pôle magnétique sont à l’origine de ces anomalies. En raison du volcanisme quasi continu au niveau de la dorsale médio-océanique, et en raison du mouvement perpendiculaire à la dorsale de la croûte océanique, les roches basaltiques enregistrent le magnétisme terrestre un peu comme la bande magnétique d'une cassette vidéo.

L’étude de ces inversions, symétriques de part et d’autre des dorsales océaniques permet de reconstruire l’ouverture des océans et la dérive des continents qui les bordent.

Pour cartographier ces anomalies les mesures du champ magnétique sont réalisées perpendiculairement aux axes des dorsales avec les navires océanographiques. Il suffit par la suite de cartographier les différentes anomalies.

On obtient une carte. Vous avez ici un exemple pris à l'Ouest des Etats Unis.

Voici reporté sur l'échelle magnétostratigraphique les principales inversions. En coloré vous avez des inversions importantes que l'on utilisera par la suite.

En faisant des mesures de mémoire magnétique sur des roches du Trias pour la plaque ibérique et pour la plaque européenne on s'est rendu compte qu'il existait une différence de déclinaison d'environs 35° dans la paléo-direction du pôle magnétique. Celui-ci était orienté vers le Sud à cette période. Ces mesures montrent que l'Ibérie a subi une rotation d'environs 35° par rapport à la plaque européenne depuis le Trias. Le déplacement s'est effectué dans le sens contraire des aiguilles d'une montre.

La limite entre les paléo-pôles de la plaque européenne qui pointent vers le Sud-Ouest (flèches rouges) et les paléo-pôles de la plaque ibérique (flèches bleues) qui pointent vers le Sud-Est correspond à la faille Nord-Pyrénéenne. Il s'agit donc bien d'un accident majeur.

Nous allons maintenant passer en domaine marin et voir comment l'étude des inversions magnétiques de l'ensemble de l'océan Atlantique Nord apporte des informations importantes pour la reconstruction de l'histoire géologique de la chaîne.

Dans l'océan Atlantique les anomalies magnétiques présentent une organisation parfaitement symétrique par rapport à la dorsale médio-océanique, sauf au niveau du golfe de Gascogne.

L'anomale 34 (Santonien, 80 Ma, en vert) peut être observée dans le golfe de Gascogne. Elle y est double ce qui veux dire qu'à cette période une dorsale océanique existait au milieu du golfe de Gascogne. Donc à cette époque, cette dorsale écarte l'Ibérie de la Bretagne, le golfe de Gascogne est en train de s'ouvrir. Les données de forage on montré que l'accrétion océanique dans le golfe de Gascogne avait débuté entre l'Aptien terminal et l'Albien inférieur (entre -110 et -100 Ma).

L'anomalie 33 (Campanien, 75 Ma, en rouge) ne pénètre pas dans le golfe de Gascogne. On peut donc en conclure qu'au Campanien, la dorsale du golfe de Gascogne a disparue il n'y a plus d'accrétion océanique. L'ouverture du golfe de Gascogne s'est ainsi achevée entre -80 et -75 Ma.

La dorsale du golfe de Gascogne a donc fonctionné de l'Aptien (-110 Ma) au Campanien (-75 ma). C'est à dire au Crétacé moyen - supérieur. Donc synchrone du dépôt du flysch dans le sillon nord-pyrénéen.

Voici une reconstruction du mouvement de l'Iberie et de l'Afrique déduite de l'étude des inversions magnétiques. Le mouvement global est orienté vers le SE. L'Espagne, il y a 75 Ma était 130 km au sud de sa position actuelle. 75 Ma correspond au Crétacé Supérieur. Cette représentation permet de visualiser l'emplacement du sillon nord-pyrénéen, bassin subsidant profond entre la France et l'Ibérie.

Il nous reste maintenant à étudier la suite du mouvement qui a conduit la péninsule ibérique à sa position actuelle ainsi qu'à la formation de la chaîne.

Dans l'océan Atlantique, à l'Ouest de l'Ibérie les anomalies magnétiques sont décalées de part et d'autre d'une structure particulière, le King's Trough. Les anomalies décalées sont les anomalies 31, 33, 31 et 25. Part contre l'anomalie 17 n'est pas décalée. L'anomalie 17 est d'âge éocène supérieur.

Le décalage correspond à un décrochement dextre, décrochement lié à une faille. Le fait que l'anomalie 17 ne soit pas affectée par le décrochement dextre implique que le jeu de cette faille se soit arrêtée juste avant l’Éocène supérieur, c'est à dire juste après la phase principale de plissement enregistré dans les Pyrénées.

Ce décalage traduit la remontée de la plaque ibérique entre l'anomalie 34 et l'anomalie 17, c'est à dire entre le Campanien et l’Éocène supérieur. L'anomalie 17 n'étant pas décalée, le mouvement de l'Espagne s'est bien terminé à l’Éocène supérieur.

Dans le golfe de Gascogne, l'axe de la dorsale qui sépare les deux anomalies 34 est plus proche d'environ 70 km de la marge espagnole que de la marge armoricaine. Cette dorsale aurait dû se retrouver au milieu du golfe. Une partie de la croûte océanique du sud du golfe de Gascogne a donc disparu au début du Tertiaire.

Au sein du golfe de Gascogne, le raccourcissement a été enregistré au niveau de la marge Sud du golfe, ce qui explique la différence très nette entre la marge Sud et la Marge Nord. En fait une partie de la croûte océanique du golfe de Gascogne a disparu par subduction sous la croûte continentale ibérique.

