Étude de quelques grands ensembles structuraux français

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Lire la carte de France au millionième

La méthode de lecture repose sur deux critères combinés, la nature et l'âge des terrains affleurants, donnés par la légende, et la géométrie des contacts.

Un bassin sédimentaire se reconnaît à des terrains sédimentaires disposés en auréoles ou en bandes, d'âges régulièrement croissants ou décroissants d'un bord vers le centre, avec des pendages faibles et des contacts concordants. Un massif ancien se reconnaît à des terrains anciens, souvent métamorphiques et granitiques, à figurés de socle, avec des structures orientées et des contours découpés. Une chaîne récente se reconnaît à des bandes étroites et allongées de terrains variés, à des contacts anormaux nombreux et à un fort relief.

Trois ensembles de chaînes récentes apparaissent en France métropolitaine : les Alpes, les Pyrénées et, en position d'avant-pays plissé, le Jura. Les bassins sédimentaires principaux sont le Bassin parisien, le Bassin aquitain, le fossé rhénan, la Bresse et les Limagnes, ainsi que le bassin molassique au pied des Alpes. Les massifs anciens sont le Massif armoricain, le Massif central, les Vosges, l'Ardenne, les Maures et l'Estérel, et une partie de la Corse.

Les bassins sédimentaires et la subsidence

Un bassin sédimentaire est une zone où l'espace disponible pour le dépôt se crée durablement, par subsidence, c'est-à-dire par enfoncement progressif du fond. Sans subsidence, la sédimentation comble rapidement le creux et s'arrête. La question à poser devant tout bassin est donc celle du moteur de sa subsidence.

Trois moteurs sont à distinguer, correspondant aux trois types de bassins cités par le programme. La subsidence thermique résulte du refroidissement et donc de la contraction d'une lithosphère préalablement chauffée et amincie. Elle est lente, régulière et affecte une large zone, ce qui donne des bassins épicontinentaux étendus et peu profonds. La subsidence tectonique par extension résulte de l'étirement de la lithosphère et du jeu de failles normales. Elle est plus rapide et localisée, ce qui donne des rifts, étroits et profonds. La subsidence flexurale résulte de la charge exercée par une chaîne de montagnes sur la lithosphère voisine, qui fléchit sous ce poids. Elle donne des bassins allongés le long de la chaîne et asymétriques, plus profonds du côté du relief. Le bassin molassique au front des Alpes en est l'exemple français.

Le Bassin parisien

Le Bassin parisien est un bassin épicontinental. Sur la carte, il dessine des auréoles concentriques, les terrains les plus anciens affleurant en périphérie et les plus récents au centre, autour de la région parisienne. Cette géométrie en cuvette résulte d'un empilement de couches faiblement pendantes vers le centre.

La série repose en discordance sur un socle ancien, déformé lors du cycle hercynien puis aplani par l'érosion. Cette discordance est un marqueur majeur : elle sépare deux histoires, celle de la chaîne ancienne et celle du bassin.

La subsidence y est lente et de longue durée, d'origine essentiellement thermique, à la suite d'un amincissement lithosphérique antérieur. Les milieux de dépôt sont peu profonds et variés, marins peu profonds, lagunaires, lacustres et continentaux, avec des alternances qui traduisent des variations du niveau marin relatif. L'épaisseur totale reste modeste au regard de l'extension du bassin.

Le relief actuel en découle directement. L'alternance de couches dures et de couches tendres, faiblement inclinées, produit par érosion différentielle des reliefs dissymétriques, les cuestas, avec un front abrupt et un revers en pente douce conforme au pendage. Quelques déformations tardives, plis de faible amplitude et failles, affectent la couverture et se lisent sur la carte comme des interruptions locales des auréoles.

Le fossé rhénan

Le fossé rhénan est un rift, donc un objet d'origine totalement différente. Il se présente comme une dépression étroite et allongée, limitée de part et d'autre par des failles normales à grand rejet. Ces failles sont directement lisibles sur la carte, qui montre des contacts rectilignes accolant des terrains d'âges très différents.

De part et d'autre se dressent les épaulements du rift, les Vosges et la Forêt-Noire, où le socle ancien est porté en altitude et exhumé. Cette disposition symétrique, un fossé effondré encadré par deux massifs surélevés de même nature, est la signature morphologique du rifting.

