Une chaîne de montagnes

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Les documents de référence

Le travail s'appuie sur un jeu de documents précis. La carte géologique de France au 1/1 000 000 donne l'organisation d'ensemble et la position des Alpes parmi les autres ensembles structuraux. Les cartes au 1/250 000 d'Annecy et de Gap donnent le détail régional des zones externes et internes. Des cartes au 1/50 000 laissées au choix servent à réaliser coupes et schémas structuraux. La carte tectonique des Alpes et la carte métamorphique des Alpes fournissent la synthèse des structures et des conditions subies. La carte des anomalies de Bouguer et le profil ECORS Bresse-Jura-Alpes apportent les données de géophysique.

L'organisation d'ensemble, d'ouest en est

Les Alpes occidentales se lisent comme une succession de zones parallèles, orientées globalement nord-sud à nord-nord-est, et de degré de déformation croissant vers l'est.

À l'ouest se trouvent les domaines faiblement déformés, la Bresse et le bassin molassique, remplis de sédiments détritiques issus du démantèlement de la chaîne. Vient ensuite le Jura, dont la couverture sédimentaire est plissée et décollée sur un niveau de faible résistance, ce qui la découple du socle sous-jacent.

Les massifs cristallins externes, Mont-Blanc, Aiguilles Rouges, Belledonne, Pelvoux, exposent un socle ancien réimpliqué dans la déformation alpine. Autour d'eux, la zone dauphinoise expose une épaisse couverture sédimentaire plissée et charriée.

Une limite structurale majeure sépare zones externes et zones internes, matérialisée par un grand chevauchement. À l'est de cette limite, les zones internes portent les marques d'un enfouissement profond. On y trouve des unités briançonnaises, puis des unités contenant les schistes lustrés et les ophiolites. Les massifs cristallins internes exposent un socle ayant subi un métamorphisme de haute pression. Plus à l'est encore, les domaines austroalpin et sud-alpin appartiennent à la plaque opposée, la plaque adriatique, et sont séparés des zones internes par un grand accident.

Cette organisation est le squelette à connaître, car chaque témoin s'y rattache.

Les vestiges de l'histoire paléogéographique

Les témoins de marge passive se trouvent surtout dans les zones externes et dans certaines unités internes. Les blocs basculés limités par des failles normales fossiles en sont l'indice le plus direct. Ils s'accompagnent de sédiments dont l'épaisseur varie brutalement de part et d'autre d'une faille, plus épais dans le compartiment affaissé, ce qui prouve que la faille jouait pendant le dépôt. On observe aussi des brèches issues du démantèlement des escarpements, des séries condensées au sommet des blocs restés hauts, et une évolution générale vers des dépôts de plus en plus profonds, qui traduit la subsidence thermique après l'amincissement.

Les témoins de domaine océanique sont les complexes ophiolitiques, présents dans les zones internes. Une ophiolite est un fragment de lithosphère océanique charrié sur la croûte continentale. Sa structuration verticale de référence comprend, de bas en haut, des péridotites, des gabbros, des filons basaltiques et des basaltes en coussins, surmontés de sédiments océaniques profonds comme les radiolarites. Dans les Alpes, les péridotites sont massivement serpentinisées et les gabbros ou les basaltes reposent souvent directement sur elles, la partie filonienne étant réduite ou absente. Cette particularité s'interprète comme la marque d'un océan étroit, à ouverture lente, où le manteau a été exhumé à l'axe sans production continue d'une croûte épaisse.

Les témoins de subduction

Ils sont d'abord métamorphiques. On trouve dans les zones internes des roches du faciès schistes bleus, reconnaissables au glaucophane, et des éclogites à grenat et omphacite. Ces paragenèses attestent de conditions de haute pression associées à des températures relativement basses, donc d'un gradient impossible à produire par simple enfouissement sous une couverture, et caractéristique d'une subduction. Les métagabbros ophiolitiques éclogitisés sont l'objet emblématique de ce raisonnement, puisqu'ils prouvent que de la lithosphère océanique est descendue à grande profondeur.