Au sein du golfe de Gascogne, l’accrétion océanique s'est déroulée de l’Aptien au Campanien. L’arrêt de l’accrétion est synchrone de l’initiation vers 90 Ma de la convergence pyrénéenne. Ce mouvement convergent a provoqué l’orogenèse pyrénéenne, la fermeture partielle du golfe de Gascogne et l’intense déformation de la marge Nord-Ibérique.

La fin de cette phase tectonique datée de l’Éocène est observée dans tout le golfe de Gascogne grâce à une discordance sismique majeure (discordance D1 des profils présentés sur les diapo 8 et 9). Cette discordance correspond à une discordance angulaire entre des sédiments déformés (sédiments dont le dépôt est antérieur à l’orogenèse pyrénéenne) et des sédiments non déformés, horizontaux (dont la mise en place est postérieure à la déformation pyrénéenne éocène). On peut également noter que de nombreuses failles affectent les sédiments mis en place avant la discordance éocène.

Nous allons maintenant passer à la dernière partie de ce cours : la synthèse géodynamique.

• De l'Albien au Campanien, l'Espagne coulisse de façon senestre par rapport à la France, ce qui entraîne la naissance de bassins en pull-apart et du sillon nord-pyrénéen. La sédimentation gravitaire de type flysch se met en place au sein de ces bassins. A la même période au sein du golfe de Gascogne s’est déroulée de l’accrétion océanique. L’arrêt de l’accrétion est synchrone de l’initiation vers 90 Ma de la convergence pyrénéenne.
• Au Campanien, le golfe de Gascogne est entièrement ouvert, l'Espagne amorce sa remontée vers le NE.
• Fin Crétacé, l'Espagne remonte vers le NE, la collision a lieu en premier dans les Pyrénées orientales. Les premiers plissements se produisent donc à l'Est de la chaîne.
• A l’Éocène, le mouvement de l'Espagne est franchement vers le Nord, le plissement s'étend à toute la chaîne.

Pour finir cette série de cours sur les Pyrénées nous allons replacer l'histoire géologique de la région des Pyrénées sur une série de carte de reconstructions paléogéographiques de l'ensemble du globe. L'objectif étant de replacer l'histoire de la chaîne dans le contexte tectonique global.

Tout d'abord au Trias : Durant cette période, les continents étaient rassemblés en un mega-continent, la Pangée. La Pangée s'est formé suite à l'orogenèse hercynienne, à la fin de l'ère primaire. Durant cette période l'océan Atlantique n'existait pas encore. Par contre la France et l'Espagne se trouvait à l’extrémité Ouest d'un immense océan : la Téthys. Durant cette période la région des Pyrénées, ainsi que l'ensemble de la France sont sous conditions continentales tropicales.

La localisation des continents ainsi que l'orientation Est-Ouest de la Téthys rendaient difficiles les échanges thermiques avec les pôles, ce qui explique en partie le climat tropical du Trias.

Les roches mis en place au niveau des Pyrénées : Conglomérats et les nouveaux grès rouges.

Nous passons maintenant au Jurassique inférieur Il s'agit du tout début du démantèlement de la Pangée. En Europe, cette période est caractérisée par une transgression marine importante.

Les roches déposées dans la région des Pyrénées pendant cette période : calcaires, dolomies et marnes.

Nous passons maintenant au Jurassique supérieur. Cette période est caractérisée par le début d'ouverture de l'océan Atlantique. L'Atlantique commence à s'ouvrir dans sa partie centrale. La première dorsale apparaît entre l'Afrique de l'Ouest et l'Amérique du Nord.

En Europe, les conditions changent peu, pour les Pyrénées, nous avons toujours une sédimentation de plateforme carbonatée (calcaires, dolomies et marnes).

Nous passons cette fois au milieu du Crétacé. L'Atlantique central est bien ouvert et l'Atlantique sud commence à s'ouvrir à son tour.

Une dorsale apparaît dans le golfe de Gascogne, l'Espagne commence sa rotation antihoraire. Un bassin sédimentaire profond se crée entre l'Espagne et la France, le Sillon Nord Pyrénéen.

Le Flysch commence a se mettre en place dans la région des Pyrénées.

Au Crétacé supérieur, c'est au tour de l'océan Atlantique Nord de commencer à s'ouvrir. Le rifting initié au crétacé moyen dans le golfe de Gascogne s'arrête. Le sillon Nord pyrénéen se comble dans sa partie orientale. La plaque Ibérique débute sa remontée vers le Nord.

A l’Éocène, la remontée de la plaque Africaine, ainsi que de l'Inde entraîne la formation de la chaîne alpine. La chaîne alpine s'étend des Iles de la Sonde, en Indonésie, jusqu'au Pyrénées L’Éocène correspond à la phase maximale de surrection de la chaîne pyrénéenne. C'est également une phase importante pour l'ensemble de la chaîne alpine. C'est à cette période que se dépose le poudingue de Palassou.

A la fin du Miocène, la paléogéographie du globe ressemble fortement à la configuration actuelle. Plus rien ne se passe entre l'Espagne et la France.

Voici donc sur un même transparent résumé l'histoire du golfe de Gascogne, ce transparent permet de visualiser le mouvement de l'Ibérie par rapport à la plaque Européenne ainsi que l'ouverture du golfe de Gascogne.