Le remplissage est épais, syn-rift, et s'est accumulé rapidement à l'échelle géologique. En profondeur, l'extension s'accompagne d'un amincissement de la croûte et d'une remontée du manteau, détectable par les données géophysiques. Un volcanisme alcalin de faible volume accompagne le rifting. Enfin, la région présente une sismicité actuelle notable pour la France, qui témoigne d'une activité tectonique persistante.

Comparer les deux bassins

La comparaison doit être menée sur quatre critères.

La forme et l'extension : large cuvette de plusieurs centaines de kilomètres de diamètre pour le Bassin parisien, couloir étroit de quelques dizaines de kilomètres de largeur pour le fossé rhénan.

La géométrie des limites : passages progressifs et auréoles continues pour le premier, failles normales rectilignes à fort rejet pour le second.

Le moteur et le rythme de la subsidence : thermique, lente et régulière d'un côté, tectonique et extensive, rapide et localisée de l'autre.

La structure profonde : croûte d'épaisseur peu perturbée sous le Bassin parisien, croûte amincie avec remontée du manteau sous le fossé rhénan, ce dernier s'accompagnant d'un volcanisme et d'une sismicité que le premier ne présente pas.

Les massifs anciens

Un massif ancien est un vestige, mis à l'affleurement par l'érosion, d'une histoire tectono-métamorphique passée. Ce que l'on y observe n'est pas l'équivalent de ce que l'on voit dans une chaîne récente, mais sa partie profonde. Les objets dominants sont donc des roches métamorphiques de degré moyen à élevé, micaschistes, gneiss et migmatites, et des granites, souvent d'anatexie, mis en place lors de l'orogenèse. Les structures sont des schistosités et des foliations d'orientation régionale constante, des plis, des chevauchements et de grands décrochements.

Deux caractères s'ajoutent. Les massifs anciens ont été pénéplanés, c'est-à-dire aplanis par une longue érosion, ce qui explique leurs reliefs modérés malgré leur passé montagneux. Ils portent souvent une couverture sédimentaire discordante, témoin des mers qui les ont ensuite recouverts.

Le rattachement aux cycles orogéniques se fait par l'âge et par l'orientation des structures. Le cycle hercynien concerne la plus grande partie des massifs anciens français et donne les directions structurales dominantes lisibles sur la carte. Des vestiges d'un cycle antérieur, plus ancien, sont présents notamment dans la partie nord du Massif armoricain. Enfin, certains socles anciens ont été repris beaucoup plus tard : les massifs cristallins externes des Alpes et la zone axiale des Pyrénées exposent un socle hercynien réimpliqué dans une orogenèse récente, et le Massif central porte un volcanisme récent lié à l'extension cénozoïque et aux bassins des Limagnes. Un même massif peut donc cumuler plusieurs histoires, et c'est ce croisement d'échelles de temps qui fait l'intérêt de l'exercice.

Les îles océaniques

Les îles océaniques françaises sont des édifices d'origine magmatique, souvent encore actifs, mis en place dans un contexte géodynamique donné et soumis dès leur formation à l'altération, à l'érosion et à la sédimentation. L'étude se limite à la Guadeloupe ou la Martinique d'une part, à La Réunion d'autre part.

La Guadeloupe et la Martinique appartiennent à l'arc insulaire des Petites Antilles, lié à une subduction. Le magmatisme y est de type calco-alcalin et le dynamisme fréquemment explosif, avec dômes, coulées pyroclastiques et retombées de cendres. La structure de l'arc est double, avec un arc ancien, aujourd'hui inactif et largement recouvert de formations carbonatées de plateforme, et un arc récent, actif, volcanique. La Guadeloupe illustre bien ce contraste, avec une partie orientale basse et calcaire et une partie occidentale montagneuse et volcanique. Ces îles cumulent aléas sismique, volcanique et cyclonique.

La Réunion est un édifice de point chaud, construit sur une lithosphère océanique intraplaque. Le magmatisme y est initialement de type tholéiitique puis évolue vers des termes alcalins, et le dynamisme est dominé par des éruptions effusives. Il en résulte des volcans boucliers à pentes faibles, édifiés par empilement de coulées. L'île comprend un massif ancien éteint et un massif plus jeune encore actif. Les processus de surface y sont spectaculaires : effondrements et érosion intense sous climat tropical humide creusent de vastes dépressions, les cirques, les fortes pentes et les précipitations abondantes produisent des ravines profondes et des transports solides importants, et des constructions récifales se développent sur une partie du littoral. La sédimentation détritique issue du démantèlement de l'édifice s'accumule autour de l'île.