La carte métamorphique des Alpes permet d'aller plus loin. Elle montre la coexistence de gradients différents, haute pression et basse température dans les unités internes, plus proche du type intermédiaire ailleurs. Croisée avec les datations, elle révèle en outre que les épisodes de haute pression n'ont pas le même âge d'une unité à l'autre, ce qui conduit à parler de diachronisme des subductions et à envisager plusieurs domaines océaniques ou plusieurs étapes de plongement.

La préservation de ces roches impose une contrainte supplémentaire : leur exhumation a dû être assez rapide pour que la rétromorphose reste incomplète.

Les témoins de collision

Trois familles d'indices sont à distinguer soigneusement, car le programme les cite séparément.

Les indices de raccourcissement traduisent la réduction de la distance horizontale. Ce sont les plis à toutes les échelles, les failles inverses, les chevauchements et les nappes de charriage, qui superposent des terrains anciens sur des terrains plus récents ou déplacent des unités sur des dizaines de kilomètres. Les schistosités de plan axial en sont l'expression à l'échelle de l'échantillon.

Les indices d'épaississement traduisent l'augmentation de l'épaisseur crustale. Ils sont géophysiques et métamorphiques. La carte des anomalies de Bouguer montre sur les Alpes une anomalie négative marquée, qui signe un déficit de masse en profondeur, c'est-à-dire le remplacement d'un manteau dense par une croûte plus légère : c'est la racine crustale. Le profil ECORS visualise directement cette racine, avec un Moho qui s'approfondit fortement sous la chaîne. Le métamorphisme apporte le troisième argument, des roches ayant subi des conditions correspondant à de grandes profondeurs affleurant aujourd'hui.

Les indices de décrochement traduisent des déplacements horizontaux le long de failles subverticales. Sur une carte, ils se repèrent au décalage latéral des formations de part et d'autre d'un accident rectiligne, sans répétition ni lacune verticale de série.

La lecture du profil ECORS et la géométrie prismatique

Le profil ECORS Bresse-Jura-Alpes est un profil de sismique réflexion doublé de données complémentaires. Il montre plusieurs choses à faire dire explicitement.

Le Moho européen, situé vers une trentaine de kilomètres sous l'avant-pays, s'approfondit progressivement vers l'est jusqu'à des profondeurs bien plus grandes sous les zones internes. La croûte européenne passe sous la plaque adriatique, ce qui matérialise le sous-charriage continental. Des réflecteurs obliques marquent les grands chevauchements qui découpent l'édifice. Un corps de forte densité, interprété comme du matériel mantellique remonté appartenant à la plaque adriatique, est présent à faible profondeur du côté oriental.

L'ensemble s'interprète en géométrie prismatique. Un prisme orogénique est un empilement d'écailles limitées par des chevauchements qui s'enracinent sur un décollement basal commun. Il s'épaissit par accrétion de nouvelles écailles, généralement vers l'avant-pays, ce qui explique la migration de la déformation dans le temps vers l'extérieur de la chaîne. Certains chevauchements sont dirigés en sens inverse, vers l'arrière, ce qui donne au prisme une géométrie à double vergence. Ce modèle rend compte à la fois du raccourcissement, de l'épaississement et de l'ordre d'apparition des structures.

La déformation actuelle

La chaîne n'est pas figée. La sismicité, modérée mais réelle, se concentre le long de certains accidents. Les mesures géodésiques mettent en évidence une surrection encore active de la partie interne, et des déplacements horizontaux faibles. Les indices morphologiques, escarpements frais, décalages de terrasses alluviales ou de moraines, complètent l'argumentaire. Il faut noter qu'une partie de la surrection actuelle relève du rééquilibrage isostatique lié à la fonte des glaces quaternaires et à l'érosion, et pas seulement du raccourcissement.

Le scénario géodynamique reconstitué

L'intégration des données conduit à une histoire en quatre temps.

Un amincissement continental d'abord, avec formation de blocs basculés et de bassins, puis subsidence thermique et installation de marges passives.