Exemples et ordres de grandeur

Le Bassin parisien s'étend sur plusieurs centaines de kilomètres et son remplissage atteint quelques kilomètres d'épaisseur au maximum, ce qui donne des pendages moyens très faibles, de l'ordre du degré ou moins. Ses cuestas présentent des fronts de quelques dizaines à quelques centaines de mètres de commandement.

Le fossé rhénan mesure quelques centaines de kilomètres de long pour quelques dizaines de kilomètres de large, avec un remplissage cénozoïque de l'ordre de trois kilomètres et une croûte amincie de plusieurs kilomètres par rapport aux régions voisines.

L'orogenèse hercynienne s'est déroulée au Paléozoïque, il y a plusieurs centaines de millions d'années, ce qui laisse le temps nécessaire à l'érosion de plusieurs dizaines de kilomètres de croûte et explique que l'on observe aujourd'hui des migmatites et des granites d'anatexie à l'affleurement.

Les sommets de La Réunion dépassent 3 000 mètres, pour un édifice dont la base repose par plus de 4 000 mètres de profondeur, ce qui donne une hauteur totale supérieure à 7 000 mètres et rappelle que la partie émergée est minoritaire.

Les schémas utiles sont un schéma structural de la France distinguant par des figurés différents chaînes récentes, bassins et massifs anciens, une coupe de bassin épicontinental en cuvette avec une cuesta, une coupe de graben avec failles normales bordières, épaulements et remplissage syn-rift, et une coupe d'île volcanique montrant l'empilement de coulées, l'érosion et le récif périphérique.

Méthodes et savoir-faire

Identifier sur la carte au millionième les principaux ensembles structuraux de France métropolitaine, en distinguant chaînes de montagnes, bassins flexuraux, rifts et bassins épicontinentaux.

Exploiter des documents complémentaires, cartes au 1/250 000 et au 1/50 000, données géophysiques et sédimentologiques, pour comprendre l'origine et les grands traits de l'histoire géodynamique d'un bassin, en particulier son régime de subsidence.

Retrouver les principaux massifs anciens sur la carte au millionième et les relier aux grands cycles orogéniques, en s'appuyant sur l'âge des terrains et sur l'orientation des structures.

Réaliser des schémas structuraux à partir de cartes à différentes échelles, en ne conservant que les contours majeurs, les grands accidents et les orientations.

Réaliser des coupes géologiques à main levée, le profil topographique étant fourni, en respectant les pendages et les relations de recoupement.

Exploiter des données à différentes échelles pour construire une synthèse géologique locale, en articulant systématiquement observation, interprétation et replacement dans l'histoire régionale.

Analyser le contexte géologique d'une île océanique en croisant données géophysiques, cartographiques et pétrologiques, connues ou fournies.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

Le schéma structural de la France, tracé de mémoire, avec la position relative des Alpes, des Pyrénées, du Jura, du Bassin parisien, du Bassin aquitain, du fossé rhénan, du Massif armoricain, du Massif central et des Vosges.

Les trois critères de lecture qui distinguent un bassin, un massif ancien et une chaîne récente sur une carte.

Les trois moteurs de subsidence, thermique, tectonique extensive et flexurale, avec pour chacun un exemple français et la géométrie de bassin correspondante.

Le tableau comparatif complet du Bassin parisien et du fossé rhénan sur la forme, les limites, la subsidence et la structure profonde.

Le mécanisme de formation d'une cuesta par érosion différentielle, avec un croquis orienté indiquant le sens du pendage.

La définition d'un massif ancien comme racine exhumée d'une chaîne, avec la justification par la nature des roches observées et par la pénéplanation.

La comparaison des Petites Antilles et de La Réunion sur le contexte géodynamique, la série magmatique, le dynamisme éruptif, la morphologie de l'édifice et les aléas associés.

Deux pièges. Ne pas confondre l'âge des terrains affleurants et l'âge de la structure, un socle hercynien pouvant être déformé par une orogenèse récente. Ne pas traiter les îles océaniques comme un chapitre de connaissances nouvelles, tout y est réinvestissement des parties précédentes.

Notions et mécanismes clés

• Ensemble structural : portion de territoire qui partage une même histoire géologique, reconnue par la nature des terrains, leur âge et la géométrie de leurs contacts.
• Couverture : terrains sédimentaires peu ou pas déformés, déposés en discordance sur un socle.
• Socle : terrains anciens, métamorphiques et plutoniques, déformés lors d'une orogenèse antérieure au dépôt de la couverture.
• Discordance : contact entre une série et un substratum déformé puis érodé avant le dépôt. Elle enregistre une lacune et une phase d'érosion.
• Subsidence : enfoncement progressif du fond d'un bassin, qui crée durablement de l'espace pour le dépôt.
• Subsidence thermique : contraction par refroidissement d'une lithosphère préalablement chauffée et amincie. Elle est lente, décroît avec le temps et touche une zone large.
• Subsidence tectonique extensive : effondrement le long de failles normales lors de l'étirement de la lithosphère. Elle est rapide et localisée.
• Subsidence flexurale : fléchissement de la lithosphère sous la charge d'une chaîne voisine. Elle crée un bassin allongé, asymétrique, plus profond côté chaîne.
• Bassin épicontinental : bassin large et peu profond sur croûte continentale, à auréoles concentriques.
• Rift, ou graben : fossé limité par des failles normales bordières, encadré d'épaulements surélevés.
• Épaulement de rift : bordure soulevée d'un rift, où le socle est exhumé par l'érosion.
• Bassin d'avant-pays : bassin flexural au front d'une chaîne, rempli de molasses issues de son érosion.
• Cuesta : relief dissymétrique dû à l'érosion différentielle d'une couche dure inclinée, avec un front abrupt et un revers conforme au pendage.
• Massif ancien : racine exhumée d'une chaîne disparue, pénéplanée, souvent recouverte d'une couverture discordante.
• Cycle orogénique : succession ouverture océanique, subduction, collision, érosion. En France, cycles cadomien, calédonien et hercynien pour les socles, alpin pour les chaînes récentes.
• Réactivation : reprise d'un socle ancien dans une déformation plus récente. L'âge des roches diffère alors de l'âge de la structure.
• Point chaud : remontée mantellique localisée et durable, indépendante des limites de plaques, à l'origine d'un volcanisme intraplaque.
• Arc insulaire : alignement volcanique océanique au-dessus d'une subduction océan sous océan.

Chaînes de raisonnement

De la carte à l'ensemble structural. On lit d'abord la légende pour classer les terrains en socle, couverture ou formations de chaîne. On examine ensuite la géométrie des contours : auréoles continues, contacts rectilignes ou bandes étroites à contacts anormaux. La combinaison des deux critères donne le type d'ensemble, jamais un critère seul.

Des auréoles à la cuvette. Si les terrains rajeunissent de la périphérie vers le centre avec des contours réguliers, les couches plongent vers le centre. Un empilement de couches plongeant vers un même point dessine une cuvette. On en déduit un bassin subsident dont le centre s'est enfoncé plus que les bords.

De la subsidence lente au refroidissement. Une série peu épaisse, déposée sur une très longue durée en milieu peu profond, indique une subsidence lente et régulière. Sa courbe d'enfoncement décroît avec le temps, comme la vitesse de refroidissement d'une lithosphère. On attribue donc au Bassin parisien une subsidence thermique consécutive à un amincissement antérieur.

Des failles bordières au rift. Des contacts rectilignes qui juxtaposent socle et terrains cénozoïques traduisent des failles à fort rejet. Le compartiment central abaissé, encadré de deux massifs de socle surélevés, dessine un graben. L'amincissement crustal, le volcanisme et la sismicité confirment une extension lithosphérique.

De la chaîne au bassin flexural. Une chaîne épaissie charge la lithosphère voisine, qui fléchit élastiquement. La dépression ainsi créée reçoit les produits d'érosion de la chaîne. Le bassin est donc allongé parallèlement à la chaîne, plus épais du côté du relief, et ses dépôts détritiques grossissent vers la chaîne.

Du massif ancien à la racine d'une chaîne. Migmatites et granites d'anatexie se forment à plusieurs dizaines de kilomètres de profondeur. Les trouver à l'affleurement implique l'érosion de toute la partie supérieure de la chaîne. La surface aplanie et la couverture discordante montrent que cette érosion est achevée depuis longtemps.

Du contexte géodynamique à la forme de l'île. Un point chaud produit des magmas basaltiques fluides, pauvres en gaz et en silice, qui s'épanchent en coulées et bâtissent un bouclier à pentes faibles. Une subduction produit des magmas hydratés, plus visqueux, qui dégazent brutalement et construisent des dômes et des coulées pyroclastiques. La morphologie, la roche et l'aléa découlent donc tous du contexte.