Une océanisation ensuite, avec ouverture d'un domaine océanique étroit dont témoignent les ophiolites et les sédiments profonds associés.

Une convergence, avec fermeture de ce domaine par subduction, marquée par le métamorphisme de haute pression et basse température, et par l'enfouissement d'unités continentales entraînées.

Une collision enfin, avec empilement d'écailles, raccourcissement, épaississement, formation de la racine crustale, développement d'un métamorphisme de type intermédiaire dans les zones profondes, exhumation des unités enfouies et alimentation des bassins d'avant-pays par les produits de l'érosion.

Exemples et ordres de grandeur

L'épaisseur crustale passe d'environ 30 kilomètres sous l'avant-pays à environ 50 kilomètres sous les zones internes des Alpes occidentales. L'anomalie de Bouguer associée atteint plusieurs dizaines à plus de cent milligals en valeur négative.

Le raccourcissement total estimé à travers les Alpes occidentales se compte en centaines de kilomètres pour l'ensemble du système, avec des déplacements de nappes individuelles de plusieurs dizaines de kilomètres.

Les conditions enregistrées par les unités les plus enfouies correspondent à des pressions de l'ordre de 1,5 à 2 gigapascals, soit des profondeurs de 50 à 70 kilomètres, pour des températures restées modérées.

La surrection actuelle mesurée est de l'ordre du millimètre par an dans les parties internes. Les sommets culminent à un peu plus de 4 800 mètres, ce qui est faible devant l'épaisseur crustale et rappelle que l'essentiel de la masse est en profondeur.

Quatre figures sont à savoir décrire ou refaire. Un schéma structural des Alpes occidentales, avec les zones alignées d'ouest en est et la limite entre zones externes et internes. Une coupe simplifiée à partir du profil ECORS, avec le Moho européen s'enfonçant vers l'est, le sous-charriage et les grands chevauchements. Une colonne d'ophiolite avec, de bas en haut, péridotites serpentinisées, gabbros, basaltes en coussins et radiolarites. Une série de quatre croquis d'étapes, rift, océan, subduction, collision.

Méthodes et savoir-faire

Exploiter la carte de France au 1/1 000 000 et les cartes au 1/250 000 d'Annecy et de Gap pour situer les grandes unités et repérer les contacts majeurs.

Réaliser des schémas structuraux et des coupes à partir de cartes au 1/50 000. La méthode de coupe reste celle de première année : profil topographique, report des contacts, respect des pendages, extrapolation en profondeur cohérente avec la géométrie observée.

Exploiter le profil ECORS Bresse-Jura-Alpes en identifiant le Moho, les réflecteurs correspondant aux chevauchements et la géométrie de sous-charriage.

Exploiter la carte des anomalies de Bouguer en reliant une anomalie négative à un déficit de masse, donc à une racine crustale, et en invoquant l'équilibre isostatique.

Identifier et exploiter les vestiges de domaines océaniques, les témoins de marge passive, les témoins de subduction et les témoins de collision, en donnant pour chacun l'argument précis qui le rattache à une étape.

Distinguer sur une carte les indices de raccourcissement, d'épaississement et de décrochement, ce dernier se reconnaissant au décalage horizontal des formations.

Exploiter la carte du métamorphisme alpin et la carte tectonique des Alpes pour argumenter la diversité des gradients et le diachronisme des subductions.

Construire l'interprétation de la chaîne en géométrie prismatique à partir des données de surface et de profondeur.

Identifier et exploiter des indices de déformation actuelle, sismicité, géodésie et marqueurs morphologiques.

Intégrer l'ensemble pour reconstituer les grandes étapes de l'histoire de la chaîne.

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

Le schéma structural des Alpes occidentales, tracé de mémoire, avec au minimum bassin molassique, Jura, massifs cristallins externes, zone dauphinoise, limite majeure, zones internes avec ophiolites et massifs cristallins internes.

La liste des témoins de marge passive avec leur argument, en particulier la variation d'épaisseur des sédiments de part et d'autre d'une faille synsédimentaire.

La colonne type d'une ophiolite, avec la nuance alpine sur la réduction du complexe filonien et son interprétation.

L'argumentaire complet reliant éclogite et subduction, en passant explicitement par le gradient de haute pression et basse température.

Le triptyque raccourcissement, épaississement, décrochement, avec deux indices pour chacun.

La lecture de l'anomalie de Bouguer négative et le raisonnement isostatique associé.

Le schéma de prisme orogénique avec décollement basal, écailles empilées et double vergence.

Le scénario en quatre étapes, chaque étape étant justifiée par au moins un objet géologique observé.

Trois pièges. Ne pas confondre les témoins de l'ancien océan, les ophiolites, avec un magmatisme lié à la collision, il n'y a pas de volcanisme de subduction significatif à retenir dans les Alpes occidentales. Ne pas déduire un épaississement du seul relief, l'argument est géophysique et métamorphique. Ne pas raconter l'histoire dans l'ordre chronologique sans justifier chaque étape, la démarche attendue va de l'observation vers l'interprétation.

Notions et mécanismes clés

• Cycle orogénique : succession rift, marge passive, océan, subduction, collision. Une même chaîne en conserve les témoins, d'âges différents.
• Marge passive : bordure continentale amincie, héritée d'un rift, devenue tectoniquement calme après l'ouverture océanique.
• Faille synsédimentaire : faille normale active pendant le dépôt. On la reconnaît aux couches plus épaisses dans le compartiment affaissé.
• Bloc basculé : compartiment limité par des failles normales, dont le pivotement crée un haut fond et un demi-graben.
• Série condensée : série mince et lacunaire, déposée sur un haut fond, souvent riche en encroûtements.
• Ophiolite : fragment de lithosphère océanique incorporé à un édifice continental. Elle montre, de bas en haut, manteau, croûte plutonique, croûte volcanique et sédiments pélagiques.
• Serpentinisation : hydratation de la péridotite par l'eau de mer. L'olivine et le pyroxène deviennent serpentine, ce qui abaisse la densité et la résistance.
• Faciès schistes bleus : glaucophane, souvent lawsonite. Haute pression, basse température.
• Faciès éclogite : grenat et omphacite, sans plagioclase. Pression élevée.
• Coésite : forme de haute pression de la silice, marqueur d'ultra haute pression.
• Gradient métamorphique apparent : rapport entre la température et la profondeur au pic. Environ 5 à 12 °C par km en subduction, 20 à 30 °C par km en type intermédiaire.
• Chemin pression température temps : trajet reconstitué à partir des paragenèses successives d'une même roche.
• Rétromorphose : rééquilibrage partiel à plus basse pression pendant l'exhumation, par exemple glaucophane remplacé par chlorite et actinote.
• Chevauchement : faille inverse à faible pendage qui amène un terrain, souvent plus ancien, sur un autre.
• Nappe, klippe, fenêtre : unité déplacée loin de sa racine, lambeau de nappe isolé par l'érosion, trou dans la nappe qui montre le substratum.
• Décollement : niveau peu résistant, évaporites ou argiles, sur lequel glisse la couverture.
• Anomalie de Bouguer : écart entre la pesanteur mesurée et la pesanteur théorique, après corrections d'altitude et de plateau. Elle reflète les contrastes de densité en profondeur.
• Isostasie d'Airy : un relief est compensé par une racine de croûte légère enfoncée dans le manteau dense.
• Sous-charriage : passage de la croûte d'une plaque sous l'autre pendant la collision.
• Vergence : sens de déversement des plis et de transport des chevauchements.
• Bassin flexural : bassin d'avant-pays créé par la flexion de la lithosphère sous le poids de la chaîne, rempli de molasse.
• Décrochement : faille subverticale à déplacement horizontal, dextre ou senestre.

Chaînes de raisonnement

De la faille synsédimentaire au rifting. Une série plus épaisse d'un côté d'une faille normale prouve que la faille jouait pendant le dépôt. Des failles normales synsédimentaires répétées, des brèches d'escarpement et des blocs basculés traduisent une extension de la croûte. L'approfondissement progressif des dépôts qui suit indique une subsidence thermique, donc une marge passive en formation.

De l'ophiolite à l'océan disparu. La succession péridotite, gabbro, basalte en coussins, radiolarite reproduit la structure verticale d'une lithosphère océanique. Retrouver cette succession au milieu d'un continent prouve qu'un océan séparait autrefois deux domaines aujourd'hui accolés. La minceur de la croûte et les serpentinites exhumées plaident pour un océan étroit et à ouverture lente.

De l'éclogite à la subduction. Une éclogite alpine enregistre une pression de 1,5 à 2 GPa, soit 50 à 70 km, pour des températures de 450 à 600 °C. Le gradient apparent vaut donc environ 6 à 12 °C par km, deux à trois fois plus faible que celui d'une croûte continentale épaissie, de 20 à 30 °C par km. Un tel gradient n'est possible que si un matériau froid est enfoui plus vite qu'il ne se réchauffe. Seule la plongée d'une lithosphère réalise cette condition, donc il y a eu subduction.

De l'anomalie de Bouguer à la racine. Une anomalie négative signale un déficit de masse sous la chaîne. Remplacer du manteau à 3,3 par de la croûte à 2,8 crée exactement ce déficit. L'anomalie négative est donc l'argument géophysique de l'épaississement crustal, que le profil ECORS confirme par l'approfondissement du Moho.

Du diachronisme à la migration de la subduction. Les âges du pic de haute pression diffèrent d'une unité à l'autre. Ils rajeunissent des unités d'origine adriatique vers les unités océaniques, puis vers les unités d'origine européenne, structuralement les plus basses. La subduction a donc entraîné successivement des domaines de plus en plus proches de la marge européenne, jusqu'à de la croûte continentale.

Du prisme à l'ordre des structures. Dans un prisme, chaque nouvelle écaille naît à l'avant, sous les précédentes, qu'elle soulève et transporte. Les structures sont donc de plus en plus jeunes vers l'avant-pays. Le Jura, plissé tardivement, est l'expression la plus externe de ce mécanisme.

De l'érosion à la molasse. Le relief qui se forme est érodé et alimente les bassins d'avant-pays. Le poids de la chaîne fléchit la lithosphère européenne et crée l'espace pour ces dépôts. La molasse détritique est donc à la fois produit de l'érosion et témoin de la charge orogénique.

Surrection actuelle, raccourcissement ou rebond. La géodésie mesure une surrection de l'ordre du millimètre par an mais une convergence horizontale très faible. Des mécanismes au foyer souvent en extension dans les zones internes indiquent que la compression ne commande plus tout. Rebond isostatique après déglaciation, réponse à l'érosion et effondrement gravitaire expliquent une part importante du mouvement.

Exemples et références à connaître

1. Blocs basculés de l'Oisans et de La Mure, zone dauphinoise : failles normales, dont la faille d'Ornon, séries du Lias épaisses dans les demi-grabens et réduites sur les hauts. L'exemple type de marge passive fossile.
2. Ophiolite du Chenaillet, près de Montgenèvre : serpentinites, gabbros, basaltes en coussins frais. Peu métamorphisée, car charriée sans enfouissement profond, c'est la colonne la plus lisible.
3. Mont Viso et Queyras, zone piémontaise : métagabbros éclogitiques et schistes lustrés en schistes bleus. L'argument de la lithosphère océanique subduite.
4. Dora Maira, massif cristallin interne : coésite dans des quartzites à grenat pyrope, décrite par Christian Chopin en 1984. De la croûte continentale européenne est descendue vers 100 km puis est remontée.
5. Jura : plis de couverture décollés sur les évaporites du Trias, socle non plissé en dessous. Un raccourcissement sans épaississement crustal notable.
6. Chevauchement pennique frontal : limite majeure entre zones externes et zones internes, souligné sur les cartes au 1/250 000 par un contact à barbules.
7. Klippe de la Dent Blanche : unité austroalpine, donc d'origine adriatique, posée sur les unités piémontaises. Preuve d'un transport de plusieurs dizaines de kilomètres.
8. Ligne insubrienne : grand accident à composante décrochante dextre qui borde le domaine sud-alpin. L'exemple de décrochement d'échelle crustale.
9. Corps d'Ivrée : anomalie de Bouguer positive et manteau adriatique à faible profondeur, repéré sur le profil ECORS. Il rappelle qu'une carte gravimétrique n'est pas uniformément négative sur une chaîne.
10. Dôme lépontin, au Tessin : métamorphisme de type intermédiaire, faciès amphibolite, plus tardif que la haute pression. L'argument de la diversité des gradients.

Ordres de grandeur : 1 GPa correspond à environ 35 km. Moho entre 30 et environ 50 km. Anomalie de Bouguer jusqu'à environ moins 150 milligals sur les Alpes occidentales. Surrection voisine de 1 mm par an.

Techniques

Lire une carte au 1/250 000 d'Annecy ou de Gap

Réflexe en trois temps. Repérer d'abord les contacts à barbules, qui sont les chevauchements, puis comparer l'âge et la nature des terrains de part et d'autre. Chercher ensuite les contours fermés d'une unité posée sur une autre, qui sont des klippes, et les contours fermés d'un substratum entouré par une nappe, qui sont des fenêtres. Relier enfin chaque unité à sa zone paléogéographique.

Mini-exemple. Des schistes lustrés à ophiolites forment un contour fermé au-dessus du Briançonnais. Un chevauchement les borde sur tout le pourtour. On conclut à une klippe d'unité océanique charriée vers l'ouest sur la marge européenne.

Distinguer chevauchement et décrochement sur une carte

Un chevauchement répète ou supprime des couches et recoupe la topographie de façon sinueuse, puisque son pendage est faible. Un décrochement a un tracé rectiligne indifférent au relief et décale latéralement des limites de formations sans répétition verticale. Mini-exemple : un contact tracé en ligne droite sur 20 km, qui franchit vallées et crêtes, et de part et d'autre duquel une même bande de calcaires est décalée de 3 km vers le sud. On conclut à un décrochement. Le sens se lit en se plaçant sur un compartiment : si l'autre est déplacé vers la droite, le jeu est dextre.

Faire parler le profil ECORS

Quatre éléments à désigner dans l'ordre, sur le document : le Moho européen et sa profondeur de chaque côté, la croûte européenne qui passe sous l'adriatique, les réflecteurs obliques des chevauchements, le corps dense oriental. Chaque élément reçoit une interprétation : épaississement, sous-charriage, empilement, manteau adriatique superficiel. Ne jamais interpréter sans avoir d'abord décrit.

Calcul d'isostasie d'Airy

Mini-exemple. Croûte de référence 30 km au niveau de la mer, masses volumiques 2,8 et 3,3, altitude moyenne 2 km. L'égalité des masses des colonnes au niveau de compensation donne une racine r = 2,8 × 2 / 0,5 ≈ 11 km. La croûte atteint donc environ 43 km. Montrer l'égalité des colonnes et non la seule formule.

Convertir pression et profondeur

La pression lithostatique vaut ρgz. Avec ρ = 3 000 kg par m³ et g = 10 m par s², 2 GPa donnent z = 2 × 10⁹ / 3 × 10⁴ ≈ 67 km. Diviser ensuite la température par cette profondeur donne le gradient apparent. Un pic à 550 °C et 2 GPa correspond à environ 8 °C par km, gradient de subduction.

Le schéma bilan en quatre croquis

Quatre coupes alignées, même échelle horizontale, ouest à gauche. Rift avec blocs basculés. Océan étroit avec manteau exhumé et croûte mince. Subduction vers l'est avec les faciès schistes bleus puis éclogite le long du plan. Collision avec prisme à double vergence, racine et bassin molassique. Chaque croquis porte l'objet de terrain qui le justifie.

Sujets classiques traités

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

Erreurs fréquentes