Exemples et références à connaître

1. Les cuestas de l'est du Bassin parisien, côtes de Moselle, côtes de Meuse et côte de Champagne : fronts tournés vers l'extérieur du bassin, revers inclinés vers Paris. C'est l'exemple de l'érosion différentielle en série monoclinale.
2. Le fossé rhénan : environ 300 km de long pour 30 à 40 km de large, remplissage cénozoïque de l'ordre de 3 km, Moho remonté de plusieurs kilomètres. Le Kaiserstuhl, en rive allemande, est un petit édifice volcanique alcalin lié au rift.
3. Le flux de chaleur élevé du fossé rhénan, exploité par le site géothermique de Soultz-sous-Forêts. C'est la trace actuelle de la remontée asthénosphérique.
4. Les profils de sismique réflexion profonde ECORS, qui ont imagé la croûte sous le Bassin parisien et sous le fossé rhénan. Ils permettent de comparer les épaisseurs crustales.
5. La Bresse et les Limagnes : fossés cénozoïques de même famille que le fossé rhénan, jalonnant un système de rifts ouest-européens. Les volcans d'Auvergne s'y associent.
6. Le bassin molassique suisse et savoyard, et la bordure pyrénéenne du Bassin aquitain : bassins flexuraux d'avant-pays. Le Jura plissé se décolle sur des évaporites triasiques en avant des Alpes.
7. Le nord du Massif armoricain, dans le Trégor et autour de Saint-Malo : vestiges du cycle cadomien, plus ancien que le cycle hercynien. L'Ardenne montre des terrains déformés avant le Dévonien, rattachés au cycle calédonien.
8. Le cisaillement sud-armoricain et l'arc des directions hercyniennes du Massif central : orientations structurales qui dessinent le grand arc de la chaîne hercynienne.
9. La Réunion : Piton des Neiges ancien et éteint, Piton de la Fournaise actif. Les cirques de Mafate, Cilaos et Salazie sont creusés dans le premier.
10. La Guadeloupe, avec Basse-Terre volcanique et la Soufrière active, et Grande-Terre calcaire. La Martinique, avec l'éruption de la montagne Pelée de 1902 et ses nuées ardentes, référence du dynamisme péléen.

Techniques

Lire un ensemble sur la carte au millionième

Réflexe en quatre temps. Situer la zone et son échelle. Classer les terrains par la légende. Décrire la géométrie des contours et des contacts. Conclure sur le type d'ensemble puis sur le moteur de la subsidence ou le cycle orogénique.

Mini-exemple. En Alsace, on observe une bande de terrains oligocènes et quaternaires large d'une trentaine de kilomètres. Des contacts rectilignes nord-sud la séparent brutalement de granites et de gneiss à l'ouest. On conclut à des failles normales bordières, donc à un graben, et les Vosges forment son épaulement.

Estimer un pendage à partir d'une carte

Pour des couches régulières, le pendage moyen vaut à peu près l'arc tangente du rapport entre la profondeur de la couche au centre et sa distance horizontale à la ligne d'affleurement.

Mini-exemple. Une couche affleure à 200 km du centre du Bassin parisien et se trouve à 2 km de profondeur sous le centre. Le rapport vaut 0,01, soit un pendage d'environ 0,6 degré. Sur une coupe à main levée, on exagère donc toujours les verticales et on le signale.

Construire une coupe à main levée

Placer le profil topographique fourni. Reporter les limites de couches à leur point d'affleurement. Tracer les pendages dans le bon sens, en respectant les épaisseurs. Dessiner les failles avant les couches qu'elles décalent. Terminer par la légende, l'orientation et l'échelle.

Le schéma structural

Ne garder que trois ou quatre figurés : socle, couverture, formations de chaîne, volcanisme. Tracer les grands accidents en traits épais avec leur nature. Ajouter les directions structurales par des flèches ou des traits fins. Un schéma structural ne reproduit pas la carte, il la simplifie pour montrer une histoire.

Lire une courbe de subsidence

L'axe des abscisses est le temps, l'axe des ordonnées la profondeur atteinte par la base d'une couche. Une pente forte et brève indique une subsidence tectonique. Une pente qui diminue progressivement indique une subsidence thermique. Une accélération associée à des dépôts détritiques grossiers provenant d'un relief voisin indique une flexure.

Plan de synthèse sur ce chapitre

Gabarit en trois temps : ce que l'on observe, le mécanisme qui l'explique, la place dans l'histoire régionale. Chaque ensemble cité doit servir d'argument pour une idée et non figurer dans un inventaire.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes